CC BY
37
14. Апанович ЮЛ., Люмкис ЕЛ- Разностные схемы для уравнений Навье-Стокса на сетке из ячеек Дирихле // Вычислительная математика и математическая физика, 1988, Т.28, №3. С.390-399.
15. Самарский А.А. Теория разностных схем. 3-є изд., испр. М.: Наука.. 616 с.
16. Маханов С.С., Семенов А.Ю. Двумерный неотрицательный алгоритм расчета течений
// ,
1996. Т.36. №4. С.97-105.
УДК 681.3:551.463
Н.Е. Сергеев, АЛ. Сухинов, С.Ю. Фомин
ОБЩЕСИСТЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ ПО РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ОБРАБОТКЕ ДАННЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ И ГИДРОХИМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ АКВАТОРИИ АЗОВСКОГО
МОРЯ
Азовское море испытывает нагрузки от природохозяйственной деятельности человека с территории РФ на протяжении береговой черты восточной части (г.Приморско-^тарск, г.Темрюк ), Таганрогского залива, пяти лиманов, устьев , -действий. Характерная черта течений моря - их большая изменчивость по направлению и скорости, которая также зависит от ветра. Хорошо выражены сгоннонагонные колебания уровня (2-3 метра). Фактически большая часть акватории Азовского моря представляет собой зону смешения пресных и соленых вод. Природа процессов, протекающих в Азовском море, такова, что наиболее существен, , -скими особенностями, являются сток Дона и, частично, Кубани, а также погодные [1].
Дона непосредственно в зоне смешения, которой и является восточная часть Та.
Эти и многие другие факторы определяют сложность гидрофизических и гидрохимических процессов и, как следствие, сложность задач экологических исследований в целях сохранения рыбохозяйственного, промышленного и культурнооздоровительного значения Азовского моря[2].
Результаты экспедиционных исследований, как правило, обрабатываются в , -нятия решений. Переход от “лабораторного подхода” к комплексному сбору, обработке и анализу данных в режиме реального времени возможен с использованием ( , , , ), -, -ной обработки данных. Доступность разнотипной информации, получаемой в реальном масштабе времени, позволяет вывести аналитическую работу прогнозирования экосистем на принципиально новый уровень. Собранные значения параметров могут использоваться для верификации и калибровки математических моделей в целях прогнозирования экосистем.
Бортовые зарубежные системы сбора информации, например, фирмы "Нейл Браун", являются дорогими (их стоимость может составлять до миллиона долла). , -рофизической и другой информации для интересующего множества точек, которые
могут быть удалены друг от друга на десятки километров. Зарубежный опыт пока, , использования в моделях различного уровня, способны дать распределенные системы сбора и обработки информации. Например, в мелководном Мобилском зали, -гцади гораздо меньшем Таганрогского залива, используется распределенная система из сорока автоматических буйковых станций, которые в автоматическом режиме регулярно передают в главный компьютер физические и химические параметры .
Авторами предлагаются общесистемные решения по созданию комплексной распределенной системы сбора и обработки гидрофизической и гидрохимической информации для восточной части Таганрогского залива.
,
ОБРАБОТКИ ФИЗИЧЕСКИХ И ХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВОДНОЙ СРЕДЫ
1. (
течений, возвышение уровня, температура, соленость и электропроводность, со, , )
, . -лит отслеживать тенденции развития экосистемы в целом, а также производить верификацию и калибровку детерминированных и вероятностных математических моделей различных физико-химических и гидробиологических процессов.
2. , -занных с многократным превышением предельно допустимых концентраций фено-, , .
3. , -
.
4.
существования для отдельных видов флоры и фауны, т. е. катастрофическое падение уровня кислорода, возникновение обширных зон повышенного содержания .
ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ФУНКЦИЯМ СИСТЕМЫ В ЦЕЛОМ
Основной целью системы является создание единого информационного пространства для разнотипной информации о гидрофизических и гидрохимических процессах Азовского моря и сопредельных территорий для вывода на новый уровень аналитической работы по прогнозированию развития экологических процес.
, , -дежность и достоверность данных, повысить качество входной информации для
,
подключения новых каналов и удобные средства представления данных.
Для большинства каналов получения данных о состоянии сред, как правило, можно выделить следующую цепочку преобразования значений: устройство, выделяющее информационную составляющую тестируемой среды, процесса; усилитель-преобразователь сигнала; преобразователь к виду, доступному для компью-, , .
