Онтологические аспекты исследования взаимовлияния энергетики и геоэкологии

Исследования по оценке влияния энергетики на геоэкологию региона выполняются совместно с коллективами учёных Беларуси и Армении в рамках международного проекта при поддержке фондов ЕАПИ1-РФФИ. С одной стороны, обеспеченность энергетическими ресурсами является необходимой составляющей качества жизни, которое рассматривается как сочетание объективных (условия жизни) и субъективных (оценка этих условий индивидуумом) факторов. С другой стороны, негативное влияние объектов энергетики на экологию снижает качество жизни населения. Выявить вклад различных отраслей промышленности в воздействие на элементы природной среды достаточно сложно, особенно в части вклада в формирование уровня загрязнения. В настоящее время экологические оценки деятельности объектов энергетики осуществляются путём проведения замеров и постоянного мониторинга эмиссии загрязняющих веществ в элементы природной среды, которые служат основой для разработки норм допустимых выбросов/сбросов/образования отходов. Кроме того, оценка вклада объектов энергетики в воздействие на элементы природной среды проводится с использованием статистической информации, государственных докладов «О состоянии и об охране окружающей среды», а также отчётных данных конкретных предприятий.

Основным критерием выделения влияния энергетических объектов на природную среду служит перечень характерных загрязняющих веществ, поступающих при их функционировании: водяной пар, углерод (сажа), сланцевая зола, мазутная зола ТЭЦ в пересчёте на пятио-кись ванадия, пыль неорганическая, взвешенные вещества, диоксид серы, оксид углерода, оксиды азота, бенз(а)пирен, золошлаковые отходы.

При отсутствии достоверной информации оценку влияния энергетики можно провести по результатам вычислительного эксперимента с использованием существующих утверждённых Правительством РФ методик, например, по определению количества выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от котельных установок различной мощности.

В проекте поставлена фундаментальная научная проблема, которая заключается в разработке методов и геоинформационных технологий для оценки влияния энергетики на геоэкологию региона. Первоочередной задачей для решения этой проблемы является выполнение онтологического инжиниринга предметной области (ПрО).

С российской стороны объектом исследований является Байкальская природная территория, сопоставимая по размерам с территориями Беларуси и Армении. Исследования в разных странах ведутся параллельно, авторы обмениваются результатами, разрабатываемые совместно методы и технологии применяются к конкретным объектам энергетики в каждой стране. Для реализации проекта российской стороной предложена разработка Web-ориентированной информационной системы, которая интегрирует математические и семантические методы, инструментальные средства оценки влияния энергетики на геоэкологию региона, базу знаний и геоинформационную систему. При разработке интерфейса предполагается реализовать, в частности, подсистемы описания знаний и манипулирования знаниями, что требует выполнения онтологического инжиниринга исследуемой ПрО и разработки системы онтологий для формализованного представления знаний.

1    Геоэкология и её связь с энергетикой

Термин «геоэкология» ввёл немецкий географ Карл Тролль в 1930-х годах, понимая под ней географическую, то есть ландшафтную экологию 2 . С тех пор этот термин существенно видоизменился, но до сих пор нет его однозначной трактовки. В [1, 2] предлагается определение: «Геоэкология – междисциплинарное научное направление, объединяющее исследования состава, строения, свойств, процессов, физических и геохимических полей геосфер Земли как среды обитания человека и других организмов». В некоторых случаях геоэкологию определяют, как комплексную прикладную дисциплину, которая отличается от биологических и соответствует географическим или геологическим дисциплинам. Это определение не противоречит определению, данному в [1, 2]. Основной задачей геоэкологии является изучение изменений жизнеобеспечивающих ресурсов геосферных оболочек под влиянием природных и антропогенных факторов, их охрана, рациональное использование и контроль с целью сохранения для нынешних и будущих поколений людей продуктивной природной среды. Иными словами, термин геоэкология сочетает в себе несколько понятий, объединяющих

• 2    Марков К.К. Карл Тролль и современная география / Изв. АН СССР. Серия “География”. 1976. -№ 3. - С. 145-154.

характеристики и свойства геосферных оболочек Земли и их изменения под воздействием деятельности человека [1-5].

В 1993 г. академик РАН В.И. Осипов дал своё определение геоэкологии как науки, изучающей геосферные оболочки Земли и происходящие в них изменения под воздействием как природных, так и антропогенных факторов [5]. К геосферным оболочкам Земли отнесены литосфера, атмосфера, гидросфера и биосфера, т.е. живая (растительность, живые организмы, в том числе человек) и неживая природа (минеральная основа), которые взаимодействуют друг с другом, создавая необходимые условия и свойства для поддержания устойчивости своей системы (оболочки).

