CC BY
29TECHNICAL SCIENCE
УДК 681.5
Бийбосунов Б.И.
д. физ-мат. наук, профессор Кыргызский государственный университет имени И. Арабаева
Бишкек, Кыргызстан Абдылдаев К.К. к. т. н., доцент
Иссык-кульский государственный университет им. К. Тыныстанова
Бишкек, Кыргызстан Жолочубеков Н.Ж. преподаватель
Кыргызский государственный университет имени И.Арабаева
Бишкек, Кыргызстан DOI: 10.24411/2520-6990-2020-11345 ИНФОРМАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ АВТОМАТИЗАЦИИ МОНИТОРИНГА ЭКЗОГЕННЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В КЫРГЫЗСТАНЕ
Biibosunov B.I.
Doctor of Physics&Math, Professor Kyrgyz State University named after I. Arabaev
Bishkek, Kyrgyzstan Abdyldaev K.K.
Candidate of Technical Sciences, Docent Issyk Kul State University named after K. Tynystanov
Biskek, Kyrgyzstan Jolochubekov N.J.
Lecturer Kyrgyz State University named after I. Arabaev
Biskek, Kyrgyzstan
INFORMATION TECHNOLOGY FOR MONITORING AUTOMATION OF EXOGENOUS GEOLOGICAL PROCESSES IN KYRGYZS TAN
Аннотация
В работе ставится задача по разработке новой информационной технологии, которая предназначена для мониторинга экзогенных геологических процессов (ЭГП), распространенных на территории Кыргызской Республики. Данная технология для Министерства чрезвычайных ситуаций КР включает в себя мобильное приложение, электронную интерактивную карту страны с районами распространения ЭГП вблизи населенных пунктов и народнохозяйственных объектов, автоматизированную процедуру определения геолокации и параметров конкретных типов и объектов ЭГП, а также специализированный веб-сайт с фактографической базой данных по типам ЭГП. Предложенная информационная технология позволяет автоматизировать мониторинг таких типов ЭГП, как оползни, сели, снежные лавины, обвалы, осыпи и камнепады, прорывы озер и водохранилищ, береговая эрозия, паводки и позволяет составлять карты районирования территории страны по степени активизации опасных природных процессов.
Abstract
The paper aims to develop a new information technology that is designed to monitor exogenous geological processes (EGP) that are common on the territory of the Kyrgyz Republic. This technology for the Emergency Ministry of the Kyrgyz Republic includes a mobile application, an electronic interactive map of the country with areas of distribution of EGP near settlements and national economic facilities, an automated procedure for determining the geolocation and parameters of specific types and objects of EGP, as well as a specialized website with a factographic database of EGP types. The proposed information technology makes it possible to automate monitoring of such types of EGP as landslides, mudslides, snow avalanches, landslides, scree and rockfalls, breakouts of lakes and reservoirs, coastal erosion, floods and allows making maps of zoning of the country's territory according to the degree of activation of dangerous natural processes.
Ключевые слова: информационная технология, информационная система, мобильное приложение, экзогенные геологические процессы, мониторинг, вебсайт, СУБД.
Keywords: information technology, information system, mobile application, exogenous geological processes, monitoring, web-site, DBMS.
Введение
На сегодняшний день научно-практические задачи, связанные с разработкой и внедрением новых информационных технологий и систем для органов государственного управления, создание современного математического обеспечения для поддержки принятия управляющих решений, формирование и развитие интернет - ресурсов государственных организаций и учреждений, обеспечение перехода от бумажных технологий к цифровым, предоставление государственных услуг в режиме реального времени являются актуальными и востребованными.
Как известно, территория КР подвержена экзогенным геологическим процессам, которые представляют собой природные катастрофические явления, вызывающие разрушения на больших территориях и причиняющие значительный ущерб экономике, населению, инженерно-техническим коммуникациям и природной среде.
Важнейшей задачей, относящейся к компетенции МЧС КР, является постоянный мониторинг ЭГП (оползни, сели, лавины, камнепады, прорывы озер и водохранилищ и т.д.) с целью составления научно обоснованных прогнозов активизации опасных ЭГП. Из-за отсутствия современной сети противооползневых и противоселевых наблюдательных станций на территории Кыргызстана возникает объективная необходимость в разработке и применении современных информационно-коммуникационных технологий и математических моделей, которые позволяют автоматизировать процессы мониторинга ЭГП, анализировать и прогнозировать активизацию опасных ЭГП.
