LINEBURG


<< Пред. стр.

страница 9
(всего 9)

ОГЛАВЛЕНИЕ

сложно описать в "бытовых" терминах. Поэтому разработчики должны ид-
ти от моделирования типичных ситуаций, практических требований к точ-
ности приближения и реальных вычислительных ресурсов ПЭВМ пользо-
вателя, и информационной системы. Для облегчения работы с комплексом
численных моделей необходимо организовать несколько видов диалога.
По умолчанию решаются типичные задачи. Для них заранее опреде-
лены модели, методы, начальные условия и параметры. Через меню предо-
пределена последовательность действий. Контекстные подсказки и воз-
можность безбоязненно "поиграть" некоторыми параметрами позволяют
освоить работу с комплексом.
Диалог со специалистом-экологом организуется в терминах, при-
вычных пользователю. Определяются модели, методы, начальные условия
и параметры. Необходимое доопределение, в зависимости от желания
пользователя, производится либо по умолчанию, либо по умолчанию с
возможностью коррекции. Если желания пользователя выходят за рамки
возможностей метода или комплекса, то должны быть обозначены рамки с
указанием возможности или невозможности их преодоления.
Диалог с пользователем-профессионалом в области вычислительной
математики должен обеспечить доступ к библиотеке прикладных про-
грамм и возможность составления проекта собственного задания и под-
ключения собственных модулей. Следует иметь в виду, что программной
реализацией численных моделей и интерфейса могут заниматься разные
люди. Поэтому такой подход облегчит разработку комплекса и обеспечит
условия расширения его возможностей.



97
Таким образом, предстоит разработать систему многоуровневого
меню, позволяющего пользователю (в зависимости от стоящей перед ним
задачи, уровня его квалификации и степени подробности входной инфор-
мации) с минимальными потерями личного времени достичь желаемого
результата. Должна быть предусмотрена возможность подготовки типовых
проектов заданий и их запуска одной командой, минуя всю последователь-
ность операций выбора меню за исключением тех, которые принципиально
требуют вмешательства оператора.
3. Комплексу предстоит обрабатывать огромные массивы разнород-
ной информации по источникам загрязнения атмосферы промышленными
и транспортными объектами. Этот вид работ удобнее реализовывать на
программных языках типа FoxPro, FoxBase, Clipper. Расчетные модели
программируют на языках иного типа - С++, FORTRAN, Pascal, Delphi,
Assembler. В этой связи потребуются специальные усилия на разработку и
создание программных средств, обеспечивающих обмен информацией ме-
жду базами данных (БД) и расчетными моделями.
4. Результаты большинства расчетных моделей представлены в виде
двумерных распределений, которые для повышения информативности же-
лательно совмещать с картами местности. Для решения этой задачи потре-
буется разработка и создание программ, обеспечивающих связь блока рас-
четных моделей с блоком графического представления результатов расче-
тов и картографическими базами данных.
Стандартные программные средства, обычно используемые для
графического представления численной информации, в нашем случае не
применимы. Во-первых, эти мощные программные комплексы требуют
квалифицированного обращения, во-вторых, зачастую нужна лишь часть
их возможностей. Поэтому предстоит разработать и создать программные
средства, обеспечивающие графическое представление многомерных ре-



