CC BY
62
удк 504.54.05
концепция информационно-аналитической системы мониторинга природной среды техногенно нарушенных аграрных ландшафтов
Д.Б. ЭЙДЕНЗОН, кандидат технических наук, президент NovoSpark Corporation E.A. иЖМулкиНА, начальник отдела и.А. ГАНиЕБА, кандидат экономических наук, проректор по научной работе
О.Б. ЛОШКАРЕБА, зав. лабораторией
Кемеровский ГСХи
E-mail: [email protected]
Резюме. Б статье представлена концепция информационноаналитической системы для мониторинга воздействия угольной промышленности на окружающую среду с возможностью прогнозирования сроков нейтрализации загрязнений и восстановления биологической продуктивности техногенных ландшафтов, качественной оценки интегральных состояний исследуемых систем посредством анализа интегральных образов их состояний и исследования пространственных взаимосвязей между угольными разрезами, технологиями рекультивации и характеристиками экологического состояния.
Ключевые слова: мониторинг техногенно нарушенныхландшаф-тов, информационная система, окружающая среда, геоинформа-ционные технологии, оценка интегрального состояния системы.
В связи со значительным воздействием добывающей промышленности на окружающую природную среду перед региональными и местными органами власти в регионах, где ведется активная добыча полезных ископаемых, встает задача мониторинга и прогнозирования сроков нейтрализации загрязнений и восстановления биологической продуктивности техногенных ландшафтов. Особенно актуальна проблема негативного влияния на окружающую среду угольной промышленности в Кузбассе - крупнейшем регионе по запасам углей из всех эксплуатируемых каменно-угольных бассейнов России, в котором добывают 56,4 % общероссийского объема угля.
В 2011 г. в Кемеровской области, по данным региональной администрации, добыто 188 млн т угля, из них 60 % -самым дешевым открытым способом. При таком способе добычи угля и его транспортировке происходят загрязнение водных ресурсов и ландшафтные изменения, приводящие к разрушению целых экосистем. Поверхностная добыча угля полностью уничтожает существующие виды растительности разрушает генетический профиль почвы, вытесняет или уничтожает диких животных из среды их обитания, ухудшает качество воздуха, подземных вод, а также в некоторой степени, постоянно изменяет общий профиль земной поверхности. На сегодня отходы добывающей промышленности, представленные в Кузбассе отвалами вскрышных и вмещающих горных пород, составляют 12 млрд м3; 80 % почвенного покрова земледельческой части региона трансформировано, а около 100 тыс. га уничтожено полностью; к 2020 г. площадь таких земель, по подсчетам ученых, достигнет 120...150тыс. га. При общей площади Кемеровской области 95,5 тыс. км2, в среднем нарушено 0,7 % земель, что в 10 раз больше, чем по России, а в отельных районах, например Прокопьевске, Киселевске, Междуреченске на их долю приходится 19,5, 27 и 13,2 % соответственно [1].
По мнению многих ученых [2, 3], одна из основных проблем деятельности добывающей и перерабатывающей промышленности заключается в возврате в окружающую среду отходов в объеме, превышающем ассимиляционный потенциал природных ландшафтов. В связи с этим
весьма актуальны работы, связанные с нейтрализацией загрязнения окружающей среды и ускорением процесса восстановления биологической продуктивности техногенных ландшафтов. До 70-х гг. рекультивацию в Кемеровской области не осуществляли; в 1990 - начале 2000 гг. площадь ежегодно рекультивируемых земель была меньше площади нарушаемых; (в 2005 г. в области было нарушено 933 га, а рекультивировано только 908 га), с 2006 г. рекультивируется ежегодно больше земель, чем нарушается [4].
Однако, несмотря на применяемые меры, экологическая ситуация в угольных регионах не улучшается, что во многом связано с отсутствием системно организованного мониторинга и, как следствие, периодичности и представительности экологической информации.