Как известно, мониторинг опасных экзогенных геологических процессов осуществляется в естественных и техногенно-нарушенных условиях в местах их активного воздействия вблизи населенных пунктов, инженерно-технических коммуникаций, хозяйственных объектов и т.д. При этом, как известно, решается целый круг важных задач, из которых приведем только лишь некоторые задачи при организации и проведении мониторинга ЭГП:
- формирование информационных ресурсов для оценки состояния ЭГП и прогноза их изменений под влиянием природных и техногенных факторов;
- анализ и оценка состояния горных склонов, подверженных опасным ЭГП на территории КР;
- прогноз изменения состояния горных склонов, подверженных опасным ЭГП, под воздействием природных и техногенных факторов.
Основными информационными материалами мониторинга опасных ЭГП являются прогнозы развития опасных экзогенных геологических процессов (оползни, сели, лавины, осыпи и камнепады, прорывы озер и водохранилищ, береговая эрозия и т.д.), а также карты районирования территорий по степени активизации опасных процессов.
Таким образом, исследование и прогнозирование опасных экзогенных геологических процессов, широко распространенных в Кыргызстане, относится к разряду важных научно-теоретических,
научно-практических и народно-хозяйственных проблем, учитывая их катастрофические проявления и последствия на территории страны.
Мониторинг ЭГП, анализ, картографирование и районирование, прогнозирование катастрофических природных явлений является важнейшей задачей МЧС КР.
В советский период на территории Кыргызстана функционировала специализированная опорная сеть наблюдательных станций, которые осуществляли постоянное наблюдение за такими ЭГП, как оползни и сели, лавины и камнепады, прорывы горных озер и водохранилищ и другие склоновые процессы.
В настоящее время из-за отсутствия современной сети наблюдательных станций на территории Кыргызстана ставится задача по разработке и применении современных ИКТ и математических моделей, которые позволяют автоматизировать процессы мониторинга ЭГП, анализировать и прогнозировать активизацию опасных ЭГП.
Как известно, в силу природных условий большую часть территории нашей страны занимают горы. По причине геологических, климатических, географических условий и горного рельефа практически вся территория подвержена опасным ЭГП (оползни, сели, снежные лавины, обвалы, осыпи, камнепады и другие склоновые процессы).
Таким образом, исследование ЭГП, проектирование и создание новых компьютерных технологий и информационных систем, разработка математических моделей и численных алгоритмов являются актуальными и важными научно-теоретическими и прикладными задачами.
Цель исследования
Как уже отмечалось, мониторинг экзогенных геологических процессов представляет собой комплекс регулярных наблюдений, сбора, обработки и анализа информации с целью оценки состояния, выявления и анализа особенностей развития опасных ЭГП с прогнозом их активности на территории КР. Кроме того, мониторинг ЭГП включает в себя анализ и обобщение данных о проявлениях опасных ЭГП и их воздействиях на населенные пункты и хозяйственные объекты на территории КР; оценку региональной и локальной активности опасных ЭГП, обусловленных природными и техногенными факторами.
Таким образом, ставится следующий ряд научно-практических задач:
1. Определить основные типы опасных ЭГП, распространенных на территории республики. МЧС КР, как основной заказчик, предоставил следующий список видов ЭГП, которые подлежат мониторингу:
- береговая эрозия озер, водохранилищ и рек;
- склоновые процессы: камнепады, лавины, обвалы;
- паводки, повышение уровня грунтовых вод, подтопления и т.д.;
- озера, прорыв плотин высокогорных естественных озер;
- оползни и сели, расположенные вблизи населенных пунктов, коммуникаций и хозяйственных объектов;
- просадка в лёссовых и глинистых грунтах, а также сильный ветер.
2. Создание электронной карты ЭГП, распространенных на территории Кыргызстана, с указанием действующего административно-территориального деления. Данная электронная карта должна содержать список всех опасных ЭГП, которые приведены выше.
3. Сотрудники МЧС КР в ходе полевых работ должны проводить фото и видео съемку приведенных типов ЭГП, составлять информационные материалы и т.д. Требуется обеспечить в режиме реального времени передачу всех фото, видео, графических и информационных материалов по мобильной связи и создать мобильное приложение, которое реализует поставленную задачу.
4. Разработать автоматизированную процедуру, предназначенную для определения геолокации (координат) исследуемых объектов, а также их основных параметров в режиме реального времени, когда проводится фото и видео съемка. Данная процедура должна быть включена в состав мобильного приложения для сотрудников МЧС КР.
5. Проектирование и создание специализированного веб-сайта МЧС КР, который содержит мобильное приложение, интерактивную карту ЭГП, фактографическую базу данных по ЭГП, а также информационные материалы, посвященные ЭГП.