98
зультатов расчетов в максимально простом и информативном виде. Ин-
терфейс должен быть простым и удобным.
5. Особо нужно отметить, что точно определить количество и каче-
ство моделей, входящих в комплекс, принципиально невозможно из-за
проблемного характера решаемых задач и постоянно развивающихся
средств их решения (имеются в виду методические, аппаратные и про-
граммные средства). Поэтому целесообразно выбирать такие технологии
программирования, которые позволили бы в ситуации нестрого формали-
зованной постановки задачи создавать наборы функционально независи-
мых модулей, предназначенных для ее решения. Такие модули (задания
начальных данных, расчеты по математическим моделям, обработка ре-
зультатов) сами являлись бы записями – элементами базы данных. Наибо-
лее целесообразным подходом для реализации БД с такими свойствами яв-
ляется объектно-ориентированный подход к программированию.
Например, в базе данных начальных условий для задач математиче-
ского моделирования вариантами данных могут являться заданные таб-
лично экспериментальные значения, определяемые стандартными матема-
тическими функциями функциональные зависимости, наборы измеренных
аналоговым способом кривых в графическом представлении. Для выпол-
нения конкретного расчета по одной из моделей, образующих в свою оче-
редь собственную базу данных, из БД начальных условий выбирается один
ее элемент (запись) со всеми необходимыми параметрами. При этом со-
вершенно неважно, в каком из вышеперечисленных видов введены данные
этой записи, – хранящиеся вместе с ними процедуры обработки обеспечат
всей необходимой информацией запросы расчетного блока. Если исполь-
зуются модели разной степени точности (одномерные, двумерные, трех-
мерные), требующие начальные условия разного типа, то в этом случае ие-
рархия объектов ООБД позволит эффективно реализовать базу данных:



99
одномерный случай может выступить в роли "родителя", свойства которо-
го наследуются в двумерном, и т.д.
Поскольку комплекс предназначен для работы в информационно-
аналитической системе природоохранных служб, то результаты расчетов
будут использоваться в экспертных системах и системах поддержки при-
нятия решения. Поэтому его программная реализация должна быть согла-
сована с принципами программной организации системы в целом. Про-
граммные комплексы такого класса не создаются одномоментно и предна-
значены для продолжительной эксплуатации.
Аналитические и прогностические системы для решения задач
управления территорией сложны, их постоянно совершенствуют, модифи-
цируют или дорабатывают для конкретных условий. Время создания ин-
формационных систем рассматриваемого масштаба и сложности сущест-
венно превышает время жизни инструментальных программных и аппа-
ратных средств. Для их создания требуются усилия различных людей, раз-
говаривающих на разных профессиональных языках. В этой связи хоте-
лось бы наряду с автоматизмом управления сложностью (например деком-
позиции) иметь механизм поддержки эволюции информационной системы.
С нашей точки зрения, при разработке информационных систем такого
уровня сложности должен существовать регулярный (не автоматический)
механизм перехода от одной системы понятий к другой и переходы от
простых (очевидных) теорий к более сложным, изощренным. Это можно
сделать, например, с использованием языка Forth на базе общего тезауруса,
включающего в качестве своих слов как «атомы действия» (подпрограм-
мы), так и «атомы данных» (структуры БД). Такой подход обеспечивает
поддержку эволюционного механизма, позволяющего проследить эволю-
цию теорий и их реализации в рамках модели информационной системы и
ввести в контекст ее проекта любого человека, не являющегося исходно
разработчиком модели. Так можно выполнить реальную передачу идеоло-

100
гии и реализации системы другим людям, чтобы они действительно про-
должали разработку, а не многократно повторяли уже пройденную изна-
чально «историю мысли предшественников».



5. Примеры прикладных программных комплексов
Разработка автоматизированного рабочего места (АРМ) эколога отде-
ла охраны окружающей среды (ОООС) промышленного предприятия вы-
полняется для целей создания распределенной информационно-аналити-
ческой системы природоохранных служб Красноярского края. АРМы ис-
пользуют для ведения природоохранных баз данных по источникам вы-
бросов и сбросов, для подготовки учетно-отчетной документации, для
оценки и прогнозирования загрязнения экосферы. Как правило в состав
АРМов входят прикладные программы для моделирования загрязнения
приземного слоя атмосферы и поверхностных вод.
В составе программного обеспечения информационно-аналитической
системы природоохранных служб Красноярска уже сейчас на некоторых
крупных предприятиях работает ряд программ, созданных в ИВМ СО РАН
и ТОО “ЭКОС” по заказам КККОП и крупных промышленных предпри-
ятий. В программах используют элементы ГИС-технологий. Реализована
работа с картами-схемами местности, представленными в векторном и рас-
тровом форматах. В ходе опытно-промышленной эксплуатации были
сформированы дополнительные требования к этим программам и возникла
необходимость их модернизации. Были отработаны технологии создания
прикладных программ для решения задач оценки и прогноза загрязнения
приземной атмосферы и поверхностных вод с использованием элементов
инструментальных ГИС и офисных систем. В этих работах принимали
участие студенты старших курсов КГУ и КГТА. С программами и резуль-
татами работ студенческих проектных коллективов можно ознакомиться в

101
Межвузовском центре информационных технологий в экологическом об-
разовании (Академгородок ИВМ СО РАН, ком. 204, 206).



