CC BY
4Анализ эффективности реализации.
Полученные результаты показывают, что за счет значительного упрощения операции умножения логарифметика может успешно использоваться для повышения эффективности реализации арифметических операций в модульных вычислительных системах посредством подбора модулей p требуемой структуры. Усложнение реализации операции логсложения оказывается не столь значительным по сравнению с упрощением операции логумножения, из чего следует, что данный подход будет эффективен при реализации алгоритмов модулярной арифметики.
Из приведенных результатов видно, что динамика увеличения критических задержек в схеме индексного сложения значительно меньше динамики роста задержек в схеме модульного умножения.
В заключение отметим, что схемное описание операций логарифметики было приведено в работах [3, 5, 6]. Логарифметика конечного поля может быть распространена на кольцо вычетов по составному модулю, опираясь на Китайскую теорему об остатках [1]: логарифметикой кольца вычетов по mod N, где N = pip2 - pn (pi - простые), называется арифметика прямого произведения полей LZ х LZp2 х ... х LZp , которая изоморфна арифметике кольца Z х Zp2 х... х Zpn. В роли модулей pi, p2,...,pn целесообразно выбирать технологичные модули [4].
Преимущества и особенности модульной логарифметики позволяют ставить новые задачи оптимального структурного проектирования специализированных вычислительных устройств.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант №09-07-00157-а).
Литература
1. ВиноградовИ.М. Основы теории чисел. - Изд. 6-е. - М.: Наука, 1972. - 167 с.
2. Lidl R., Niederreiter H. Finite Fields. London - Tokyo: Addison-Wesley Publishing Company, 1983. -820 p.
3. Zelniker G., Taylor F.J. A reduced-complexity finite field ALU // IEEE Trans. on Circ. and Vol. 38. Syst, 1991. - P. 1571-1573.
4. Амербаев В.М., Тельпухов Д.В., Константинов А.В. Бивалентный дефект модулярных кодов. Выбор технологических модулей, понижающих бивалентный дефект // Сб. тр. МЭС-2008 / Под общ. ред. А.Л.Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, 2008. - С. 462-465.
5. Preethy A.P., Radhakrishnan D. An RNS based logarithmic adders // IEEE Precedings: Computer and Digital Techniques. - Vol. 147. Issue 4. July 2000. - P. 283-296.
6. Preethy A.P., Radhakrishnan D. A 36-bit Balanced Moduli MAC Architecture - Circuits and Systems. 42nd Midwest Symposium, 1999. - P. 380-383.
Статья поступила 7 июня 2009 г.
Амербаев Вильжан Мавлютинович - доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник ИППМ РАН. Область научных интересов: информационные и вычислительные технологии, компьютерная арифметика, теория кодирования.
Малашевич Денис Борисович - старший преподаватель кафедры проектирования и конструирования интегральных микросхем МИЭТ. Область научных интересов: информационные и вычислительные технологии, системы автоматизированного проектирования БИС. E-mail: mdb@alphachip.ru
УДК 65.011.56:004.418
Разработка программного обеспечения для проектирования сети постов мониторинга атмосферы
Л.Г.Гагарина, Я. О. Теплова
Московский государственный институт электронной техники (технический университет)
О.В.Кольцова
Московский государственный университет природообустройства
Рассмотрены основные подходы к проектированию сетей контрольных постов. Выбранная для реализации в программном обеспечении методика адаптирована к целям мониторинга в городах загрязнения воздуха совокупностью примесей. Предложен укрупненный алгоритм работы программного обеспечения.
В связи с развитием производства и транспортной инфраструктуры значительно возросла интенсивность антропогенного воздействия на окружающую среду. Большой интерес для специалистов представляет экологическая ситуация в городах, в частности состояние загрязнения атмосферы выбросами промышленных предприятий и автотранспорта.