В качестве антропогенного фактора принято рассматривать деятельность человека, способную преобразовывать и изменять состав, структуру и свойства геосферных оболочек и формировать новые специфические геосферные оболочки: ноосферу и техносферу. В данном исследовании в качестве антропогенного фактора рассматривается функционирование энергетических объектов и их влияние на элементы природной среды (или геосферные оболочки). Для оценки вредных выбросов объектами энергетики используются нормативные методики и результаты вычислительных экспериментов с использованием математических методов и моделей, в т.ч. моделей рассеивания (переносов загрязнений по воздуху).

К энергетическим объектам относятся предприятия по добыче топливно-энергетических ресурсов: угля, нефти, природного газа, торфа, а также предприятия, преобразующие добытые топливно-энергетические ресурсы в тепловую и электрическую энергию, и энергообъекты, осуществляющие передачу энергии конечному потребителю [6].

В каждом виде деятельности (от добычи до передачи) энергообъекты оказывают антропогенное влияние на все элементы природной среды (геооболочки). На атмосферу влияние оказывается посредством поступления загрязняющих веществ, не присущих воздушному бассейну, так называемых выбросов, на гидросферу - посредством сбросов загрязнённых стоков, образованных в результате энергетического производства. Воздействие на литосферу связано с нарушением ландшафтов и образованием значительного количества отходов (угле-бодычи или золошлаковые), в том числе происходит изъятие значительных территорий под их складирование. Кроме того, энергетическое производство и передача энергоресурсов связаны с шумовым, тепловым и электромагнитным воздействием на природную среду, что характеризует воздействие на биосферу в целом.

Систематизация и анализ существующих данных о воздействии энергетики на природную среду позволяют выделить наибольшее влияние того или иного вида деятельности на геоэкологию. Так, добыча топливно-энергетических ресурсов в большей степени связана с воздействием на литосферу (отходы) и гидросферу (смывные или буровые воды). Преобразование топлива в энергию связано с большим влиянием на атмосферу, когда генерирующие объекты выбрасывают загрязняющие вещества, характерные при сжигании органических топлив, в воздушный бассейн (твёрдые примеси и газообразные компоненты), а в гидросферу поступают подогретые нормативно-чистые воды, нарушая гидробиологический и химический состав вод.

В целом наибольшее влияние энергетики на природную среду происходит через атмосферу, куда попадает значительный объём вредных загрязняющих веществ, в отдельных случаях способных распространяться на большие расстояния и выпадать на значительные площади, вымываться из воздуха и осаждаться на водные поверхности и почвы.

Как правило, при постановке и решении экологических проблем рассматривается уровень загрязнения в целом, без выделения составляющей, создаваемой энергетическими объектами. Это обосновано с точки зрения конечного результата, но затрудняет планирование и выполнение мероприятий по снижению негативного влияния энергетических объектов на геоэкологию региона. Исследования в этой области проводятся, как в России, например [7, 8] (в т.ч., исследования авторов ˗ [12, 13]), так и в других странах [9-11].

Таким образом, развитие энергетики позволяет, с одной стороны, улучшать условия жизни населения (биосферного элемента геоэкологии), с другой, посредством негативного влияния на элементы природной среды и человека – их ухудшать. В рассматриваемом проекте ставится проблема разработки методов и технологий оценки влияния энергетики на геоэкологию региона с учётом качества жизни населения [14].

2    Базовый тезаурус исследуемой предметной области

Для решения проблемы оценки влияния энергетики на геоэкологию необходимо согласовать терминологию, отражающую взаимосвязи этих ПрО. Базовая терминология, являющаяся пересечением в рассматриваемых ПрО, касается, главным образом, природных ресурсов, которые энергетическая отрасль непосредственно широко потребляет, а геоэкология изучает с точки зрения их сохранения и контроля за рациональным использованием. Анализ приведённых некоторых определений основных терминов показывает тесные взаимосвязи этих ПрО. Определения в области геоэкологии базируются на источниках [1-5], определения из области энергетики соответствуют [7].

Геоэкология - базовое определение и его варианты приведены в разделе 1 (иногда рассматривается как синоним ландшафтной экологии - географическая экология).