5.1. Программный комплекс “МОНИТОР”

Несколько из выше анализируемых моделей атмосферной диспер-
сии были реализованы авторами настоящего пособия в составе комплекса
программ “МОНИТОР”. С работой комплекса и методическим пособием к
нему можно познакомиться в Межвузовском центре информационных
технологий в экологическом образовании, ниже проведем только краткое
ознакомление.




Рис. 16. Комплекс программ “МОНИТОР” (копия экрана дисплея)


102
Комплекс программ “МОНИТОР” – это компьютерная система,
предназначенная для экологических служб промышленных предприятий.
Она позволяет прогнозировать загрязнение атмосферы в воздушном бас-
сейне города, вести стандартную экологическую отчетность.

Расчеты распространения вредных примесей в атмосфере выпол-
няются на основе базы данных с информацией по источникам выбросов,
являющейся составной частью системы. “МОНИТОР” содержит стандарт-
ную экспертную методику ОНД-86 и оригинальные модели для текущего
прогноза загрязнения атмосферы как стационарными, так и нестацио-
нарными источниками в условиях неоднородности подстилающей по-
верхности.

Результаты расчетов отображаются на экране компьютера и могут
быть выведены на печать. Пример моделирования распространения приме-
сей в атмосфере на рис. 16 показан на фоне карты города Красноярска.
Точки на карте – источники загрязнения. Окно в правом нижнем углу по-
казывает содержащиеся в базе данных параметры выделенного (визирны-
ми линиями) источника выбросов.

Имеющаяся в пакете программ база данных позволяет вводить,
хранить, оперативно изменять и использовать информацию об источниках
вредных примесей и о работе газоочистных установок. Информация базы
данных используется в расчетах распределения примесей. В пакет вклю-
чены как стандартные (гостированные) модели и методики, придающие
официальный статус пакету, так и новые оригинальные методики (залпо-
вый выброс, численная двумерная модель), позволяющие более адекватно
оценивать экологическую ситуацию и, соответственно, принимать более
обоснованные решения. Естественно, что со временем прошедшие апроба-
цию модели будут гостироваться (возможно как региональные). Такой
подход, с одной стороны, позволяет удовлетворить насущные потребности

103
предприятий, а с другой – развивает их интерес к новым наукоемким тех-
нологиям.


5.2. Студенческий проект «Экосфера»

Студенческий проект «Экосфера» – это проект макета распределенной
информационно-прогностической системы, объединяющей природоохран-
ные и природопользовательские организации Красноярска. Содержанием
проекта была разработка элементов функционального наполнения для
АРМ-эколога отделов охраны окружающей среды промышленных пред-




Рис. 17. Фрагмент программного обеспечения студенческого проекта
«Экосфера»



104
приятий в части прогноза и оценки загрязнения атмосферы и поверхност-
ных вод.
Работа над проектом включала в себя все компоненты реальной про-
ектной деятельности: от проблематизации предметной области и поста-
новки задач до представления результатов деятельности. Одной из задач
была отработка технологии взаимодействия различных инструментальных
пакетов и пользовательских приложений в едином программном комплек-
се, использующем совместные ресурсы и данные. Оболочка и пользова-
тельские приложения созданы в среде Borland Delphi. Картографическая
составляющая разработки выполнена на MapInfo, с помощью Excel обес-
печено проведение инженерных расчетов, выходная документация форми-
руется в Word.
На рис. 17 показана копия экрана фрагмента картографического ин-
терфейса макета распределенной информационной системы «Экосфера».




