Научная статья на тему 'Информационная система по биомониторингу тяжелых металлов в акваэкосистемах'

Информационная система по биомониторингу тяжелых металлов в акваэкосистемах Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

CC BY
56
12
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по компьютерным и информационным наукам , автор научной работы — Т В. Мещерякова, А С. Ильин-сидоров, О В. Яценко, Н В. Меньшутина

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Информационная система по биомониторингу тяжелых металлов в акваэкосистемах»

потребительского рынка, что во многих случаях позволяет избежать разработки и проектирования новых производств или реконструкции действующих. Развиваемый подход ориентирован на детерминированные технологические системы и не учитывает характерную для некоторых производств неопределенность исходной информации и параметров моделей. Однако при наличии необходимого статистического материала и при незначительной модификации разработанный комплекс алгоритмов может быть применен при решении задачи размещения в условиях неопределенности.

Обозначения в формулах

а - количество значений дискретной переменной;

с - стоимость получения продукта;

% - массовый размер порции продукта;

I - количество аппаратурных схем;

1С1 - количество стадий в аппаратурной схеме;

1 - текущий номер аппаратурной схемы;

I - количество схем, на которых может быть размещен продукт

- количество продуктов, которые могут быть размещены на схеме 1;

- количество размещаемых технологических процессов;

] - текущий номер технологического процесса;

к - текущий номер стадии технологического процесса;

т - размерность пространства конструкционных параметров технологических трубопроводов и материальных потоков;

N - количество параллельных аппаратов;

п - размерность пространства конструкционных параметров аппаратов и режимных параметров технологических процессов;

Q - объем выпуска продукта;

я - материальный индекс;

^ - момент начала первой загрузки емкости-накопителя;

I - время;

и - объем емкости-накопителя;

и - объем реакционной массы в емкости-накопителе;

u - максимальный объем реакционной массы в емкости-накопителе;

uln(t) - функция загрузки емкости-накопителя; uout(t, Ат) - функция разгрузки емкости-накопителя;

V - объем технологического аппарата; а - бинарные переменные; в - количество порций продукта; © - период функции u(t, Ат); т - продолжительность цикла аппарата;

т - продолжительность транспортной операции;

т - продолжительность технологической операции;

т1 - продолжительность цикла установки; Ат - интервал времени между первыми загрузкой и разгрузкой емкости-накопителя;

т - продолжительность технологического цикла аппарата периодического действия;

Фш - объем порции продукта, поступающего из подающего аппарата в емкость-накопитель;

$out - объем порции реакционной массы, выгружаемой из емкости-накопителя в принимающий аппарат;

^ m „ M

ф , ф - минимальное и максимальное значение коэффициента заполнения объема аппарата.

Список литературы

1. Лескин А.А. Алгебраические основы задачи выбора оборудования гибких производственных систем. - В кн.: Проблемы автоматизации и производственных процессов. - М.: Наука, 1985.- 262 с.

2. Макаров В.В. // Теоретич.осн.хим.технол. - 1994. - Т. 28. - №5. - С.453-464.

3. Гэри М., Джонсон Д. Вычислительные машины и труд-норешаемые задачи. - М.: Мир, 1982.- 416 с.

4. Хохлюк В.И. Параллельные алгоритмы целочисленной оптимизации. - М.: Радио и связь, 1987.- 224 с.

5. Pierce J.F., Crowston W.B. // Nav.Res.Log.Quart.-1971,V.18, №1, p.1-36.

6. Батухтин В.Д., Майборода Л.А. Оптимизация разрывных функций.- М.: Наука, 1984. -208 с.

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ПО БИОМОНИТОРИНГУ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В АКВАЭКОСИСТЕМАХ

Т.В. Мещерякова, А.С. Ильин-Сидоров, О.В. Яценко, Н.В. Меньшутина

Среди многих важных проблем, волнующих современное человечество, одно из первых мест принадлежит проблеме сохранения окружающей среды с ее сложными механизмами самовосстановления и саморегулирования, сложившимися за долгое время существования планеты.

Актуальность данной проблемы обусловлена в первую очередь тем, что сегодняшний уровень развития научно-технического прогресса и индустриализации оказывает значимое воздействие на все элементы биосферы, приводя их к нежелательному изменению. Создающаяся таким образом

экологическая напряженность заметно ухудшает условия жизни людей, животных и растений.

Одной из задач исследований по охране окружающей среды является накопление и анализ информации по всем аспектам техногенного влияния на биосферу планеты. В рамках этой общей задачи важная проблема -загрязнение водных бассейнов тяжелыми металлами.

Данная работа нацелена на повышение эффективности борьбы с заражением водоемов тяжелыми металлами, поступающими со сточными водами предприятий, и направлена на сбор и обработку статистической информации о загрязнениях водных ресурсов тяжелыми металлами для прогнозирования экологической обстановки на зараженных объектах.

