Обгрунтовуючи підходи щодо визначення техногенної безпеки держави через стан техногенного забруднення довкілля, що погіршився у зв’язку з інтенсивним розвитком хімічної промисловості, збільшенням кількості нових синтезованих сполук, виникла необхідність розробки сучасних, чутливих і селективних методів аналізу полютантів в об’єктах навколишнього середовища.

        Зараз вже не викликає сумніву, що зростання забруднення навколишнього середовища (НС) в промислових центрах зумовлює високий рівень захворюваності населення. Техногенними причинами пояснюються хвороби дітей в Чернівцях (1988 р.), працівників гірничозбагачувального комбінату в Комсомольську Полтавської області (1998 р.) та ін. В таких випадках велике значення має надійне встановлення джерел надходження шкідливих забруднюючих речовин та їх кількість.

        Особливої гостроти в Україні у зв’язку зі складним економічним станом та техногенним забрудненням НС набуває демографічна проблема. Це спонукало розпочати в 1993 році проведення наукової програми “Сім’я та діти України”, в якій значна увага приділена екологічній ситуації різних еколого-економічних та клімато-географічних регіонів нашої держави (Київ, Маріуполь, Дніпродзержинськ).

        Моніторинг НС набуває фундаментальної ваги і є основою керування якістю екології довкілля. При цьому досить важливим завданням є проведення порівняльної оцінки вітчизняних аналітичних методів з методами  зарубіжних країн. Це дасть можливість, зокрема, використовувати найбільш досконалі сучасні методи відбору проб і оцінювати наскільки надійними є результати аналізу.

        В плані поліпшення екологічної ситуації велику роль відіграє очистка водного басейну від забруднень важкими металами. Ефективними адсорбентами сполук металів можуть бути природні мінерали, які мають високі значення як питомої поверхні, так і негативного заряду, що може нейтралізуватися зовнішніми катіонами, зокрема металів. Це вимагає проведення досліджень щодо використання природних мінеральних сорбентів для очистки води від важких металів, розробки способів утилізації мінеральних сорбентів, які містять адсорбовані важкі метали, і пошуку ефективних методів агрегації цих високодисперсних фракцій  у водному середовищі та зневоднення осаду.

У другій половині ХХ століття почалась інтеграція економічних і екологічних знань, їх кількісне та якісне зростання. Математична економіка, яка на той час досягла значних наукових висот, стала могутнім джерелом нових задач, які стимулювали розвиток методів оптимізації та інших розділів математики. Поряд з математичною економікою прогресивними темпами розвивалась математична екологія.
Проблеми виснаження невідтворюваних природних ресурсів, екологічні катастрофи, а також  результати наукових досліджень окремо економічних і екологічних процесів обумовили врешті-решт поступовий перехід до вивчення проблем екологічної економіки. Стало зрозумілим, що система ”природа-виробництво” повинна підкорятись таким критеріям розвитку, які б відображали як економічні (орієнтовані на співвимірювання витрат праці), так і екологічні (орієнтовані на збереження цілісності природи) інтереси,  а взаємодія людського суспільства і природного середовища повинна вивчатись в рамках єдиної еколого-економічної системи. Складність врахування екологічної складової при побудові концепції економічного розвитку та потреба розглядати цілісні еколого-економічні системи привели науковців до математичного моделювання та оптимізації як найбільш могутніх і ефективних засобів дослідження еколого-економічних систем.
Ці засоби були створені значною мірою завдяки фундаментальним працям Ж.Л.Лагранжа, Р.Беллмана, Л.С.Понтрягіна, Л.В.Канторовича, М.М.Красовського, А.М.Колмогорова, М.М.Мойсеєва, А.Я.Дубовицького, О.О.Мілютіна, Е.Г.Гольштейна, Ф.П.Васильєва, В.Ф.Кротова, Р.Ф.Габасова, Ю.П.Іванілова, О.О.Петрова, П.С.Краснощокова та таких відомих українських учених, як В.М. Глушков, В.С. Михалевич, Б.М. Пшеничний, Н.З. Шор, Ю.М. Єрмольєв, І.В. Сергієнко, В.М. Кунцевич, Б.М. Бублик, А.О. Чикрій, І.М. Ляшенко, М.Ф. Кириченко, О.Г. Наконечний, Ф.Г. Гаращенко, І.В. Бейко, А.П.Великий, М.В. Михалевич, В.В. Остапенко, О.С.Макаренко, М.З. Згуровський, В.В. Скопецький, В.С. Дейнека та інші.
Головною ознакою цілісних еколого-економічних систем є керованість, тобто наявність мети і критерію розвитку. Тому вони відносяться до складу кібернетичних систем – систем, якими можна керувати за допомогою деяких вільних екзогенних змінних. Серед існуючих на сьогоднішній день моделей еколого-економічних систем розрізняють балансові, оптимізаційні та імітаційні моделі. Класичним представником балансових моделей є, наприклад, модель Леонтьєва–Форда. До оптимізаційних належить, зокрема, модель ”оптимального збирання врожаю” (оптимальної експлуатації природних ресурсів) Моно-Ієрусалимського. Славнозвісний проект Дж.Форрестера, в якому аналізується взаємодія трьох систем: демографічної, індустріальної та аграрної, належить до імітаційних моделей. Ідея цього проекту полягає в збереженні рівноваги між суспільством і природою в глобальному масштабі.
Ця ідея була провідною на Конференції ООН з навколишнього середовища і розвитку (1992 р.), на якій керівники 179 країн світу, включаючи Україну, спільно виробили всесвітню програму дій під назвою ”Порядок дня на XXI століття”. Основу програми склали 27 принципів, що регламентують раціональну поведінку людства на шляху переходу на збалансований в економічному, екологічному та соціальному сенсі спосіб життя. Такий спосіб передбачає самовідтворюваний розвиток економіки та економічне зростання в межах допустимих можливостей природного середовища. Цей розвиток був названим сталим (стійким, самовідтворюваним).