Для рассмотрения возможных вариантов архитектуры автоматизированной системы сбора и обработки данных выделим следующие группы и распределим их :
♦ терминальные устройства (ТУ)- подвижные или стационарные устройства сбора и первичной обработки данных могут состоять из датчиков, командно-исполнительных механизмов, устройств сбора и первичной
( ), ( -
, );
♦ экспедиционный носитель (уровень) средств обработки данных (ЭУ-
, )-
, , -
;
♦ ( )- , средства обработки данных и численного моделирования.
На состав оборудования и программных средств ТУ влияют требования к автономности и энерговооруженности терминальных устройств, к помехозащищен, , , , необходимость исполнения команд (перемещение, перемешивание), количество и типы каналов получения данных. Особые требования к надежному функционированию оборудования и программных средств выдвигает агрессивность среды.
Состав средств ЭУ определяется числом терминальных устройств, их разнотипностью, объемом собираемых данных, задачами, решаемыми на ЭУ, условиями радиосвязи. Состав базового уровня определяется условиями радиосвязи, конечными исследовательскими задачами и моделями.
При проектировании многоуровневой системы сбора и обработки данных в интересах экологических исследований следует оставлять возможность для "ручного" ввода данных лабораторных исследований и учитывать изменения состава сигналов и способов получения значений.
ОБОБЩЕННЫЕ ПОТОКИ ДАННЫХ
Потоки данных между уровнями системы в общем виде выглядят как показано на рис.1. Следует отметить, что данные могут передаваться как пакетами из
,
.
Рис.1. Обобщенные потоки данных
Одни и те же данные на различных уровнях могут иметь различное представление, например, скорость движения жидкости на ТУ может представляться числом импульсов, а на ЭУ в метрах в секунду. Система должна предоставить возможность исследователю на любом уровне пользоваться любыми данными.
Рассмотрим требования к составу и функциям компонентов различных уров-.
Уровень терминальных устройств сбора данных. ТУ реализует следующие функции: сбор данных; первичная обработка данных и аварийных сигналов; исполнение команд ЭУ и БУ; обслуживание связи с ЭУ и БУ; тестирование; управление взаимодействием и последовательностью выполнения задач.
Сбор данных реализуется циклическим опросом цифровых потенциальных, аналоговых и импульсных сигналов с датчиков, установленных на ТУ. Время и структура цикла опроса зависят от типа датчика, периодичности обновления информации на датчике и совокупного времени обработки текущей информации.
Выделяются три задачи по сбору данных: задача приема дискретных потен; ; -ных импульсных сигналов. Каждая из задач обеспечивает не только считывание, но и фильтрацию сигналов от помех.
, , -чиков за определенное время, характеризуют текущее состояние среды. Информация о текущем состоянии среды передается в подсистему ЭУ.
Источниками аварийных сигналов могут быть: задачи приема, обработки, ав.
аварийные (тревожные) сигналы классифицируются по двум группам (тревожное , ) обобщенный флаг аварии. Тревожное состояние среды определяется по результатам анализа текущих значений из задачи приема дискретных потенциальных сигналов (например, аварийный сигнал от датчика), задач обработки импульсных и аналоговых сигналов (например, по результатам сравнения с предельно допусти). -ния. Информация об аварийных сигналах передается на ЭУ для дальнейшей обра-.
Обслуживание связи заключается в выдаче (ретрансляции) на ЭУ всей собранной информации и приеме (ретрансляции) с ЭУ команд. Для этого предусматриваются следующие задачи: задача формирования пакетов; задача разборки пакетов; задача связи.
Связь ТУ с ЭУ осуществляется по радиоканалу в режиме пассивной мультиточки. Защита от искажений в канале обеспечивается протоколом обмена, реализуемым задачей связи. При неисправности линий связи или телекоммуникационного оборудования (off-line) задача формирования пакетов обеспечивает запоминание текущего информационного пакета и последних 10 информационных пакетов, сформированных за время отсутствия связи ТУ с ЭУ.
На фоне решения основных задач периодически контролируется исправность собственного оборудования путем запуска функциональных тестов. При обнаружении неисправности формируется сообщение об аварии, включаемое в информа-, . флаг аварии для задачи связи, который может быть обнаружен ЭУ в «коротком» аварийном цикле опроса ТУ. Перечисленные функции реализуются задачами автотестирования и обработки аварийных сигналов. Функции управления взаимодействием между задачами и последовательностью их выполнения возложены на управ.