Существующие методы сбора и обработки информации не позволяют получать наглядную картину экологического состояния территории, а также его изменения при проведении рекультивации, без применения геоинформационных технологий и моделирования. На сегодняшний день распространенные программноинструментальные оболочки геоинформационных систем (ГИС), как правило, включают функции, осуществляющие пространственные операции наложения с объектами карты. Однако они далеко не всегда дают возможность выполнять необходимые для расчета интегральных показателей аналитические операции над данными, характеризующими состояние экосистем. Кроме того, организация семантических данных имеет свои особенности в каждой ГИС-оболочке, что требует в каждом случае разработки специального программного обеспечения.
Исходя из изложенного, цель нашей работы - разработка концепции информационно-аналитической системы для мониторинга воздействия угольной промышленности на окружающую среду и прогнозирования сроков нейтрализации загрязнений и восстановления биологической продуктивности техногенных ландшафтов.
Условия, методы и материалы. Разработку концепции информационно-аналитической системы мониторинга окружающей природной среды техногенно нарушенных ландшафтов в угледобывающих регионах проводили ученые Кемеровского ГСХИ совместно с сотрудниками компании NovoSpark Corporation (Канада).
Исследование предметной области осуществляли путем изучения опыта проблемной научноисследовательской лаборатории рекультивации нарушенных земель Кемеровского ГСХИ, которая проводит интегральный мониторинг окружающей природной среды техногенных ландшафтов, основанный на использовании совокупности взаимокоррелирующих индикационных параметров, объединенных между собой прямыми и обратными связями в определенную целостность.
Для техногенно нарушенных ландшафтов характерна неполноценность биогеоценоза - когда из него выпадают важнейшие компоненты, и оценивать состояние приходится по имеющимся в наличии признакам. Среди них ведущее место, несомненно, занимает растительность как главный элемент компонент ландшафтов (в том числе и антропогенных). Поэтому информационно-аналитическая система должна, на наш взгляд, включать систему индикационных параметров, характеризующих следующие компоненты:
растительность (древесная, травянистая, микрорастительность) - исследования лихеноиндикации, оценка биохимических показателей, физиономических реакций, фауну - количественный и качественный состав насекомых и теплокровных животных;
биогеохимические показатели - определение содержания токсичных элементов в растениях, воде, почве.
Основные задачи разрабатываемой информационно-аналитической системы - сбор, обработка, систематизация и хранение данных мониторинга; статистический анализ индикационных параметров и вычисление интегральных показателей состояния окружающей природной среды; исследование пространственных взаимосвязей между угольными разрезами, технологиями их рекультивации и характеристиками экологического состояния; картографирование, прогнозирование сроков нейтрализации загрязнений и восстановления биологической продуктивности техногенных ландшафтов.
Результаты и обсуждение. В ходе исследований мы разработали структуру информационноаналитической системы, включающую четыре функциональных блока (рис. 1):
автоматизированная информационная система (база данных) с веб-интерфейсом, предназначенная для хранения сведений о техногенных ландшафтах и результатов мониторинга качества их природной среды;
геоинформационная система с веб-интерфейсом, отображающая графические и тематические базы данных экологической направленности;
программный модуль расчета текущих интегральных характеристик окружающей природной среды территорий изучаемых техногенных ландшафтов и прогнозирования сроков нейтрализации загрязнений и восстановления их биологической продуктивности;
программный модуль качественной оценки интегрального состояния природной среды техногенных ландшафтов методом визуализации многомерных данных.
Исходная информация должна содержать как можно более подробные сведения о пространственно-временной изменчивости различных индикационных параметров, включая данные об источниках и факторах воздействия на экосистемы. Для разработки информационной системы (базы данных) о состоянии окружающей природной среды техногенных ландшафтов спроектированы концептуальная и в соответствии с ней даталогиче-ская модель с нормализацией данных. В качестве инструмента для реализации физической модели выбрано приложение Oracle Application Express (Apex) - свободная среда быстрой разработки прикладного программного обеспечения на основе СУБД OracleDatabase, целиком реализованная как веб-приложение.
