Организация и функционирование геоинформационной системы экологического мониторинга на основе распределенных вычислений Текст научной статьи по специальности «Математика»

№ 6(30) 2010

Н. В. Белянина, С. А. Серовиков

Организация и функционирование геоинформационной системы экологического мониторинга на основе распределенных вычислений

В статье рассмотрены средства для организации и функционирования геоинформационной системы (ГИС) экологического мониторинга на основе распределенных вычислений. Представлены математическая модель, алгоритмическое обеспечение ГИС и инструментарий для разработки приложения. Выбрана аппаратная концепция функционирования системы.

Введение

При оценке экологического состояния городской среды одним из доминирующих показателей является уровень загрязнения воздуха выбросами автомобильного транспорта. Это связано, во-первых, с тенденцией увеличения автотранспорта вдвое за каждые 3-5 лет (в крупных городах) [1]; во-вторых, данный вид транспорта относится к подвижным источникам загрязнения и осложняет внедрение технических средств защиты; в-третьих, низкое пространственное положение источника загрязнения от земной поверхности приводит к тому, что отработанные газы автомобилей скапливаются в зоне дыхания людей, слабее рассеиваются ветром по сравнению с промышленными выбросами и негативно сказываются на здоровье. Также согласно данным Научно-исследовательского института нормальной физиологии им. П. К. Анохина, в Москве 92-95% загрязнения воздуха дает автомобильный транспорт, а прочие отходы хозяйственной деятельности состав-ляютлишь 7% [2]. По экспертным оценкам, более чем в 150 городах России именно автотранспорт оказывает преобладающее влияние на загрязнение воздушного бассейна [2].

Поэтому наиболее актуальны системы экологического мониторинга, отслеживающие концентрацию выброса загрязняющих веществ (ЗВ) от автотранспорта. Для оздоровления экологической обстановки необходимо создание системы экологической защиты, включающей решение задач по осуществлению мониторинга воздушной среды, оперативному обнаружению текущего изменения состояния выбросов в атмосферу, прогнозу их распространения в пространстве и выявлению мест повышенной концентрации вредных веществ с целью принятия обоснованных административных решений по санитарно-гигиеническим, проектно-тех-ническим и другим мероприятиям.

Проведенный анализ и сравнительная оценка существующих на рынке геоинформационных мониторинговых систем (ГИМС) [3] показали, что ни одна из них не обладает возможностью взаимодействия с другими приложениями и внешними техническими устройствами, осуществляющими регулирование транспортного движения с целью минимизации вреда, наносимого населению, и не отвечает в полной мере требованиям открытости программных кодов мониторинговых систем.

Таким образом, возникает необходимость создания ГИМС-приложения, которое по-

№ 6(30) 2010

зволит совмещать процедуры визуализации и расчета значений концентраций ЗВ, что в свою очередь даст возможность оценить уровень экологической опасности рассматриваемой ограниченной территории и выработать предложения по его снижению.

Поскольку получение информации о мощностях выбросов ЗВ для города требует высоких вычислительных мощностей, предполагается разбить городские автомагистрали и прилегающую к ним территорию на отдельные участки, в которых мощности выбросов ЗВ будут рассчитываться параллельно, на отдельных компьютерах, соединенных в общую распределенную систему. Но в рамках данной работы рассматривается отдельный участок дороги г. Белгорода длиной в 1000 м — перегон между перекрестками ул. Студенческая и ул. Мичурина каклинейный источникзагрязнений и примыкающий к нему перекресток просп. Богдана Хмельницкого и ул. Мичурина как точечный источник. Линейный источник загрязнений, согласно применяемой методике, разбит на 10 равных участков длиной по 100 м. Расчет мощности выбросов ЗВ в этих участках и на перекрестке производится параллельно. Общий результат представляет собой совокупность мощностей выбросов ЗВ с учетом воздействия ветра на распространение полей загрязнения.