Информационная система по биомониторингу тяжелых металлов БЮК состоит из:

• системы баз данных по загрязнителям и биологическим объектам;

• аналитического программного обеспечения, выполняющего функцию обработки пользовательских запросов и анализа данных;

• системы доступа конечного пользователя к

информационной системе.

На рисунке показана структура BION. Пользователь системы непосредственно (либо средствами Intranet/Internet) взаимодействует только с WWW сервером системы и с интерфейсной частью аналитического программного обеспечения. От WWW сервера пользователь получает начальные данные, необходимые для общения с системой, проходит аутентификацию и получает результаты простых запросов. WWW сервер, в свою очередь, является основным блоком системы, связывающим все ее компоненты в единое целое. WWW сервер взаимодействует с сервером БД, к которому подключены БД по тяжелым металлам и биологическим объектам, имея собственный набор вспомогательных данных, в которые входят шаблоны интерфейса с пользователем, массивы дополнительных ссылок, информация по разграничению прав пользователей.

Аналитическое программное обеспечение взаимодействует как с пользователем непосредственно, так и через WWW сервер, а также с сервером БД.

Выбор аппаратного и программного обеспечения для построения системы

Для создания информационной системы выбрана модель вычислений клиент-сервер, построенная на стандартных протоколах архитектуры открытых систем. Такая модель отвечает современным требованиям при создании информационных систем и обладает следующими основными преимуществами:

•построение системы на основе стандартов открытых систем обеспечивает для информационной системы возможность прозрачного взаимодействия с другим ПО, созданным по стандартам ОС;

• многопользовательский режим дает возможность одновременного доступа нескольких пользователей к ИС, в том числе и по сети;

• совместимость с Internet обеспечивает доступ пользователей Internet к создаваемой ИС, причем без установки на компьютер пользователя дополнительно -го ПО, так как выбранное программное обеспечение совместимо со стандартами сети Internet;

• модульная структура обеспечивает гибкость, то есть ИС может быть легко настроена на нужды определенного пользователя дополнением или изменением конкретных модулей системы без пере-

писывания всей информационной системы в целом;

* расширяемость позволяет при построении системы стандартных средств и протоколов произвести перенос системы как на более мощные аппаратные платформы (начиная с dual Pentium серверов и заканчивая кластерными системами на базе серверов Sun Sparc), так и на более мощное программное обеспечение, включая, например, такой сервер, как Oracle Parallel Server.

Таким образом, для построения системы BION выбрано следующее программное обеспечение:

* операционная система сервера - FreeBSD Unix version 2.2.2;

* система БД - SQL server miniSQL version 1.1.16;

* модульное программное обеспечение на основе языка Java и стандартов JDBC и JavaBeans;

* система поддержки интерфейса пользователя - WWW server Apache;

* операционная система клиента - любая, поддерживающая WWW навигатор и язык Java.

Рассмотрим эти компоненты более подробно. Операционная система FreeBSD представляет собой клон BSD-unix, обеспечивая многопользовательский режим доступа к программам и БД, функционирующим под ее управлением. Использование данной операционной системы не требует лицензии.

MiniSQL server - это простой сервер реляционных БД, в котором реализовано подмножество языка ANSI SQL. Этот сервер полностью удовлетворяет нуждам создаваемой информационной системы на начальном этапе. Его использование в некоммерческих целях и в учебных заведениях также не требует специальной лицензии.

WWW сервер Apache тесно интегрирован с операционной системой FreeBSD и является оптимальным выбором для нее. Все используемое программное обеспечение согласуется с архитектурой открытых систем, поэтому может быть более или менее легко перенесено на другие варианты программно-аппаратного обеспечения в рамках архитектуры открытых систем.

Широкое распространение и быстрое развитие IBM-совместимых компьютеров на базе процессоров Intel-архитектуры определило выбор аппаратного обеспечения для построения системы BION. В качестве сервера системы используется компьютер 486DX4-133 с 16 Mb оперативной памяти и около 2 Gb дисковой памяти под управлением операционной системы FreeBSD, установленный в сетевом центре НИЦ РХТУ. В Internet данный компьютер имеет адрес bion.muctr.edu.ru. В качестве клиента информационной системы протестированы различные варианты персональных компьютеров, начиная от 486DX2-66 с 8 Mb RAM, за-

канчивая компьютером с процессором Pentium 166 с 32 Mb RAM под управлением различных операционных систем: Windows'95, OS/2, FreeBSD, Linux.

Организация системы БД

Для построения информационной системы выбрана реляционная модель баз данных, поддерживаемая в сервере miniSQL.

Информационная система BION содержит две системы БД: по тяжелым металлам-загрязнителям и по биологическим объектам и тест-методам.