Природные ресурсы – элементы природы, необходимые человеку для его жизнеобеспечения и вовлекаемые им в материальное производство (атмосферный воздух, вода, почва, солнечная энергия, полезные ископаемые, растительность, животный мир, климат и др.).

Геосфера – сферические оболочки, формирующие планету Земля.

Литосфера – твёрдая оболочка Земли, состоит из земной коры и верхней части мантии.

Атмосфера – газовая оболочка, окружающая планету Земля

Гидросфера – водная оболочка Земли; её принято делить на Мировой океан, континентальные поверхностные воды и подземные воды.

Биосфера – оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности; глобальная экосистема Земли.

Техносфера – часть биосферы, преобразованная людьми с помощью прямого и косвенного воздействия технических средств в целях наилучшего соответствия социальноэкономическим потребностям человечества.

Антропогенный фактор – экологический фактор, обусловленный различными формами влияния деятельности человека на природу. Антропогенные факторы могут быть первичными, или прямыми (истребление, акклиматизация, интродукция), и вторичными, или косвенными (вырубка лесов, осушение болот, распашка земель и тому подобное).

Энергетика – область народного хозяйства, науки и техники, охватывающая энергетические ресурсы, производство, передачу, преобразование, аккумулирование, распределение и потребление различных видов энергии 3 .

Производственный процесс – совокупность технологических и иных необходимых для производства процессов и операций, включая трудовую деятельность и функции работаю-щих 4 . В энергетике основные производственные процессы включают: добычу и транспортировку топлива, переработку топлива и преобразование его в энергию, преобразование в энергию возобновляемых природных энергоресурсов, транспортировку энергии.

• 3    ГОСТ 19431-84 Энергетика и электрификация. Термины и определения. Государственный комитет СССР по стандартам. 4 ГОСТ 12.3.002-2014 Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Процессы производственные. Общие требования безопасности

Энергетический ресурс – совокупность природных и производственных энергоносителей, запасённая энергия которых при существующем уровне развития техники и технологии доступна для использования в хозяйственной деятельности 5 .

Первичные энергетические ресурсы – это энергия природного происхождения (природное топливо, энергия водных ресурсов, энергия солнца, ветра и др. виды).

Вторичные энергетические ресурсы – это энергия, образующаяся в результате переработки или преобразования различных видов топлива, а также в результате производственных процессов (продукты нефтепереработки, отработанный пар, отходы тепла, сбережённая энергия и др. виды).

Топливно-энергетические ресурсы – это энергия различных видов топлива (каменный и бурый уголь, нефть, горючие газы, горючие сланцы, торф, дрова и др. виды).

Возобновляемые природные энергетические ресурсы (ВПЭР) – ресурсы, запас которых непрерывно возобновляется природой (энергия солнца, энергия вод, энергия приливов, геотермальная энергия, тепловая энергия земли, воздуха, воды, биомасса и др. виды).

Невозобновляемый энергетический ресурс – ресурс, запас которого принципиально исчерпаем (минеральное топливо, уран и др. виды).

Продукт (в энергетике) – вырабатываемые (добываемые) и потребляемые электроэнергия, теплоэнергия, топливо.

Топливо – вещества, которые могут быть использованы в хозяйственной деятельности для получения тепловой энергии, выделяющейся при его сгорании 5 .

Ландшафт – территориальная система, состоящая из взаимодействующих природных или природных и антропогенных компонентов и комплексов более низкого таксономического ранга. Основные составные части ландшафта представлены фрагментами отдельных сфер географической оболочки 6 .

Выброс – поступление в окружающую среду (воду, атмосферу) загрязняющих веществ от промышленных или сельскохозяйственных предприятий. Различают выбросы от отдельных источников и суммарные выбросы от нескольких предприятий территории. Выбросы нормируются показателем предельно допустимого выброса.

Отходы – остатки продуктов или дополнительный продукт, образующиеся в процессе или по завершении определенной деятельности и не используемые в непосредственной связи с этой деятельностью 7 .

3    Онтологический инжиниринг предметной области

Проблема онтологического инжиниринга разных ПрО рассматривается как в российских, например, [15-18], так и в зарубежных работах [19-23].

В рамках реализации проекта по разработке методов и технологий для оценки влияния энергетики на геоэкологию региона предполагается разработка Web-ориентированной информационной системы, которая интегрирует математические и семантические методы и инструментальные средства оценки такого влияния, а также базу знаний и геоинформационную систему [14]. Выполнение онтологического инжиниринга обусловлено необходимостью формализации знаний как для построения баз данных и баз знаний, так и для реализации интерфейса, включающего подсистемы описания знаний и манипулирования знаниями.