Данный участок выбран по следующим причинам:

1) автодорога на просп. Богдана Хмельницкого является главной «артерией» города;

2) по автодороге через ул. Студенческую проезжает основная масса грузового автотранспорта.

Следовательно, выбранный участок — одна из наиболее экологически опасных зон города.

В настоящее время в Белгороде действуют всего четыре стационарных поста, оценивающих экологическую обстановку, что является недостаточным для получения даже обобщенной картины о загрязнении атмосферы. При этом собранные данные ис-

пользуются исключительно как статистические и не задействованы в прогностических алгоритмах. Поставленную задачу возможно решить только путем разработки и внедрения автоматизированной системы экологического мониторинга.

В статье рассмотрена организация ГИМС на основе распределенных вычислений, оценивающая уровень загрязнения выбросами автомобильного транспорта в приземном слое атмосферы города.

Проектирование ГИМС-приложения

Существует множество различных классификаций систем экологического мониторинга в зависимости от среды наблюдения, источников загрязнения, факторов воздействия и т.д. Разработанное приложение представляет собой систему атмосферного экологического мониторинга точечных и линейных источников загрязнения, а также химических факторов воздействия. По характеру обобщения информации данное приложение можно считать системой импактного мониторинга.

Для осуществления экологического мониторинга атмосферы в условиях городской среды недостаточно разработки самостоятельной автоматизированной системы, поскольку формирование картины экологической обстановки в городе существенно зависит от характера застройки, транспортной сети и т.п. Поэтому качественное экологическое освидетельствование местности должно опираться на реальную градостроительную и архитектурную документацию, актуализированную на современных топографических картах в цифровом формате, выполненных геодезическими и архитектурными организациями.

В качестве такой документации выступает информационная система обеспечения градостроительной деятельности (ИСОГД) [4], представляющая собой систематизированный свод документированных сведений:

1) документы территориального планирования города;

№ 6(30) 2010

2) правила землепользования и застройки;

3) геодезические и картографические материалы;

4) судебные дела о застроенных и подлежащих застройке земельных участках;

5) иные предусмотренные законодательством документы и материалы.

Сведения ИСОГД являются открытыми и общедоступными. Органы местного самоуправления предоставляют их по запросам органов государственной власти, различных физических и юридическихлиц.

Таким образом, выделение ИСОГД как обособленной структуры позволит на ее базе реализовать в действующем правовом поле систему экологического мониторинга атмосферы города, которая даст возможность своевременно формировать предложения, направленные на улучшение экологической обстановки, а также осуществлять контроль загрязнения атмосферы в режиме реального времени.

В качестве инструментария для создания приложения выбрана ГИС «Карта 2008», имеющая следующие преимущества:

1) позволяет разрабатывать собственные приложения. По сравнению с другими ГИС, обеспечивающими разработку собственных приложений, отличается наличием более мощного инструментария;

2) поддерживает большинство популярных на сегодняшний день объектно-ориентированных языков программирования высокого уровня;

3) проста в освоении и использовании, с более низкой стоимостью системы;

4) наличие со стороны разработчиков всесторонней, бесплатной технической поддержки.

Вышесказанное делает ГИС «Карта 2008» лучшей в категории соотношения цена/качество.

Исходными данными для расчета распространения полей загрязнения являются мощности выбросов ЗВ от автотранспорта на городских магистралях г. Белгорода. Для получения этих данных использо-

валась методика Министерства транспорта РФ [5, 6], согласно которой мощность выбросов в окрестности автомагистралей зависит от интенсивности и скорости движения, типа автотранспорта. Участок автомагистрали между перекрестками представляет собой линейный источник загрязнения, прилегающие перекрестки — точечный источник загрязнения.

Предполагается, что натурные данные экспериментов должны дополняться и обновляться посредством применения контрольно-измерительной аппаратуры, установленной на автомагистралях, в режиме реального времени.