Кроме того, в системе содержатся дополнительные БД, содержащие служебную информацию.

БД по тяжелым металлам охватывает идентификационную, физико-химическую информацию и информацию о биологических свойствах тяжелых металлов - загрязнителях акваэкосистем.

БД по биологическим объектам и тест-методам содержит информацию по биологическим объектам, их идентификации, по поведению в нормальных и загрязненных условиях, а также методики определения загрязнителей с помощью данных биологических объектов.

Информационная система обеспечивает доступ к обеим БД как со стороны клиента системы, так и со стороны независимых приложений посредством языка SQL. Это свойство системы позволяет использовать BION в качестве банка данных для работы внешней экспертной системы и пополнять информационное содержание системы за счет внешних БД, в том числе и БД, извлеченных из компьютерных сетей или периодических электронных выпусков.

Организация взаимодействия с пользователем

В информационной системе BION взаимодействие с пользователем основано на протоколе http и модулях на языке Java. Таким образом, пользователь обращается к WWW серверу системы для прохождения процедуры регистрации и аутентификации и после этого получает возможность обращаться с запросами к БД информационной системы и аналитическому программному обеспечению. На компьютер пользователя автоматически передаются только те Java модули (applets), которые необходимы для выполнения запроса пользователя.

Рассмотрим структуру информационных потоков, которая также приведена на рисунке. С точки зрения перемещения информации в системе и используемых для этого протоколов передачи данных всю систему можно разделить на три основных уровня.

Уровень 0: пользователи системы. На этом уровне пользователь не имеет никаких локальных информационных ресурсов, относящихся к системе, он может лишь инициировать общение с системой, обратившись стандартным образом к WWW серверу по протоколу http. После этого пользователь может общаться с ядром системы по протоколам http и CGI, получать на свою машину Java-апплеты от ядра системы и взаимодействовать с их помощью с аналитическим программным обеспечением и ядром системы. Пользователь (уровень 0) не имеет непосредственного доступа к серверу БД системы (уровень 2) и, таким образом, может получать данные из БД только через ядро системы (уровень 1).

Уровень 1: ядро системы. Основным компонентом ядра системы является WWW сервер и присоединенная к нему система вспомогательных данных, то есть html-страницы, с^г-скрипты, формы пользовательского интерфейса. Если все эти вспомогательные данные находятся непосредственно на той же машине, что и WWW сервер, то доступ к ним осуществляется средствами файловой системы ufs, если же эти данные запрашиваются с другого WWW сервера, то связь происходит по протоколу http. С WWW сервером тесно интегрировано аналитическое программное обеспечение. Два этих компонента вместе и составляют собственно ядро системы BION.

Уровень 2: сервер БД. Данный уровень представляет собой служебный уровень системы, на котором к ней могут быть подключены разнообразные БД. В настоящее время система взаимодействует с БД по тяжелым металлам и БД по биологическим объектам. Их структуры уже были описаны выше. Ядро системы взаимодействует с сервером БД на основе стандартных протоколов SQL и JDBC. Сервер БД может находиться как на той же вычислительной машине, что и WWW сервер, так и на другой машине, в том числе и с иной аппаратно-программной платформой, но связанной, естественно, компьютерной сетью с машиной, на которой исполняется ядро системы.

Программное обеспечение анализа данных

Для разработки программного обеспечения системы BION выбран язык Java и концептуальный подход сетецентрических вычислений, реализованный в данном языке. Язык Java позволяет создавать модульное (абсолютно объектно-ориентированное) программное обеспечение, не зависимое от аппаратной платформы клиента. Таким образом, пользователь может обращаться к системе BION с любой аппаратно-программной платформы. Единственным условием является реализация на платформе клиента виртуальной

машины языка Java и наличие WWW навигатора. C ростом сети Internet это программное обеспечение получило почти повсеместное распространение.

Функции информационной системы

Информационная система BION по запросу пользователя осуществляет поиск:

♦ по БД тяжелых металлов-загрязнителей;

♦ по БД биологических объектов и тест-методов;

♦ подходящей методики количественного определения загрязнителей по примерным качественным данным.

В качестве дополнительных функций система BION обеспечивает по требованию администратора системы:

◊ загрузку и выгрузку БД системы в/из внешних БД или планарных файлов;

◊ ввод новых данных в базы данных с административной консоли;

◊ присоединение новых Java-модулей к системе.

Поиск по БД, входящим в систему BION, позволяет клиенту системы получить структурированную информацию, удовлетворяющую его входному запросу. Работа осуществляется пользователем в интерактивном режиме, что дает возможность немедленно произвести уточняющий запрос или запросить более глубокие данные по ссылкам, приведенным в БД системы BION.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Поиск методики определения загрязнителя

производится системой BION по предварительным данным, полученным от пользователя. Клиент вводит в систему примерный качественный состав выброса в окружающую среду, и аналитическое программное обеспечение системы BION выдает рекомендации по методам биологического тестирования экосистемы.