Питання взаємодії людського суспільства і природи є однієї з найбільш актуальних проблем сучасності, успішне рішення якої залежить від рівня екологічної культури особистості та рівня громадської свідомості в цілому. На сучасному етапі відродження національно-культурного життя України, в умовах складної екологічної ситуації, що виникла в суспільстві, педагоги-науковці, вчені-природознавці та вчителі-практики ведуть інтенсивні пошуки нового змісту, шляхів, форм і методів екологічної освіти та виховання шкільної і студентської молоді. У вирішенні цих завдань провідна роль належить вищим педагогічним навчальним закладам, які здійснюють загальнопедагогічну та спеціально-методичну підготовку вчительських кадрів, у тому числі й у галузі формування еколого-педагогічної культури майбутнього спеціаліста, як обов’язкового чинника його професійної кваліфікації.
    Корисний досвід природоохоронної освіти і виховання майбутніх учителів накопичили природничі, природничо-географічні та педагогічні факультети вищих педагогічних закладів України у 50-80 рр. ХХ ст., коли у навчальний процес почали вводитися факультативи, спецкурси за вибором та обов’язкові курси з питань підготовки студентів до природоохоронної діяльності в школі. Ці роки відзначаються пошуками вчених, методистів, учителів загальнопедагогічних та спеціально-методичних підходів до природоохоронної освіти і виховання учнів та студентів, встановленням науково обґрунтованих відносин між людиною та навколишнім середовищем. У цей період проблеми охорони природи стають предметом досліджень цілого комплексу наук і набувають постійної уваги як з боку державних органів освіти, так і громадськості.
    Актуальність обраної теми дослідження визначається також доцільністю використання вітчизняної історико-педагогічної спадщини з питань природоохоронної освіти студентської молоді в умовах розвитку в Україні вищої національної педагогічної школи.
    Огляд  науково-методичної літератури свідчить, що проблема природоохоронної освіти і виховання молоді завжди була актуальною у вітчизняній педагогічній науці, розглядалася як важливий засіб підготовки розвиненої особистості, забезпечення її зв’язку із суспільством та навколишнім середовищем. У 20-30-ті рр. ученими-природознавцями А.П.Павловим, Б.Є.Райковим були створені посібники з методики природознавства, у яких обґрунтовувалися питання навчальної діяльності школярів з урахуванням взаємозв’язку наукових знань та почуттєвого сприймання природних об’єктів і явищ, також надруковані методичні рекомендації С.Герда, Н.Подьяпольського, Г.Кожевникова щодо ролі школи і вчителя у справі охорони природи.
    Науково-методичним дослідженням з питань природоохоронної освіти учнів у процесі вивчення біологічних дисциплін і в позакласній роботі у 50-60-ті рр. були присвячені кандидатські дисертації Я.І.Габєва, Л.А.Родової, Е.Ю.Шапокєнє. Різні аспекти науково-природничої підготовки студентів вищих педагогічних закладів України до природоохоронної роботи в школі розглядалися також у статтях досвідчених викладачів-природознавців Н.М.Єни, О.І.Кривицького, Д.І.Трайтака. Педагогічно корисні ідеї з проблем спілкування вчителя та учнів з природою, формування у школярів відповідального ставлення до краси навколишнього природного середовища як джерела розвитку високих духовних якостей особистості було обґрунтовано у працях педагога-новатора В.О.Сухомлинського.