Для оценки концентраций компонентов транспортных выбросов в атмосфере используются модели расчета турбулентной диффузии различной степени сложности, которые учитывают влияние на рассеивание загрязнений различных природно-кпимати-ческих факторов, а также рельефа местности, застройки территории, характеристик подстилающих поверхностей, процессов, происходящих в атмосфере, и т.д.

Построенная математическая модель [7], описывающая перенос полей загрязнения в атмосфере, включает и учитывает:

1) вывод основного прогностического уравнения;

2) преобразование примесей в атмосфере;

3) скорость ветра;

4) переход от точечного источника к линейному;

5) усреднение концентраций;

6) интегрирование прогностических уравнений.

В общем случае задача нахождения концентрации вещества при заданных начальных условиях решается на основании уравнения диффузии:

да да да да —+и—+= ЭГ Эх ду дг

=Чкдл V-

Эх ^ х Эх ) ду

, У ЭУ

I ^

(1)

30

ПРИКЛАДНАЯ ИНФОРМАТИКА /-

1 № 6(30) 2010

где q — среднее значение (математическое ожидание) концентрации примеси; кх, ку, к1— составляющие коэффициента турбулентного обмена; и, V, и/— компоненты средней скорости перемещения примеси; а — коэффициент, характеризующий источники и стоки примеси [8].

Исходя из уравнения (1) и его аналитического решения, построена система уравнений, представляющая собой основное прогностическое уравнение [7].

При математическом описании атмосферной диффузии газовых примесей с учетом их трансформации в процессе фотохимических реакций используется уравнение (1), в котором распад и образование примеси учитываются с помощью слагаемых а(д( [8], где q¡ — концентрация /'-го ингредиента, поскольку скорость изменения концентрации пропорциональна самой концентрации. Коэффициент а, связан с константами скоростей реакций и зависит от концентраций других примесей, участвующих в реакции.

При прогнозе загрязнения воздуха основной интерес представляет определение ожидаемых концентраций в приземном слое воздуха толщиной до 100 м. Как установлено многочисленными исследованиями [8], одной из значимых характеристик этого слоя является сохранение в нем по высоте вертикальных потоков тепла и количества примесей ЗВ и влаги. Для него свойственно значительное изменение с высотой скорости ветра, температуры и турбулентности.

Один из главных результатов исследований (в них приводится большое число моделей и формул для определения коэффициента обмена кг и скорости ветра и в приземном слое атмосферы [9]) построения моделей определения коэффициента турбулентной диффузии состоит в том, что в приземном слое воздуха до уровня г = Л коэффициент обмена возрастает пропорционально высоте z (к1 ~ к1 г/г^) [8].

В непосредственной близости к подстилающей поверхности можно приближенно

принять в качестве предельного значения кг при г = 0 значение коэффициента молекулярной диффузии для воздуха V.

Таким образом, для расчета концентрации примеси практически достаточно полагать [8], что:

kz = V + к1 zjz^ при z < h\ (3)

kz = v + к1 h¡z^ при z > h, (4)

где z0 — шероховатость подстилающей поверхности.

Окончательная система уравнений, решение которой позволяет учесть скорость ветра, представлена в [7].

В реальных условиях выброс примесей в атмосферу от потоков автомашин можно рассматривать как выброс линейного источника либо совокупности движущихся точечных источников.

Переход от концентрации q для точечного источника к концентрации qfl для линейного источника определяется по формуле:

Í-2

q„ (х, у, z) = J q( ху ')d л = L (5)

J q(a' - ^ sin p,b' cos P)d r|,

L,

где ^ — отрезок переменной длины на интервале ( ).

Результаты воздействия загрязнения атмосферы на окружающую среду определяются не только концентрациями примесей, но и продолжительностью их воздействия [8]. Поэтому важным аспектом при вычислении концентраций ЗВ является вопрос о продолжительности интервала времени, к которому будут относиться рассчитанные по уравнению диффузии значения, а при экспериментальном определении концентра-

№ 6(30) 2010

ции — время отбора проб. В зависимости от свойств примесей и длительности их действия устанавливаются соответствующие предельно допустимые концентрации (ПДК).