Для получения полной и адекватной информации об экологической обстановке создаются сети постов наблюдения (пунктов, измерительных станций, станций контроля, контрольно-замерных станций), отбирающих пробы воздуха для дальнейшего анализа. Репрезентативность наблюдений зависит от корректности расположения постов, что является одной из основных задач при разработке и создании системы экологического мониторинга в городе. Очевидно, что при растущем уровне информатизации различных областей деятельности и сложности поставленной задачи необходима автоматизация принятия решений по размещению постов экологического контроля. Существующие на отечественном рынке программные продукты, предназначенные для автоматизации деятельности специалистов-экологов, как правило, не имеют соответствующего инструментария решения рассматриваемой проблемы. Не существует и единого подхода к ее решению, а предлагаемые методики обычно носят рекомендательный характер [1]. Преобладают две основные методики проектирования сети контрольных постов: первая заключается в проектировании пространственно-репрезентативной сети контроля, позволяющей воспроизводить пространственную структуру поля концентраций, максимально приближенную к реальной; вторая основана на установлении вклада выбросов отдельных источников в общее загрязнение воздуха в регионе.
Решение о размещении поста принимается на основе соответствия данного местоположения определенному критерию. Кроме того, определяющее значение имеет цель мониторинга: получение данных о локальном загрязнении в отдельной точке или общей картины загрязнения в крупном районе. В первом случае посты контроля, как правило, устанавливают в предполагаемой зоне максимальной концентрации выбросов от источника загрязнения (обычно это 0,5-2 км от низких источников и 2-4 км от высокого источника [2]). Если же необходимо оценить уровень загрязнения на территории площадью в несколько квадратных километров, то требуется создание сети контрольных постов для определения характеристик распределения концентрации загрязняю-
© Л.Г.Гагарина, Я.О.Теплова, О.В.Кольцова, 2009
Разработка программного обеспечения.
щих веществ. Количество постов и расстояние между ними определяются исходя из результатов статистического анализа, который заключается в получении средних значений концентраций примесей (^ср, мг/м3), среднего квадратического отклонения
3 3
(а, мг/м ), установления максимальных значений (шах, мг/м ) [3]. При этом следует учитывать преобладающие на рассматриваемой территории метеорологические условия (направление и скорость ветра), иногда рельеф местности и особенности застройки.
При обработке результатов наблюдений наибольшее внимание уделяется реализации расчета загрязнения атмосферы в соответствии с «Методикой расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах промышленных предприятий (ОНД-86)», построению санитарно-защитных зон промышленных предприятий и определению нормативов предельно допустимых выбросов (ПДВ).
В основе работ по расчету приземных концентраций примесей в атмосфере лежит учет статистической повторяемости метеорологических условий [2].
На отечественном рынке программного обеспечения существует ряд готовых решений, предназначенных для автоматизации расчета загрязнения атмосферы, в частности унифицированная программа расчета загрязнения атмосферы УПРЗА «Эколог» (разработка фирмы «Интеграл» (г. Санкт-Петербург)). Унифицированный программный комплекс расчета загрязнения атмосферы ПРИЗМА, разработанный НПП «Логус» (г. Красногорск) производит расчет полей рассеивания загрязняющих веществ для отдельных предприятий и региона в целом, расчет нормативов допустимых выбросов для групп источников, расчет и построение санитарно-защитных зон, а также формирование пояснительной записки с подсчетом числа загрязняющих веществ и источников и формированием таблиц проекта нормативов предельно допустимых выбросов. Система ЭКОЛОГ-ГОРОД, разработанная ООО «Проект-Мастер» (г. Уфа), представляет собой программное обеспечение для приема, обработки и обобщения данных о параметрах источников выброса загрязняющих веществ, предназначенное для автоматизации деятельности комитетов природных ресурсов Российской Федерации и экологических департаментов городов.