Уровень экспедиционного носителя средств сбора и обработки данных
состоит из экспедиционного сервера и рабочих станций исследователей. Экспедиционный сервер выполняет следующие функции: организует сбор и первичную обработку информации от ТУ; организует выдачу управляющих сигналов (команд) ; ( ); событий; обеспечение информационного обмена в реальном времени ЭУ и БУ; обеспечение SQL/ODBC-доступа и обмена данными в реальном времени между ОБД и внешними базами данных; диагностика работы ТУ.
Рабочие станции исследователей предназначены для визуализации; обработки событий; обработки и анализа данных реального времени и предыстории; отображения трендов реального времени и предыстории; печати протоколов и отчетов; поддержки диалога создания новых ТУ; отображения текущего состояния оборудования ТУ и среды; отображения текущих значений измеряемых параметров; корректировки данных ТУ.
Аппаратно-программный комплекс системы представляет собой круглосуточно функционирующую восстанавливаемую и обслуживаемую систему. Технические средства обеспечивают круглосуточный режим эксплуатации системы. Информация, поступающая от ТК, содержит результаты автотестирования ТУ, значения измеряемых параметров, сигналы о состоянии среды. Под первичной обработ-
кой понимается приведение информации к стандартным форматам представления данных (типам записей) в ОБД.
Передаваемый ТУ аварийный сигнал, генерируемый при автотестировании, инициирует заполнение соответствующего поля ОБД, которое в дальнейшем обрабатывается администратором событий сервера.
Исследователь может наблюдать за протеканием процессов, графически отображаемых на экране в реальном времени, при помощи следующих средств создания MMI: объектно-ориентированная графика; широкий набор элементов визуализации; динамические объекты, созданные при помощи анимационных эффектов и , , ; -
екты (содержат значения параметров объектов в реальном времени); конструирование изображений и изменение конфигурации MMI по желанию пользователя.
Информация, поступающая с объектов, фиксируется в ОБД. Алгоритмы об, ,
, -ческого контроля параметров объектов. Обработка данных другими приложениями осуществляется с помощью механизма DDE, что позволяет представлять информацию в виде таблиц и диаграмм.
Отображение трендов реального времени и предыстории служит для отображения поведения параметров объектов в виде графиков в реальном времени, что позволяет оценить взаимосвязи протекающих процессов, а также их предыстории на качественном уровне. Для подготовки протоколов и отчетов информация из ОБД может быть передана в офисные приложения с помощью механизма SQL/ODBC. Диалог создания или модификации терминальных устройств является частью ММ1, обеспечивающего интерактивный доступ к ОБД для создания и модификации состава ТУ, обслуживаемых системой. Диалог позволяет осуществлять ввод/исключение объектов, изменение состава датчиков.
Состав оборудования и программного обеспечения базового уровня определяется задачами численного моделирования. На базовом уровне необходимо предоставить исследователям возможность использовать различные модели [3,4].
Структура комплекса технических средств распределенной системой сбора и обработки физических и химических параметров водной среды изображена на . 2.
, , создания реального программно-аппаратного комплекса.
Предусмотрены следующие этапы разработки: информационное обеспечение;
; ; -ние; пусконаладочные работы; проведение опытной эксплуатации системы. В первой очереди пусконаладочных работ (до сентября 2003 года) предполагается использовать на терминальном уровне только устьевые станции. Вторая очередь предусматривает пусконаладочные работы на экспедиционном уровне (до сентября 2004).
Базовый уровень
L
Рис.2. Структура комплекса технических средств системы
Заключительный этап предусматривает динамическую отладку системы в целом (до октября 2005).
ЛИТЕРАТУРА
1. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Т.5. Азовское море. СПб.: Гидрометео-издат, 1991.
2. Ежегодник качества морских вод по гидрохимическим показателям за 1991 год. Обнинск: ВНИИГМИ_МЦД, 1992.
3. Заславский Б.Г., Полуэктов РА. Управление экологическими системами. М.: Наука. 1988.
4. A.I. Sukhinov, V.S. Vasiliev. Tree-dimensional models for shallow water basins and its finite-difference realization. Proc. of the 3rd International Conference FDS2000, September 1-4, 2000, Palanga, Lithuania, Finite difference schemes: theory and applications. Vilnius: IMI, 2000. p.227-235.