6. Разработать новую информационную технологию, которая реализует все выше перечисленные задачи и внедрить в МЧС КР.
Материалы, методы и результаты исследования
Приведем основные этапы работы по практической реализации поставленной задачи автоматизации мониторинга ЭГП для МЧС КР.
Анализ и формулировка требований к разработке карты ЭГП.
У электронной карты ЭГП должна быть понятная структура, удобно спроектированная система
навигации, она должна включать элементы обратной связи с сотрудниками МЧС КР и другими заинтересованными пользователями веб-сайта. Информация на интерактивной карте должна быстро обновляться, не требуя от сотрудников специальных знаний. Процесс корректировки, обновления, изменения или расширения функциональности вебсайта должен происходить достаточно быстро и с небольшими временными потерями.
Электронная карта ЭГП используется для решения следующих задач:
• Загрузка точек геолокации (долготы и широты) с чистого слоя карты;
• Сохранение в базе данных: геолокации (долготы и широты), названия объекта, категории ЭГП, фото, видео материалы и изображения и др.
Электронная карта ЭГП должна выводить информацию сотрудникам МЧС КР и другим заинтересованным пользователям о местах возможной активизации ЭГП: оползней, селей, лавин, камнепадов и других склоновых процессов. На рис. 1 показан скриншот со списком всех ЭГП, которые подлежат мониторингу.
Этапы разработки электронной карты ЭГП:
1. Постановка задачи и формулировка требований;
2. Составление технического задания и ТЭО;
3. Разработка необходимого функционала;
4. Программирование, отладка, тестирование и вёрстка;
5. Информационное наполнение или контент;
6. Обеспечение технической поддержки и сопровождения.
Требования к оформлению электронной интерактивной карты.
Организация, дизайн электронной карты ЭГП и интерфейса должны отвечать требованиям простоты и удобства работы, а пользовательский интерфейс должен быть легко понятным и максимально дружелюбным, обладать цветовой гаммой, выдержанной в светлых тонах. При этом основная компоновка web-страницы должна быть неизменной и постоянной для всех рубрик web-сайта.
Рис. 1. Скриншот со списком типов ЭГП (категории объектов).
Требования к размерности и разрешению мониторов, на которых осуществляется просмотр электронной карты, варьируются в следующем диапазоне: от разрешения размерностью 800х600 пикселей (для 15" LCD или ЖК мониторов) до разрешения размерностью 1024х768 пикселей (для 17" LCD или ЖК мониторов). При указанном диапазоне разрешений реализована возможность горизонтальной прокрутки web-страниц электронной карты в окне наиболее часто используемых и известных web-браузеров.
Электронная карта ЭГП должна занимать все пространство дисплея как по ширине, так и по высоте, при этом вертикальные параметры карты зависят естественным образом от количественных и качественных показателей. Следующее требование к электронной карте выражается в адекватном ее отображении для всех современных web-браузеров: Internet Explorer (для всех версий 6-9), Mozilla FireFox (для версий 2.0-3.0), Opera (для версий 8.010.0) и Google Chrome (для версии 1.0).
Здесь следует оговориться, что теоретически не исключаются некоторые небольшие искажения при отображении отдельных элементов web-стра-ниц, вследствие различных характеристик, технических и программных особенностей, и свойств многообразных версий вышеприведенных web-браузеров. В завершении темы требований добавим, что программный код web-страницы должен отличаться ясностью, логикой, краткостью, однако без какого-либо существенного ущерба к дизайну и основному функционалу электронной карты. На рис. 2, 3 и 4 показаны скриншоты электронной карты, которая имеет три слоя: схема, спутник и гибрид. Первый слой «схема» отображает электронную карту ЭГП в привычном виде с административно-территориальным делением. Второй слой «спутник» отображает физическую карту Кыргызстана со спутниковыми снимками. Третий слой «гибрид» отображает электронную карту в комбинированном виде.
Требования к функционалу электронной интерактивной карты.
Как известно, функционал электронной карты относится к важнейшим обязательным компонентам и служит для ввода, формирования и накопления, обработки и вывода информации сотрудникам
МЧС, а также зарегистрированным пользователям web-сайта.
Функциональная часть электронной интерактивной карты ЭГП состоит из двух блоков: функционал frontend для зарегистрированного оператора МЧС и функционал backend для системного администратора МЧС.
Функционал frontend для зарегистрированного оператора МЧС.