Информационной основой при моделировании ин-
тегральных индикаторов и показателей качества природной среды средствами ГИС служат картографические материалы и результаты экологического обследования территории, представленные различными типами документов, а также справочные материалы и нормативные документы в области экологии и природопользования.
Сведения для моделирования интегральных индикаторов и показателей интегрального состояния окружающей природной среды, сроков нейтрализации загрязнений, производимых угольной промышленностью, а также сроков восстановления биологической продуктивности техногенно нарушенных ландшафтов можно разделить на актуальные (данные мониторинга) и справочные материалы. Актуальные сведения представлены различными типами данных, а картографические материалы имеют различные масштабы. При работе с разноплановой и разрозненной исходной информацией возникают такие трудности, как необходимость актуализации устаревших сведений, сложность пространственной привязки и генерализации данных, неопределенность границ распространения загрязнений. Для решения этих задач можно применять методы пространственной генерализации таксономической основы при использовании исходных данных, представленных картографическими материалами различных масштабов.
Реализация изложенного подхода включает следующие этапы:
отображение техногенных ландшафтов и зоны их воздействия;
сбор информации, накопленной в ведомственныхучреж-дениях и на предприятиях, формирование картографических и семантических баз данных, информация которых будет представлена на электронных картах: административнотерриториальных; почвенно-агрохимических (с показателями кислотности и засоленности почв, содержания подвижного фосфора, обменного калия, подвижной серы,
Данные мониторинга показателей состоянии природной среды техногенных ландшафтов
Рис. 1. Структурная схема информационно-аналитической системы для мониторинга воздействия угольной промышленности на окружающую среду и прогнозирования сроков нейтрализации загрязнений и восстановления биологической продуктивности техногенных ландшафтов.
по форме кривой интегрального образа; диагностируемое состояние выделено жирной линией и значительно ближе к состоянию № 2.
обменного кальция, магния, подвижных марганца, цинка, меди, кобальта и бора); экологическая; топографическая; чувствительности ландшафтов к различным видам хозяйственной деятельности; растительности (древесная, травянистая, микрорастительность); фауны (количественный и качественный состав насекомых и теплокровных животных); биогеохимической индикации (содержание токсичных элементов в растениях, воде, почве) и др.
Технология вывода данных в ГИС позволит оперативно получать визуальное представление картографической информации с различным содержанием и наполнением, переходить от одного масштаба к другому, представлять атрибутивные (поясняющие) данные в табличной, текстовой и графической формах. Созданная геоинформационная система дает возможность проводить компьютерный анализ динамики состояния окружающей природной среды техногенных ландшафтов и разрабатывать возможные сценарии изменения их агроэкологических характеристик и восстановления биологической продуктивности.
Процесс геоинформационного моделирования состояния окружающей природной среды техногенных ландшафтов рекомендуется проводить с помощью программного пакета ArcView.
Прогнозирование сроков нейтрализации загрязнений и восстановления биологической продуктивности техногенных ландшафтов осуществляется с помощью комплексных имитационных моделей, которые будут постоянно повышать адекватность прогнозов благодаря качественно более полному использованию эмпирических данных. Модели такого класса позволяет анализировать системы в условиях большой размерности и неполной информации об их строении, более результативно использовать знания предметной области. Формализация подобного поведения характеризуется дискретной схемой, действующей по типу: интегральный показатель ^ состояние+воздействие ^ изменение состояния. Таким образом, алгоритм реализации модуля на основе имитационной модели включает аналитическое описание объекта, блоки экспертных оценок, имитации и обработки результатов вычислительного эксперимента.
Для качественной оценки состояния окружающей природной среды техногенных ландшафтов используется метод визуализации многомерных объектов и процессов, предложенный В.А. Воловоденко [6] и реализованный в программном обеспечении NovoSpark® Visualizer [5]. Он основан на изометричности двух пространств, где интегральное состояние окружающей природной среды
изучаемых техногенных ландшафтов, как многомерный объект одного пространства (многомерного пространства данных), считается оригиналом, а объекты другого (2-х или 3-х мерного) играют роль изображений (рис. 2).
