Методическое, алгоритмическое и приборное обеспечение процедур обнаружения аномалий в мониторинговых наблюдениях природной среды на основе модульно-компонентного подхода

Современные требования информационной надежности систем экологического и природно-хозяйственного мониторинга природной среды (ПС) непрерывно растут, что обуславливает необходимость как разработки новых проблемно-ориентированных методов, так и усовершенствования существующих методов и алгоритмов анализа данных результатов мониторинга ПС. Комплексное решение задач обнаружения аномальных значений в данных мониторинга ПС включает разработку специализированных методов и реализующего эти методы алгоритмического, приборного и программно-технического обеспечения, использующего новые достижения в области вычислительной техники и программного обеспечения в части интеллектуального и модульно-компонентного подходов. Объект исследования – данные многопараметрических мониторинговых наблюдений природной среды в виде пространственно-временных скалярных и векторных полей. Предмет исследования – методическое, алгоритмическое и приборное обеспечение процедур обнаружения аномалий в факторном пространстве данных мониторинга природной среды, реализованное на основе модульно-компонентного подхода. Цель работы – повышение информационной надежности модульного методического, алгоритмического и приборного обеспечения процедур обнаружения аномалий в мониторинговых наблюдениях природной среды на основе модульно-компонентного подхода. Основные научные результаты диссертационной работы: 1. Осуществлена классификация информационных ситуаций, возникающих при мониторинге ПС, осуществлено ее расширение за счет введения в рассмотрение факторного пространства скалярных и векторных полей мониторинга и критериального пространства точности, полноты, реактивности и рисков. Применение предложенного подхода динамически переключаемых модулей позволило на 10-25% уменьшить вероятности ошибок I рода и на 7-15% уменьшить вероятности ошибок II рода, что особенно критично при принятии статистических гипотез о наличии или отсутствии аномалий в данных мониторинговых наблюдений ПС, по сравнению со стационарными решениями. 2. Разработано новое модульное методическое, техническое и информационное обеспечение систем экологического мониторинга ПС за счет нового метода качественной дифференциальной оценки состояния природной среды и установки для его осуществления, и специализированных программно-аппаратных решений консолидации данных мониторинга ПС и снижения их избыточности. Результаты моделирования аномальных событий на лабораторном стенде показали в 2-3 раза более высокую сходимость предложенного подхода по сравнению со статистическими методами и уменьшение Парето множества решений о состоянии ПС в 4-6 раз, по сравнению с классическим набором однокритериальных подходов. 3. Разработан и зарегистрирован интеллектуальный комплекс обработки и анализа данных мониторинга ПС, обладающий новыми качествами адаптивности к актуальной информационной ситуации и поддержкой интерактивных режимов управления. Результаты численного имитационного моделирования и натурные испытания показали продуктивность применения модульно-компонентного подхода для предложенной системы выявления аномалий в данных мониторинга ПС, позволив обнаружить 94% и 87% искусственно созданных возмущений соответственно, что значительно превышает результат 60% для метода с жестко заданными границами. 4. Проведена всесторонняя апробация предлагаемого методологического аппарата, методико-алгоритмического и программно-технического обеспечения, разработанных в рамках модульно-компонентного подхода, направленных на осуществление информационного обеспечения процессов обнаружения аномалий в данных мониторинга ПС, выполненных в рамках плановых исследований по базовым темам государственных заданий ФГБНУ «Институт природно-технических систем» и при осуществлении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.