Серед систем з розподіленими параметрами особливе місце займають системи, які містять дискретні рухомі джерела фізичного поля та складові частини систем, які чутливі до розподілу фізичного поля. Дуже різноманітні приклади таких систем в енергетиці, екології, теплофізиці та ін. Так, наприклад, енергетичними установками щорічно викидається в повітряний басейн: двоокису сірки – (180 – 200) 106 т, вуглецю – (350 – 400) 106 т, окису азоту – (60 – 65) 106 т, вуглеводню – (80 –90) 106 т, крім того, викидаються різні радіоактивні речовини (дані на 1988р.). Урахування екологічних вимог приводить до необхідності розробки математичних моделей і методів мінімізації рівня забруднення навколишнього середовища до гранично допустимих санітарних норм.
У працях академіка Г. І. Марчука розглянуто питання вибору місцезнаходження підприємства, що будується, та визначення рівня забруднення екологічно значущих зон залежно від місцезнаходження підприємства.
Значний практичний інтерес являють задачі вибору місцезнаходження екологічно значущих об'єктів (профілакторії, будинки відпочинку, дитячі заклади, автомагістралі й т.д.) з урахуванням інтенсивностей викидів джерел забруднюючих речовин, а також геометричних форм регіону й розміщуваних об'єктів, обмежень на місцезнаходження об'єктів у регіоні та вимог на рівень забруднення в них.
 Відзначені вище задачі розміщення екологічно значущих об'єктів дуже близькі за постановкою до задач розміщення чутливих до температурного поля елементів мікроелектронної апаратури при їх теплофізичному проектуванні.
Іншим дуже важливим прикладом теплофізичних систем, при синтезі яких виникають задачі компоновки, є системи, в яких необхідно здійснити призначення інтенсивностей дискретних джерел на фіксовані місця за обмеженнями на результуюче поле. Ці задачі однаковою мірою належать як до екологічних систем (керування викидами діючих підприємств), так і до теплофізичних систем (керування дискретними електротепловими нагрівальними елементами з метою мінімізації витрат електрики).
 У працях чл.-кор. НАН України Ю. Г. Стояна та його учнів виконані досить великі дослідження щодо розробки математичних моделей та оптимізаційних методів синтезу технічних систем з дискретними джерелами фізичного поля, однак відзначені вище задачі компоновочного синтезу систем не знайшли достатньо систематичного дослідження з наступним їх практичним застосуванням. Цим питанням і присвячується дана робота.
 Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати роботи були отримані й реалізовані за безпосередньої участі автора у зв'язку з виконанням:
• науково-дослідної теми “Застосування методів математичного моделювання у сільському господарстві” кафедри кібернетики Харківського державного технічного університету сільського господарства (рішення Вченої ради університету від 24.09.98р.);
• договору з УкрВОДГЕО у зв'язку з виконанням “Програми запобігання і реагування на надзвичайні ситуації техногенного та природнього характеру”, яка координується МНС України;
• договору з Інститутом механізації та електрифікації сільського господарства Української академії аграрних наук від 03.04.98р;
 Мета і задачі дослідження. Розробити математичні моделі та ефективні методи розв'язання задач оптимізації компоновочних рішень при синтезі екологічних та теплофізичних систем, які містять дискретні джерела відповідних фізичних полів та складові об'єкти, чутливі до фізичного поля. Для цього необхідно:
• виділити клас досліджуваних систем на підставі аналізу їх характерних ознак і задач компоновочного синтезу систем, які випливають із змістовних формулювань;
• розробити математичну модель задачі компоновочного синтезу розподілених систем з дискретними джерелами фізичного поля і складовими елементами, чутливими до розподілення фізичного поля, дослідити її особливості та особливості конкретних реалізацій;
• розробити й дослідити чисельними методами проблемно-орієнтовані математичні моделі в застосуванні до задач синтезу екологічних і теплофізичних систем;
• розробити принципи технічної реалізації математичних моделей та алгоритмів компоновочного синтезу розподілених систем і накреслити шляхи створення засобів для апаратурної підтримки САПР, систем керування та систем автоматизації проведення наукових досліджень.