Влияние периода осреднения концентраций исследуется на основе решения исходного уравнения с одновременным учетом осреднения его коэффициентов. Однако на практике при анализе процессов турбулентной диффузии целесообразно сначала выполнить осреднение составляющих коэффициента обмена и скорости ветра.

Итоговое уравнение, позволяющее учесть осреднение концентраций, имеет следующий вид:

Я = %.о 1 (У)-

(6)

Приближенно для достаточно больших х получим:

1 2к,

1 (*■ У) = — е

Фо

У

(±а 2ф§х2

X

(7)

Полная система уравнений, которая позволяет учесть осреднение концентраций, представлена в [7].

Конечные расчетные уравнения, полученные в результате интегрирования основных прогностических уравнений, имеют вид:

М

Я(х,У )=

п}к1

ехр

а 1

~а'-ц*\п(Р)" 2-фЦ

а'—лэ1п(Р)

■бц

для линейного источника загрязнений;

М

(8)

х,У)=

ехр

п)- к1

С X X? ч

а 1 (Ь'л

(9)

а' 2-фд Уа'

И

для точечного источника загрязнений,

где р — угол между направлением ветра и осью, перпендикулярной по отношению к прямой, содержащей линейный источник загрязнения; М — выброс веществ от источника в единицу времени; п — показатель степени, связывающий между собой вертикальную составляющую коэффициента диффузии и высоту над подстилающей поверхностью, п = 0,15-0,2; к1 —коэффициент пропорциональности, связывающий между собой вертикальную составляющую коэффициента диффузии и высоту над подстилающей поверхностью (вычисляется применением соответствующих формул [9]); Ф0— дисперсия направления ветра за интервал осреднения значений концентраций вредных веществ; Ц,Ц, — границы интегрирования.

К ограничениям и допущениям, принимаемым при построении системы экологического мониторинга, в соответствии с поставленными задачами относят:

1. Ограничения по площади и месторасположению рассматриваемого участка города.

2. Ограничения по типу и масштабу применяемых электронных карт. Результаты расчетов представлены на электронных векторных топографических картах масштаба 1:10000.

3. Ограничения по шагу сети реперных точек, в которых осуществляется расчет приземной концентрации ЗВ. Рекомендуемый шаг сети реперных отметок зависит от масштаба картографического материала, применяемого для визуализации расчетных оценок полей концентраций ЗВ. Для получения наиболее качественных результатов следует задавать шаг сети реперных отметок, равный 4 м.

4. Ограничения по значениям, получаемым в результате моделирования расчетных оценок концентраций ЗВ. В зависимости от входных параметров эти значения могут варьироваться в диапазоне от 0 до нескольких десятков ПДК, установленной для рассматриваемого ЗВ.

32

№ 6(30) 2010

БД

Таблица параметров мониторинга

ГИМС-приложение

(^^Начало^^) 1

Открытие электронной карты города

1

Добавление к проекту пользовательской векторной карты

1

Запрос информации о параметрах окружающей среды

1

Перерасчет значений концентраций вредных веществ в узлах сети

реперных отметок с учетом новых данных

ГИС «Карта» 1 о §

Растровое представление расчетной оценки приземной

концентрации вредных со < со а*

веществ в соответствии с принятой шкалой

концентраций |

+ * Щ

Визуализация результатов из СО

мониторинга эё

на трехмерной карте

рассматриваемого участка

города

Расчет значений концентраций вредных веществ в узлах сети реперных отметок

Нанесение сети реперных отметок на пользовательскую карту

Запуск таймера обратного отчета времени

Запрос информации

о параметрах окружающей среды

С

Выдача информационного сообщения об успешном завершении текущего сеанса мониторинга

-т/

Рис. 1. Алгоритм функционирования программного комплекса

33

№ 6(30) 2010

5. Допущения, определяемые выбранной математической моделью распространения полей концентраций ЗВ.

