CC BY
38
В. П. Потапов
д-р техн. наук, директор Института вычислительных технологий СО РАН (Кемеровского филиала)
Е. Л. Счастливцев
д-р техн. наук, заведующий кафедрой Института вычислительных технологий СО РАН (Кемеровского филиала)
О. Л. Гиниятуллина
канд. техн. наук, научный сотрудник Института вычислительных технологий СО РАН (Кемеровского филиала)
И. Е. Харлампенков
ведущий специалист Института вычислительных технологий СО РАН (Кемеровского филиала)
В. П. Баскаков
канд. техн. наук, генеральный директор ОАО «НЦ ВостНИИ»
И. А. Реутов
генеральный директор ООО «СибЭнергоУголь»
М. А. Попова
главный специалист по экологии ООО ХК «СДС-Уголь»
Н. В. Шитушкина
главный специалист по экологии ООО «СибЭнергоУголь»
УДК 522.88
СОЗДАНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДИНАМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА И ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ
Рассматриваются современная организация информационных потоков и взаимодействие модельных комплексов с данными дистанционного зондирования земли в информационно-вычислительной системе для динамического мониторинга, оценки и прогноза состояния природной среды в районах интенсивной добычи угля.
Ключевые слова: ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА, МОДЕЛИ, БАЗЫ ДАННЫХ, МОНИТОРИНГ, ПРИРОДНАЯ СРЕДА, ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ, ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ
Влияние угольной промышленности на экологию носит многоплановый, длительный и комплексный характер. Комплекс работ по добыче угля вызывает геомеханические, гидрологические, химические, физико-механические и термические изменения.
В настоящее время воздействие горного производства на окружающую среду вышло далеко за пределы горных (земельных) отводов предприятий, что превращает локальную экологическую проблему угледобывающего или угле-перерабатывающего предприятия в региональную геоэкологическую [1].
В связи с этим значительный интерес пред-
ставляет оценка воздействия на окружающую природную среду не только отдельного объекта горного производства, но и всего комплекса производств, расположенных в данном районе [2] за счет системы наземного и дистанционного мониторинга.
Действующая система мониторинга угольной промышленности Кузбасса в целом практически не использует современных подходов к мониторингу природных сред, направлена на контроль ряда экологических параметров точечного характера и не позволяет обеспечить пространственного представления оценки и прогноза геоэкологического состояния угледобы-
вающих районов. В работе освещены некоторые основные вопросы создания нового методологического аппарата мониторинга, оценки и прогноза геоэкологической ситуации на базе современных информационных технологий и модельных комплексов.
Общепризнано, что зоной воздействия техногенного объекта является территория вокруг промышленного предприятия, в пределах которой распространяется его влияние на окружающую среду, что выражается в ухудшении состояния воздушной, водной и геологической среды (загрязнение, нарушение баланса вод, естественного ландшафта и т. д.) [3].
Каждый вид воздействия по степени амплитуды отклонений от нормы оценивается как сильный, умеренный или слабый, по периодичности - кратковременный, периодический, долговременный. Относительно географических масштабов происходит разделение на локальные, региональные и глобальные виды воздействия.
Нарушенные территории расположены в различных геоморфологических условиях и могут по-разному влиять на окружающие естественные ландшафты, а влияние может распространяться на разные расстояния. Поэтому в настоящей работе рассмотрены вопросы информационного обеспечения динамического мониторинга и оценки, различных техногенно нарушенных территорий на участки с ненарушенными экосистемами, по-разному сопряженные между собой.
Разработана интегрированная инфор-
мационно-вычислительная система для динамической оценки экологического состояния угледобывающего района (далее - система), в составе которой (рис. 1):
1. Облачный сервис (Google App Engine).
2. Сервис аутентификации (Google Users
API).
3. Картографический сервис (Google Map API, Веб-сервер Apache).
4. Сервис баз данных (MySQL, PostgreSQL).
5. Расчетные сервисы (Java-сервлеты).
Облачный сервис представляет собой особую клиент-серверную технологию - использование клиентом ресурсов (процессорное время, оперативная память, дисковое пространство, сетевые каналы, специализированные контроллеры, программное обеспечение и т. д.) группы серверов в сети, взаимодействующих таким образом, что:
• для клиента вся группа выглядит как единый виртуальный сервер;
• клиент может прозрачно и с высокой гибкостью менять объемы потребляемых ресурсов в случае изменения своих потребностей (увеличивать/уменьшать мощность сервера с соответствующим изменением оплаты за него).