Уникальной особенностью системы BION является, то что эта система содержит централизованную БД, полностью управляемую и контролируемую администратором с центральной консоли. Пользователь BION всегда получает самую актуальную информацию из БД системы, для чего ему не требуется никакого дополнительного программного обеспечения или записи обновлений БД. Преимуществом является также и то, что управляемые из одного пункта (владельца системы) БД системы BION гарантируют пользователю достоверность получаемой им информации.

Список литературы

1. Мур Дж., Рамамурти С. Тяжелые металлы в природных водах: контроль и оценка влияния. - М.: Мир, 1987.

2. Проблемы экологии Москвы. Сеть наземных измерений / Под ред. Е.И. Тупырева.- М.: Гидрометеоиздат. - 1992.

3. Родионов А.И., Клушин В.Н., Торочешников Н.С. Техника защиты окружающей среды. - М.: Химия, 1989.

4. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. - М.: Гидрометеоиздат, 1984.

5. Биоиндикация и биомониторинг / Под ред. Д.А.Кри-волуцкого - М.: Наука, 1991.

6. Методические указания по биологическому анализу поверхностных вод. -М., 1987.

7. Биоиндикация загрязненных наземных экосистем / Под ред. Р. Шуберта. - М: Мир, 1988.

8. Биоиндикация в городах и пригородных зонах. // Сб. науч. ст. РАН. - М: Наука, 1993.

9. Мейер Д. Теория реляционных баз данных. - М.: Мир, 1987.

10.Тиори Т., Фрай Дж. Проектирование структур баз данных: В двух кн. - М.: Мир, 1985.

РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ЭКСЕРГЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА СЛОЖНЫХ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Я.С. Шевинский, НА. Кисленко, Д.А. Бобров

Экономия топливно-энергетических ресурсов, как известно, является главным направлением научно-технического прогресса в химической технологии, так как зачастую в химических производствах расход энергии составляет основную часть затрат в себестоимости готовой продукции. Последнее проявляется наиболее актуально при увеличении объемов производства химической продукции, при создании сложных химико-технологических систем (ХТС) с агрегатами большой единичной мощности и т.п. Одним из основных методов снижения энергозатрат производства в рамках термодинамического анализа является наиболее современный и прогрессивный вариант - эксергетиче-ский метод, который позволяет выразить в одинаковых единицах (через эксергию) энергетическую ценность потоков вещества и энергии, учитывая тем самым их количество и качество.

К сожалению, на практике широкое внедрение эксергетического метода анализа ХТС сдерживается отсутствием инструментальных средств и специализированного программного обеспечения, поскольку эксергетический анализ любой ХТС, минимизация ее энергозатрат, а тем более автоматизация такого процесса невозможны без использования средств вычислительной техники. Поэтому необходимость разработки автоматизированной системы расчета и оптимизации эксергетиче-ского баланса ХТС произвольной структуры и ее основной части (программно-алгоритмического обеспечения), ориентированной на широкий круг пользователей, является актуальной задачей.

Проведенный литературный обзор, отражающий развитие современных методов и программных средств эксергетического анализа, выявил такие инструментальные системы с возможностью эксергетического расчета ХТС, как Aspen Plus (фирма "AspenTech"), Exercom (компания "Stork

Engineers & Contractors"), Hysim и Hysys (фирма "Hyprotech"), PRO/II (фирма "Simulation Sciences Inc."), Gate/cycle (компания "Stork Engineers & Contractors"). Однако вследствие их недоступности для конечного пользователя (прежде всего из-за их высокой стоимости, доходящей до десятков тысяч долларов США) возникла обоснованная необходимость реализации именно автоматизированной системы эксергетического расчета.

В настоящей статье рассматриваются принципы создания и функционирования программно-алгоритмического комплекса, на основе которого была создана такая система, предназначенная для эксергетического анализа и оптимизации ХТС произвольной структуры. Оптимизация проводится путем определения максимального эксергетиче-ского КПД исследуемого процесса, что позволяет минимизировать энергозатраты производства.

При разработке автоматизированной системы предусматривалось решение следующих задач:

• определение логико-функциональной структуры автоматизированной системы;

• проведение анализа основных программных модулей, входящих в систему эксергетического расчета и оптимизации, разработка структуры и интерфейса их взаимодействия;

• разработка алгоритмов структурного анализа, расчета эксергетического баланса и эксергетиче-ского КПД ХТС;

• реализация автоматизированной системы эк-сергетического расчета и оптимизации ХТС в виде единого прикладного программного комплекса, определение необходимых аппаратных требований и условий функционирования программного комплекса;

• проведение практического применения программного комплекса с целью проверки его работоспособности.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.