Сравнение состояния окружающей среды территорий разрезов и выявление аномалий будет проводиться исследователями, как по форме их интегральных образов, так и через «облако» многомерного интервала - двумерной области между «минимальным» и «максимальным» интегральными образами состояний системы. Если образ наблюдения полностью вписывается в облако интервала, то соответствующие этому образу значения параметров находятся между минимальной и максимальной границами заданного интервала по всем измерениям (рис. 3).
Рис. 3. Сравнение с эталонами по многомерному интервалу. Состояние (выделено жирной линией) принадлежит состоянию-эталону, если его образ полностью находится внутри облака интервала.
Модуль качественного анализа позволит сравнивать интегральные оценки, отражающие состояния техногенных ландшафтов с группами эталонов по формам образов.
Кроме того, можно будет строить модели, характеризующие взаимодействие процессов и явлений в системе агроэкологии изучаемых объектов в пространственно-временном аспекте. Для пространственного отображения результатов необходимо разработать интерфейс, позволяющий получать по запросам различную информацию об объектах и параметрах состояния системы, проводить контроль и прогнозирование сроков нейтрализации загрязнений и восстановления биологической продуктивности представлять результаты в удобном для дальнейшей обработки виде.
выводы. Информационно-аналитическая система разработанная на основе представленной концепции, будет обладать следующими уникальными свойствами:
универсальная структура, позволяющая использовать информационно-аналитическую систему для любого количества данных для любых территорий;
достоверность прогноза сроков нейтрализации загрязнений и восстановления биологической продуктивности техногенного ландшафта, обеспечиваемая интерполяцией ретроспективной информации по рекультивированным угольным разрезам, с достаточно высокой оценкой качества природной среды;
расчет интегрального (обобщенного) показателя природного состояния выбранной территории, позволяющий любому пользователю однозначно оценивать экологическую ситуацию;
универсальный механизм расчета, применимый для любых техногенный ландшафтов;
генерализация полученных результатов, обеспечивающая работоспособность системы как на локальном, так и на глобальном уровнях.
Литература.
1. Ковалев В.А.Комментарий к статье «По «Принципу Экватора» // Уголь Кузбасса. - 2011. - №1. - С.69-70
2. Зеньков И.В. Инструментарий программно-целевого управления восстановлением техногенно нарушенных агроландшафтов в угледобывающих регионах с развитым земледелием// Уголь. - 2010. - № 11. - С. 64-67
3. Приваловская Г.Я. Сырьевая специализацияхозяйства России и проблемы перехода кустойчивому развитию//Природопользова -ние и устойчивое развитие. Мировые экосистемы и проблемы России. - М.: Товарищество научных изданий КМК, 2006. - С. 177-197
4. Доклад о состоянии и охране окружающей среды Кемеровской области в 2011 году. Кемерово: Администрация Кемеровской области, 2012. - 68 с.
5. Эйдензон Д., Шамрони Д., Воловоденко В. Визуализация и анализ многомерных данных // Материалы международной конференции с участием ученых-соотечественников, Томск, 2010. Режим доступа URL: http://www.tsu.ru/ upload/content/static/ files/12_s4.doc (дата обращения 14.04.2012).
6. Воловоденко В.А., Эйдензон Д.В., Мыльцев К.В. Метод и система визуализации многомерных объектов и процессов. -Томск, 1991. - 13 с. -Деп. во ВИНИТИ 05.04.91, № 1471-В91.