В обобщенном виде разрабатываемое ГИМС-приложение — это совокупность отдельных модулей, интегрированных в единую программную оболочку. Принцип модульности предполагает процесс синтеза ГИМС-приложения как совокупности связанных компонент, допускающих их относительно независимую разработку и использование. На рисунке 1 представлен алгоритм функционирования ГИМС-приложения совместно с ГИС «Картой 2008» [10].

Программный комплекс состоит из нескольких приложений. Это обусловлено тем, что используемые библиотеки MPIC и Gis-ToolKit несовместимы с Borland Delphi и Visual С++ соответственно.

Приложение базы данных (БД) разработано в среде программирования Visual С++ (рис. 2). Оно производит расчет распространения выбросов ЗВ в приземном слое атмосферы города с применением построенной математической модели. Расчет значений для каждого участка рассматриваемой тер-

Рис. 2. Главное окно программы базы данных

ритории проводится параллельно. Для реализации распределенных вычислений используется библиотека MPIC [11]. Приложение позволяет производить почасовые расчеты, среднесуточные и с периодичностью, задаваемой пользователем.

Приложение, реализующее работу с картографическим материалом, разработано в среде программирования Borland Delphi с применением набора компонент GisTool-Kit [12], входящего в состав ГИС «Карта 2008» (рис. 3). Данное приложение выполняет следующие функции:

Рис. 3. Главное окно программы, реализующей работу с картографическим материалом

34

№ 6(30) 2010

Рис. 4. Растровые представления среднесуточных расчетных оценок приземной концентрации вредных веществ

а) открывает векторную карту рассматриваемого участка города;

б) создает пользовательскую векторную карту и отображает ее совместно с картой исследуемого участка города;

в) открывает файл результатов расчета;

г) наносит на пользовательскую карту реперные отметки, содержащие в качестве семантической характеристики значения выбросов ЗВ.

При разработке программного комплекса использовалась С1зТоо1К1г версии 7.8.2. Данная версия не предоставляет инструментария для построения в пользовательских приложениях растров качеств, поэтому визуализацию результатов расчета приходится проводить средствами ГИС «Карта 2008».

Растровые представления среднесуточных расчетных оценок приземной концентрации вредных веществ показаны на рис. 4.

Располагая полной информацией о состоянии загрязнения атмосферы выбросами от транспортных средств и наложив результаты моделирования выбросов предприятий на электронную карту города, с помощью адаптированной ГИС получаем электронные карты концентраций для различных загряз-

няющих веществ, которые могут быть использованы при решении задач экологической защиты населения и корреляционной связи различных видов заболеваний с местами постоянного проживания.

С точки зрения аппаратных средств организации распределенных вычислений выбрана система вычислительных кластеров параллельных вычислений [13]. Это обусловлено следующими причинами:

1) кластер может собрать и поддерживать небольшая лаборатория;

2) стоимость кластерных решений значительно ниже стоимости традиционных суперкомпьютеров;

3) для построения данных систем, как правило, используются массовые процессоры, стандартные сетевые технологии и свободно распространяемое программное обеспечение.

В [14] рассмотрена структура системы автоматизированного мониторинга и обоснован выбор подходящей конфигурации. Система автоматизированного мониторинга экологической ситуации предполагает создание новых и модернизацию действующих стационарных и мобильных контрольно-измерительных постов. Стационарные контрольные посты снабжаются одноком-понентными газоанализаторами непрерывного действия серии ИГС-98. Мобильные контрольные посты планируется снабжать многокомпонентными переносными газоанализаторами 1Р7000.