При этом наличие нескольких источников используемых ресурсов, с одной стороны, позволяет повышать доступность системы клиент-сервер за счет возможности масштабирования
Рисунок 1 - Интегрированная информационно-вычислительная система для динамической оценки экологического состояния угледобывающего района
при повышении нагрузки (увеличение количества используемых источников данного ресурса пропорционально увеличению потребности в нем и/или перенос работающего виртуального сервера на более мощный источник, «живая миграция»). С другой - снижает риск неработоспособности виртуального сервера в случае выхода из строя какого-либо из серверов, входящих в группу, обслуживающую данного клиента, так как возможно автоматическое переподключение виртуального сервера к ресурсам резервного.
Технологическим ядром системы служит среда Google App Engine, позволяющая создавать веб-приложения с помощью стандартных технологий Java и выполнять их на масштабируемой инфраструктуре Google. Среда Java представляет виртуальную машину Java 6 (JVM), интерфейс Java-сервлетов и поддержку стандартных интерфейсов для масштабируемого хранилища данных и служб App Engine, таких как JDO, JPA, JavaMail и JCache. Поддержка стандартов упрощает разработку приложения и делает понятным портирование приложения как из собственной среды сервлетов, так и в нее.
В качестве средств разработки используется свободно распространяемое ПО - плагин Google для Eclipse, который добавляет в Eclipse IDE для проектов App Engine новые мастера проектов и конфигурации отладки. Благодаря Google Web Toolkit (GWT) App Engine для Java существенно упрощает разработку и развертывание веб-приложений международного уровня. Плагин Eclipse связан с App Engine и SDK GWT. App Engine выполняет приложения Java с помощью виртуальной машины Java 6 (JVM). SDK App Engine поддерживает Java 5 или более поздние версии. JVM Java 6 также может использовать классы, скомпилированные с помощью компилятора любой версии до Java 6. App Engine использует для веб-приложений стандарт Java Servlet, который является связующим звеном всех компонентов системы. В стандартной структуре каталогов WAR представляет классы сервлетов, приложения, страницы JavaServer (JSP), статические файлы и файлы данных вместе с дескриптором развертывания (файл web. xml) и другими файлами конфигурации. App Engine выполняет запросы, вызывая сервлеты в соответствии с дескриптором развертывания. JVM работает в защищенной среде, что позволяет изолировать приложение в целях обслуживания и безопасности. Среда позволяет удостовериться, что приложения могут выполнять только действия, не влияющие на производительность и масштабируемость других приложений.
Сервисом аутентификации предоставляется безопасный доступ к конфеденциальной информации, который обеспечивается за счет средств Google Users API. Платформа Google App Engine имеет тесную интеграцию с аккаунтами Google: приложения позволяют пользователям авторизоваться с помощью их существующих google аккаунтов, помогая быстрее приступить к работе с приложением, не регистрируясь еще раз специально на сайте, а разработчик получает возможность персонализировать приложение. Приложения App Engine может перенаправить пользователя на страницу входа и регистрации или позволить ему выйти из аккаунта. После того, как пользователь проходит авторизацию, приложение может получить доступ к адресу его электронной почты и указанному псевдониму. Также есть возможность определить, является ли пользователь администратором приложения, имеет ли доступ в ограниченные разделы сайта, что позволит создать систему управления сайтом. Вид сервиса входа в систему представлен на рисунке 2.
Картографический сервис, предоставляющий возможность визуализировать предметную информацию на картах-подложках, включая Google, программно разделен на две части: публичную и закрытую. В публичном доступе используется технология Google Maps API, предоставляющая открытый интерфейс функций по работе с картами Google. Данный функционал используется для картографических расчетов и координатной привязки закрытой информации как из данного сервиса, так и из сервисов баз данных и расчетных сервисов. Технология позволяет связать карты Google с конкретным вебсайтом посредством уникального API-ключа. Объекты прикладного интерфейса содержат методы для подгрузки сторонних карт в формате KML/KMZ. Хостинг KML/KMZ-ресурсов расположен на веб-сервере Apache.
В системе разработаны и представлены следующие тематические карты:
• мониторинга поверхностных вод;
• мониторинга подземных вод;
• мониторинга снегового покрова;
• типов почв (рис. 3);
• типов ландшафтов (совмещенная с растительным покровом (рис. 4);
• нарушенных земель;
• редких и исчезающих видов растительности.
Сервис баз данных полностью базируется
научно-технический журнал № 1-2014
ВЕстниК
ИИ ВС ДОЭС Ksprj
I? Ч-VScvi
г GoogitHybnd
ял ict-?;1 '
uouu
»цлчмиг «ми^чи ОТ ПИК по ^итэн
' КЩННЫНи|Г| МНвПОвИЛ I Окмтш* спим ■ g«tg»
1 П4и|ц I' Pl£Tl'T*".-«Tl
ш
Рисунок 2 - Главное меню интегрированной информационно-вычислительной системы
на компонентной модели используемых СУБД. Открытый продукт MySQL предназначен для хранения текстовой информации, в том числе и расчетной, и доступа к ней, а PostgreSQL с поддержкой объектной модели PostGIS -картографической информации.