105
Заключение


Модели, используемые в научных исследованиях, в основном созда-
ются как инструмент исследования природы и носят причинно-следствен-
ный характер. В их использовании сложились определенные технологии,
понятийный и математический аппарат, условия и традиции. Иногда даже
говорят о культуре физико-математического моделирования.
В задачах экологической экспертизы, оценки и даже прогноза качест-
ва окружающей среды чаще всего используются описательные или имита-
ционные модели. В них, прежде всего, стремятся получить ответ на вопро-
сы типа "Какое загрязнение окружающей среды мы получим при тех или
иных заданных условиях?". В этих случаях необходимо уметь получать от-
вет, адекватный ситуации, а не устанавливать причинно-следственные свя-
зи.
Развитие информационных технологий, вычислительных ресурсов
компьютерной техники, высокоскоростных телекоммуникационных сетей
локального и регионального масштаба обеспечило предпосылки для созда-
ния корпоративных систем. Эффективное хозяйствование на территории
требует не только мониторинга ее объектов, но и понимания природы и
движущих сил происходящих процессов, умения строить управление на
причинно-обоснованных прогнозах. Здесь могут найти практическое при-
менение и научные и прикладные модели, но для этого необходимо разви-
вать инфраструктуру, облегчающую их использование и расширяющую
сферу применения. В современных условиях это немыслимо без использо-
вания информационных технологий.




106
Контрольные вопросы


1. Опишите информационную структуру города с точки зрения управления
качеством его экосферы.
2. Разберите основные причины нарушения регуляции и предложите спо-
собы улучшения управления качеством окружающей среды.
3. Назовите основные функциональные подсистемы системы оценки и
управления качеством экосферы города. Опишите основные модельные
блоки этой функциональных подсистем.
4. Перечислите основные модели, используемые в решении задач оценки и
прогноза состояния атмосферы.
5. Проведите сравнительный анализ этих моделей и укажите круг приро-
доохранных задач, к которым они применимы.
6. Рассмотрите вопросы классификации моделей используемых для оценки
и прогноза загрязнения атмосферы. Поясните смысл и значение класси-
фикации.
7. Рассмотрите достоинства и недостатки штатных моделей ГО и ЧС, и
ОНД-86.
8. Проведите сравнительный анализ моделей Паскуилла-Гиффорда и ОНД-
86. Укажите область их применения.
9. Опишите достоинства подхода, использованного при создании модели
Института экспериментальной метеорологии. Укажите область ее при-
менения.
10. Почему не находят широкого применения трехмерные модели переноса
и диффузии примеси? Обсудите их возможности, упрощенные варианты
и перспективы развития.
11. Укажите область применения аэродинамического моделирования для
решения задач оценки загрязнения атмосферы города.

107
12. Для каких целей используется районирование территории по степени
опасности для загрязнения? Поясните принципы и укажите проблемы,
возникающие при решении задач районирования.
13. Объясните суть использования метода расщепления для решения урав-
нения переноса-диффузии.
14. Приведите пример численной аппроксимации двумерного уравнения
дисперсии при постоянных значениях его коэффициентов коэффициен-
тах.
15. Обсудите проблемы создание программного обеспечения на примере
конкретных моделей и задач.




108
Научное издание




Сергей Сергеевич Замай,
Олег Эдуардович Якубайлик

Модели оценки и прогноза загрязнения
атмосферы промышленными выбросами
в информационно-аналитической системе
природоохранных служб крупного города

Учебное пособие




Лицензия ЛР № 020372 от 29.01.97 г.

Подписано в печать 8.10.98 Формат 60?84/16
Бумага тип. Печать офсетная
Усл. печ. л. 4,6 Уч.-изд. л. 4,7
Тираж 200 экз. Заказ Цена договорная


Издательский центр Красноярского государственного университета
660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79.




109

<< Пред. стр.

страница 9
(всего 9)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Copyright © Design by: Sunlight webdesign