Рассмотренные программные продукты позволяют строить карты распределения концентрации вредных веществ в приземном слое атмосферы на исследуемой территории, при этом решение задачи построения сети постов наблюдения за экологической обстановкой в них не реализовано. Таким образом, представляется актуальной проблема изучения, выбора или разработки методик и алгоритмов решения задачи размещения контрольных постов для экологического мониторинга, удовлетворяющих особенностям изучаемой территории (района, города) и потребностям конкретных пользователей (предприятий, экологических департаментов и т. д.), а также разработки программного обеспечения (ПО) для автоматизации вычислений.
Так, для определения оптимального расположения постов наблюдения за экологической обстановкой в г. Зеленограде принято решение о разработке ПО для расчета местоположений постов на основе критерия наблюдаемости источников загрязнения из некоторых точек, в которых возможна установка контрольных постов.
Для реализации в ПО выбрана достаточно простая и эффективная методика, позволяющая учитывать вклады отдельных источников в общий уровень загрязнения в конкретной точке местности с учетом повторяемости типов погоды (скорость и направление ветра) без использования достаточно сложного для решения уравнения турбулентной диффузии и параметров, определяемых экспертными методами [4]. Следует отметить, что проблема решения уравнения турбулентной диффузии широко освещена в работах М.Е. Берлянда. Поскольку используется методика размещения постов
Л.Г.Гагарина, Я.О.Теплова, О.В.Кольцова
на основе соответствия их местоположении определенному критерию, то задача становится оптимизационной. Пусть на территории города расположено N точечных источников загрязнения (обычно рассматриваются промышленные предприятия). Источники, имеющие значительную протяженность, целесообразно представить в виде совокупности точечных источников. Исследуемая территория представляется в виде множества т х п так называемых элементарных зон, т.е. территорию покрывает прямоугольная сетка. Размещать посты наблюдения предполагается в центрах ячеек сетки, имеющих координаты х ^, у^, где г и] - номера зон по осям X и У соответственно. Число элементарных зон должно быть больше числа размещаемых постов М. Для каждой элементарной зоны вводится величина р, которая характеризует необходимость установки поста в зоне и определяется как:
|1, если в зоне следует разместить пост, 1] [0, если в зоне не следует размещать пост.
Таким образом, решение сводится к нахождению вектора значений р и построению списка зон, в центрах которых предлагается установить посты наблюдения.
Для решения поставленной задачи в [4] предлагается определить совокупное загрязнение, создаваемое в центре каждой зоны всеми источниками на основе данных о мощности источников и данных о направлении и скорости ветра. Физическим смыслом мощности источника загрязнения является скорость выброса загрязняющего вещества в атмосферу. Загрязнение, создаваемое в точке с координатами (х, у) х-м источником, определяется как функция мощности источника и вклада единичного источника, помещенного в начало координат, с учетом направления и скорости ветра:
ЯхХх У ) = бх' /(х - хх, У - Ух1 х = ^^ N, (1)
где Ох - мощность источника загрязнения, г/с, /(х - хх, у - ух) - загрязнение от единичного источника, помещенного в начало координат.
С учетом преобладающих метеорологических условий определяется математическое ожидание концентрации вещества в точке с координатами (х, у) от каждого из N источников:
N К
чх ^ у) = ЕЕ °х/(х - хх, у - Ух; с, а) Ф(а, с), (2)
х=1 г=1
где с - скорость ветра, а - направление ветра, ф(аг, сг) - плотность их совместного
распределения вероятностей.
Предложенный алгоритм учитывает загрязнение атмосферы одним веществом, в то время как при мониторинге состояния окружающей среды в г. Зеленограде рассматривается загрязнение совокупностью основных примесей, среди которых оксид азота, диоксид азота, сернистый ангидрид, бензин, свинец, формальдегид и др. В этом случае мощность источника загрязнения задается не одним значением, а вектором значений мощности для каждого вещества. Таким образом, существует проблема перехода от многокритериальной задачи к однокритериальной. При этом необходимо учитывать тот факт, что примеси имеют разную вредность и использовать в качестве параметра мощность источника как валовый выброс (сумму мощностей одного источника по всем