Сотрудники МЧС, как зарегистрированные операторы, получают возможность удобного просмотра доступных страниц карты. Для них предусмотрена функция ввода, отладки, редактирования и обновления информации по объектам ЭГП в фактографическую БД.
Функционал backend для системного администратора МЧС.
Системный администратор МЧС выполняет основные функции по сопровождению web-сайта, мобильного приложения и фактографической БД. Он обладает самыми широкими правами по добавлению, изменению и редактированию, а также удалению любой информации. Доступ к функциям системного администратора в целях безопасности осуществляется по установленному паролю, таким образом, доступ к административной части строго ограничен.
Основные требования к техническим ресурсам.
Для обеспечения бесперебойного функционирования специализированного web-сайта, интерактивной карты ЭГП, фактографической БД необходимо выполнение определенных технических требований, предъявляемых к аппаратным средствам (платформа и серверы) и программным средствам.
Выделенный сервер (хостинг) должен отвечать следующим требованиям:
• Наличие быстродействующего процессора (из семейства x64);
• Большой объем оперативной памяти (не менее 32 Gb);
• Необходимое свободное пространство на HDD (не менее 100 Gb);
• Не должно быть ограничений для интернет-трафика.
Рис. 2. Скриншот электронной карты в режиме «схема».
Рис. 3. Скриншот электронной карты в режиме «спутник».
Рис. 4. Скриншот электронной карты в режиме «гибрид».
Сервер хостинга должен отвечать следующим требованиям к ПО:
• Должна быть предустановлена ОС Oracle Linux;
• Должен быть предустановлен сервер Apache;
• Должен быть предустановлен интерпретатор PHP;
• Должен быть предустановлен сервер БД PostgreSQL и MySQL;
• Предустановленная система управления cPanel для выделенного сервера.
TECHNICAL SCIENCE / «Ш11ШетиМ~^©и©Ма1>#4!6)),2©2©
Разработка архитектуры электронной карты ЭГП.
Под архитектурой электронной карты понимается структура ее страниц и программной части, обеспечивающая визуальное представление карты, систематизацию информации и удобную навигацию по web-сайту. Она должна быть предельно удобна и проста для быстрого поиска необходимой информации или данных по ЭГП. Как известно из практики сайтостроения, грамотная архитектура должна максимально полно отображать все разделы web-сайта, минимизировать временные потери на навигацию и поиск необходимой информации. При этом в процессе проектирования и создания архитектуры электронной карты следует учитывать приоритетность наиболее важной информации для доступа с последующим выводом информации на web-сайт. В процессе создания структуры электронной карты должна достигаться концентрация внимания зарегистрированных операторов (сотрудников МЧС) именно на самом важном контенте.
Грамотным распределением приоритетов между разделами, рубриками и страницами, реализуется функция определения основных точек входа на электронную карту, обеспечивающую быстрый поиск необходимой информации об искомых объектах, а также повышает работоспособность системы и организации в целом.
Итак, архитектура электронной карты ЭГП должна быть проста и интуитивно удобна. В нашем случае она состоит из клиентской части или frontend с применением HTML, CSS, JavaScript и программной и административной части или backend с применением PostgreSQL.
Программная часть архитектуры карты ЭГП.
Как известно, программная часть архитектуры рассматривается как взаимосвязь двух частей: операционной и серверной.
Выбор операционной части.
В операционной части рассматривается программная среда разработки карты. Электронная карта ЭГП разрабатывается в среде программирования PHP. Выбор данного программного инструментария основан на проведенном сравнении PHP с другими языками программирования и интернет технологиями.
Выбор серверной части.
Серверная часть содержит в себе размещение карты ЭГП у провайдеров, поддерживающих технологии, используемые при его создании. В серверной части рассматривается работа карты ЭГП в глобальной сети, взаимодействие ПО и сервисов, предоставляемых провайдерами. По завершению работы необходимо организовать ее размещение в глобальной сети.
Для создания и тестирования электронной карты был использован сервер PowerEdge T640 Server, который значительно упростил систему отладки для бесперебойной работы.
Разработка административной части архитектуры карты.
Как известно, системный администратор выполняет правки структуры веб - страницы, то есть изменяется программный код страницы. При этом системный администратор наделен правами внесения изменений во все настройки web-сайта, всевозможные настройки каталога, т.е. функциями редактирования и удаления геолокаций, категорий и их параметров.
Разработка клиентской части.
Frontend (клиентская часть) должен обеспечивать максимально удобную и комфортную среду для зарегистрированных операторов МЧС с электронной картой и web-сайтом. В результате разработаны дружественный интерфейс, доступные и понятные диалоговые окна приложений. Главная страница web-сайта оформлена таким образом, что оператор без труда может находить интересующую его локацию и имеет возможность сохранения и передачи информации.