Онтологический инжиниринг, как процесс разработки системы онтологий, включает анализ реально протекающих и взаимодействующих процессов с целью выявления основных классов сущностей, их свойств, а также отношений между этими классами, определяющих их поведение и изменение в процессе взаимодействия [15-18].

5 ГОСТ Р 51387-99. Энергосбережение. Нормативно-методическое обеспечение. Основные положения.

• 6    ГОСТ 17.8.1.01-86 Охрана природы. Ландшафты. Термины и определения.

• 7    ГОСТ 30772-2001 Ресурсосбережение. Обращение с отходами. Термины и определения.

В работе предполагается разработка системы онтологий в соответствии с фрактальным подходом, предполагающим введение метауровней и их дальнейшее расслоение, предусматривающее всё большую степень детализации на каждом следующем уровне (слое) [24]. Метаонтология верхнего уровня отражает наиболее общие связи между базовыми понятиями энергетики и геоэкологии (рисунок 1). На рисунке показано, что непосредственное влияние на природную среду оказывают антропогенные факторы, создаваемые производственным процессом энергетической отрасли.

Продукт включает

Литосфера

Биосфера

Атмосфера

Гидросфера изучает использует

Энергетика j осуществляет производит

— создает _^.| создает

(Энергия j (топливо )

включает влияет на

^Теплоэнергия^ ^Электроэнергия^

Элемент природной среды

Антропогенный фактор

Производственный процесс --®-- использует__

Топливноэнергетический ресурс

Энергетический Ресурс

Возобновляемый ресурс

£Геоэкология

Рисунок 1 – Метаонтология взаимосвязей энергетики и геоэкологии

Сложный производственный процесс в энергетике включает несколько этапов (добыча, транспортировка, переработка топлива, преобразование топлива в энергию, транспортировка энергии), результатом которых являются основные энергетические продукты (рисунок 2).

Рисунок 2 – Онтология производственного процесса в энергетике

На разных этапах производственного процесса в энергетике формируются различные антропогенные факторы. Например, добыча топлива приводит к нарушению ландшафта, изъя- тию территории, образованию отходов в больших количествах, создаёт выбросы в атмосферу (рисунок 3). На этапе преобразования топлива в энергию основными антропогенными факторами являются отходы, такие как зола и шлак, и выбросы, включающие твёрдые частицы и газообразные вещества (рисунок 4).

Рисунок 4 - Онтология процесса преобразования топлива

Рисунок 3 - Онтология этапа добычи топлива

Приведённые примеры онтологий являются лишь частью системы онтологий, которые используются для формирования баз данных и знаний, интеграции информации и её совместной обработки. В этом случае онтологии рассматриваются как прообраз инфологической модели данных (модель «сущность-связь») [25]. Иначе говоря, онтологические модели преобразуются в инфологические модели данных, на основе которых проектируются базы дан- ных (БД) и базы знаний (БЗ) [26]. Описания данных и знаний помещаются в соответствующие БД и БЗ, а операторы манипулирования данными и знаниями реализуются в первом случае – средствами систем управления базами данных, а во втором – машиной вывода или специальным языком управления знаниями [14].

Заключение

В статье представлены результаты этапа исследований по реализации международного проекта, связанного с работой по формированию подсистем описания данных и знаний и манипулирования ими при разработке интерфейса Web-ориентированной информационной системы. Рассмотрены проблемы, изучаемые геоэкологией, и продемонстрированы основные взаимосвязи этой науки с энергетикой, которая на разных этапах своего производственного процесса формирует антропогенные факторы, влияющие на элементы природной среды, исследуемые геоэкологией. Выполнен онтологический инжиниринг ПрО и представлены примеры онтологий, отражающие взаимосвязи основных базовых понятий из области геоэкологии и энергетики. Предлагается учитывать требования геоэкологии к снижению негативного влияния энергетики, используя понятие «качество жизни» [14].

Работа выполняется в рамках Международного проекта «Методы и технологии оценки влияния энергетики на геоэкологию региона» при финансовой поддержке фонда Евразийской Ассоциации поддержки научных исследований (ЕАПИ), грантов РФФИ № 18-57-81001, № 16-07-00474 и № 16-07-00569. Авторы выражают благодарность этим фондам.