CONCEPT OF iNFORMATiONAL-ANALYTiC SYSTEM OF ENViRONMENT MONiTORiNG FOR iNDUSTRiALLY DEGRADED AGRiCULTURAL LANDSCAPES
D.V. Ejdenzon, E.A. Izhmulkina, I.A. Ganieva, O.V. Loshkareva
Summary. The article introduces the concept of informational-analytic system for monitoring of influence of coal industry on the environment with the ability to predict the timing of contamination neutralization and industrial landscape biological productivity restoring. It can be used for qualitative assessment of integral states of systems in question by analysis of integral forms of their states and investigation of spatial relationships between coal strip mine, remediation technologies and environmental characteristics.
Key words: monitoring of industrially disturbed landscapes, informational system, environment, geoinformation technologies, assessment of integral state of system.
УДК 629.114.2
экспериментальное определение оптимального положения центра давления гусеничного трактора двойного назначения
Е.и. БЕРДОВ, кандидат технических наук, доцент
В.А. АЛЯБЬЕВ, инженер
Е.Г. ЩЕПЕТОВ, инженер
Челябинская ГAA
E-mail: [email protected]
Резюме. Б статье рассматриваются и анализируются результаты экспериментальных исследований гусеничного трактора двойного назначения с целью определения оптимального положения центра давления, обеспечивающего наилучшие тягово-сцепные свойства машины.
Ключевые слова: центр давления, гусеничный трактор двойного назначения, загрузочно-имитационное устройство, тяговосцепные свойства, сопротивление передвижению, техническая производительность.
На сегодняшний день в средних и крупных сельскохозяйственных предприятиях РФ растет интерес к всё более широкому приобретению и использованию гусеничных тракторов двойного назначения (ТДН), создаваемых на базе сельскохозяйственных или промышленных энергетических средств общего назначения. Это обеспечивает эффективную загрузку машин в течение всего календарного года благодаря возможности агрегатирования не только с комплексом сельскохозяйственных орудий (в период активных полевых работ), но и с таким оборудованием, как бульдозер (всесезонные строительно-дорожные работы), кусторез, корчеватель (расширение посевных площадей, обустройство культурных пастбищ), скрепер (ирригационные работы) и др. [1].
Опыт эксплуатации ТДН в хозяйствах АПК УралоСибирской зоны показывает, что их потенциальные возможности в большинстве случаев используются не в полной мере. Это связано, в частности, с тем, что конструкция любого базового сельскохозяйственного трактора общего назначения в наибольшей степени при-
способлена для работы с крюковой нагрузкой, в то время как для эффективной работы фронтально расположенного орудия (например, бульдозера) он должен обеспечивать необходимые толкающее и заглубляющее усилия. Таким образом, проблема повышения эффективности использования ТДН на различных видах работ актуальна, а ее решение имеет важное значение.
В работах [2,3] было показано, что положение центра давления (ЦД) гусеничного трактора общего назначения (в том числе ТДН) при работе с различными энергоёмкими орудиями (плуг, бульдозер и др.) в значительной степени влияет на тягово-сцепные свойства трактора и, как следствие, на эффективность использования МТА в целом. В частности, было теоретически определено оптимальное положение ЦД трактора с бульдозерным оборудованием (БО) на различных фазах рабочего элемента цикла, обеспечивающее наилучшие тягово-сцепные свойства и минимальные потери на передвижение.
Цель наших исследований - экспериментальная проверка выдвинутых теоретических положений для ТДН тягового класса 4.
Условия, материалы и методы. Объект испытаний - гусеничный трактор с полужесткой подвеской типа Т-4АП2 (ОАО «АлтТРАК», тяговый класс 4) в агрегате с бульдозерным оборудованием типа ДЗ-101 (прямой неповоротный отвал с гидроперекосом). На тракторе были установлены датчики и измерительно-регистрирующая аппаратура, позволяющие определять положение ЦД и фиксировать другие необходимые параметры непосредственно во время работы бульдозерного агрегата (БА).
Как известно, тягово-сцепные свойства трактора в определяющей степени обусловлены его сцепной массой и характеристиками ходового аппарата. К последним следует отнести такие важные параметры, как сопротивление