Заключение

Полученные результаты исследования не предполагают достижения прямого экономического эффекта, достигается только целевой эффект. Разработанное пользовательское приложение на базе ГИС позволяет рассчитать и спрогнозировать уровень загрязнения приземного слоя атмосферы города выбросами от автотранспорта, а количественные и качественные результаты расчетов используются для выработки рекомендаций по снижению экологической на-

№ 6(30) 2010

1 I

со й

I

§

¡1 и

а £

о £

о

I

£

§

е $

¡5

I

I е

I

48

0

1

0

и

1

I

0

е

1

со о

и

0

1

I

<0

I

грузки на атмосферу. Система не включает деятельность по управлению качеством среды, но является источником необходимой для принятия экологически значимых решений информации.

В ходе исследований получены следующие основные результаты:

1) рассмотрены роль системы экологического мониторинга и ее место в информационном пространстве города;

2) построена математическая модель расчета значений концентрации ЗВ от автотранспортных выбросов и описания распространения полей загрязнений в приземном слое атмосферы;

3) разработано алгоритмическое обеспечение проектирования ГИС экологического мониторинга на основе распределенных вычислений;

4) разработано ГИМС-приложение, позволяющее проводить расчет значений концентрации ЗВ в атмосфере и визуализацию полей концентраций на цифровой карте города;

5) рассмотрена аппаратная концепция реализации системы экологического мониторинга.

Описок литературы

1. Паращук Е. М., Прокопенко М. Н. Современный уровень мониторинга загрязнений от автотранспорта. В кн.: Белгородский филиал СГА. Сборник научных трудов. Вып. 8. Белгород, 2004.

2. Денисова В. В. Промышленная экология. Ростов н/Д: Феникс, ИКЦ «МарТ», 2009.

3. Серовиков С. А. Геоинформационные системы. В кн.: Гуманитарные науки. Сборник работ магистрантов, аспирантов и преподавателей Белгородского филиала СГА. Вып. 13. Белгород, 2009.

4. Градостроительный Кодекс Российской Федерации от 29 декабря 2004 г. № 190-ФЗ.

5. Методика расчетов выбросов в атмосферу загрязняющих веществ автотранспортом на городских магистралях. М.: Министерство транспорта РФ, 1996.

6. Серовиков С. А. Выбор метода оценки выбросов загрязняющих веществ транспортными потоками при движении автомобилей по городским

магистралям //Технические науки. Т. 2. «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2009». Одесса: Черноморье, 2009.

7. Серовиков С. А. Моделирование распространения загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы города // Современные достижения в науке и образовании: математика и информатика. Материалы международной научно-практической конференции, 1-5 февраля 2010 г. Архангельск: КИРА, 2010.

8. Берлянд М. Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1975.

9. Берлянд М. Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1985.

10. Серовиков С. А. Разработка алгоритмов, обеспечивающих функционирование системы экологического мониторинга // Вестник Воронежского государственного технического университета. Т. 5. № 12. Воронеж, 2009.

11. Серовиков С. А. Выбор средств и механизмов распределенного программирования для построения системы экологического мониторинга на основе распределенных вычислений // Инновационные подходы к применению информационных технологий в профессиональной деятельности. Сборник трудов второй международной научно-практической интернет-конференции Белгородского филиала НАЧОУ ВПО СГА. Белгород: ООО «ГиК», 2010.

12. Серовиков С. А. ГИС «Карта 2008», инструментарий для проектирования геоинформационной системы экологического мониторинга // Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте 2010». Т. 3. Технические науки. Одесса: Черноморье, 2010 г.

13. Белянина Н. В., Прокопенко М. Н., Серовиков С. А. Выбор программно-аппаратной концепции организации распределенной системы экологического мониторинга. В кн.: Информационные технологии. №6. М.: Изд-во «Новые технологии», 2010.

14. Перегуд Е. А., Быховская М. С., Гзрнет Е. В. Быстрые методы определения вредных веществ в воздухе. М.: Изд-во «Химия», 1970.

36