Для отладки созданных приложений используется традиционный подход "снизу-вверх". Он подразумевает на начальной стадии отдельную отладку каждого самостоятельного класса или функции. На следующих стадиях происходит добавление уже отлаженных модулей в единую программу. С целью отдельной отладки каждого класса или функции, как правило, создается специальный вызывающий модуль, основное предназначение которого заключается в задании исходных данных для класса или функций, последующем обращении к ним и выводе на экран результатов.
Особо отметим, что в процессе отладки нашего программного продукта ошибок не обнаружено.
Краткое описание работы с компьютерной системой.
При запуске мобильного приложения «Мониторинг ЭГП» и запуске электронной карты ЭГП автоматически открывается страница авторизации, где зарегистрированные операторы (сотрудники МЧС) могут заходить под своим логином и паролем или зарегистрироваться. Интерфейс web-сайта, который содержит мобильное приложение и электронную карту, был максимально упрощен и в меру информативен, с целью, чтобы важная информация располагалась на главной странице, и не было необходимости ее поиска.
После того, как оператор проходит обязательную процедуру идентификации и авторизации, появляется возможность выбора одной категории, организованных в виде гиперссылок, и представленных в виде удобного меню (см. рис. 5).
При входе в раздел «База» появляется выпадающее меню, которое содержит все категории ЭГП, подлежащих мониторингу. Пользователю требуется выбрать нужную категорию ЭГП и в результате будет открыта электронная карта со страницей, которая будет содержать всю необходимую информацию по указанной категории.
Таким образом, сотрудники выбирают нужные категории, объекты, проводят фото, видео съемку, и информация автоматически размещается на электронной карте, передается и записывается в фактографическую базу данных.
В работах [1] и [2] приведены общая методология сайтостроения, основной программный инструментария разработки приложений и баз данных.
В работе при проектировании и разработке веб-сайта использовались следующие web-техно-логии и программный инструментарий: PHP, HTML, Python, JavaScript [3], [4], [5], [6] и [7].
При разработке баз данных применялось следующее программное обеспечение: My SQL и PostgreSQL. При создании программ и приложений были применены известные и широко распространенные языки программирования Python и JavaScript.
Заключение
Основные результаты работы связаны с вопросами мониторинга опасных ЭГП (оползни, сели, лавины, камнепады, прорывы высокогорных озер и т.д.), распространенных на территории Кыргызстана, с целью практической реализации и внедрения полученных результатов в МЧС КР.
Предложена новая информационная технология мониторинга ЭГП для МЧС КР с передачей информации (фото и видео материалов, текстовой и графической информации) в режиме реального времени по мобильной связи в формате GSM на специализированный web-сайт с фактографической базой данных. В настоящее время разработаны алгоритмы для анализа динамики ЭГП на основе теории распознавания образов.
Рис. 5. Запуск мобильного приложения «Мониторинг ЭГП» 1 левой части - скриншот экрана смартфона с установленным приложением;в правой части - окно авторизации для входа в программу и на web-сайт).
Список литературы:
1. Бийбосунов, Б. И. Веб-сайт и информационная система анализа и прогноза экзогенных геологических процессов в Кыргызской Республике [Текст] / Б.И. Бийбосунов, Ж.Т. Бексултанов, Т. Курманбек уулу // Современные наукоемкие технологии. - Пенза, 2019. - № 3. - С. 25-30.
2. Бийбосунов, Б. И. Краткий курс ИКТ [Текст]: Учеб. пособие для студ. ВУЗов / Б.И. Бийбосунов, С.К. Бийбосунова. - Бишкек, 2002. - 115 с.
3. Доусон, М. Программируем на Python [Текст] / М. Доусон. - СПб.: Питер, 2014. - 416 с.
4. Гаевский, А.Ю. Создание Web-страниц и Web-сайтов. HTML и JavaScript [Текст] / А.Ю. Гаевский, В.А. Романовский. - М.: Наука, 2015. - 464 c.
5. Дронов, В. JavaScript в Web-дизайне [Текст] / В. Дронов. - М.: СПб: БХВ, 2014. - 880 с.
6. Аткинсон, Л. MySQL. Библиотека профессионала [Текст] / Л. Аткинсон - М.: СПб.: Киев: Ви-льямс, 2002. - 624 с.
7. Моргунов, Е. П. PostgreSQL. Основы языка SQL [Текст] / Е. П. Моргунов. - СПб: БХВ, 2018. -336 с.