В системе представлены базы данных:
• почвенного покрова (рис. 5);
• растительного покрова;
• водных ресурсов;
• объектов выбросов загрязняющих ве-
ществ в атмосферу.
Расчетные сервисы содержат программную логику математических моделей предметной области, реализованной на базе технологий RPC, и разрабатываются в виде Java-сервлетов, что позволяет интегрировать их с любым из описанных выше сервисов системы [4] (рис. 6).
В настоящей системе реализованы модели оценки выбросов и распространения загрязняющих веществ в атмосферу; выпадения промышленных аэрозолей на подстилающую
Рисунок 4 - Карта-схема ландшафтов, связанная с базой растительного покрова
■ЫБСЛОХ
Рисунок 5 - Взаимодействие карты-схемы почвенного покрова с базой данных
поверхность; распространения и выпадения загрязняющих веществ на поверхность при промышленных взрывах с учетом реальной розы ветров (рис. 7); качества поверхностных и подземных вод.
Расчетный модуль системы позволяет вычислять среднегодовые и максимально разовые концентрации выбросов загрязняющих веществ как от всех источников (включая прилегающие предприятия, жилой и промышленный сектора населенных пунктов и городов), так и от конкрет-
ного предприятия (объекта аэропромвыбросов).
Помимо распространения и выпадения промышленных аэрозолей, важными факторами обеспечения безопасности населения являются оценки сотрясаемости (рис. 8) и шумового давления при массовых взрывах.
При помощи расчетного модуля водного блока производится расчет качества воды в точках мониторинга [3] (рис. 9).
Дистанционный мониторинг водных и растительных ресурсов обеспечивает надежный
166
Русунок 6 - Направления потоков информации в системе
контроль изменения качества природной среды по всей территории угледобывающего района.
Заключение
Впервые в Российской Федерации создан прототип интегрированной информационно-вычислительной системы для динамической оценки и прогноза экологического состояния угледобывающего района, обеспечивающей сбор и хранение данных по мониторингу природных ресурсов.
Разработанная система является ядром системы управления качеством окружающей среды не только одного отдельно взятого предприятия, но и угледобывающего района и региона в целом.
Оценка экологического состояния земель-
ных, растительных, водных ресурсов и атмосферного воздуха, а также прогноз атмосферных загрязнений и выпадения атмосферных аэрозолей на подстилающую поверхность производятся за счет интеграции и обеспечения информационной поддержки данных наземного и дистанционного мониторинга.
В системе впервые решена задача оценки распространения и выпадения промышленных аэрозолей вследствие массовых взрывов при добыче угля в режиме реального времени. Данные о метеопараметрах могут поступать с «Системы измерения метеорологических параметров атмосферы «СИМПА-2И» как в режиме ручного наблюдения, так и в автоматизированном режиме, что позволяет достичь высокой точности расчетов выброса и распространения загрязняющих веществ на прилегающие территории.
Система является открытой и может пополняться новыми картами, базами и расчетными моделями, первоочередными из которых, помимо реализованных, могут стать модели распространения звуковой (или ударной) волны, загрязняющих веществ в водотоке и другие.
Обеспечивается доступ к экологической информации о деятельности отдельного угледобывающего предприятия или угледобывающего района не только специалистов различных экологических и технических служб различного уровня, но и широкой общественности, при этом сохраняется требования по нераспространению служебной информации.
Рисунок 7 - Работа модуля оценки распространения и выпадения промышленных аэрозолей при массовом взрыве
Рисунок 9 - Модуль оценки качества вод в точках мониторинга
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Потапов, В. П. Геоэкология угледобывающих районов Кузбасса / В. П. Потапов, В. П. Мазикин, Е. Л. Счастливцев, Н. Ю. Вашлаева. - Новосибирск: Наука, 2006. - 600 с.
2. Счастливцев, Е. Л. Обоснование путей повышения экологической безопасности при добыче угля / Е. Л. Счастливцев [и др.]; отв. ред. В. Н. Опарин; Рос. акад. Наук, Сиб. Отд-ние, Ин-т горного дела [и др.] // Пути повышения эффективности и экологической безопасности открытой добычи твердых полезных ископаемых. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2010. - С.179-224.
3. Ковалев, В. А. Мониторинг состояния природной среды угледобывающих районов Кузбасса / В. А. Ковалев, В. П. Потапов, Е. Л. Счастливцев. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2013. - 312 с.
4. Опарин, В. Н. Мониторинг загрязнений водного бассейна районов активной угледобычи с использованием данных дистанционного зондирования / В. Н. Опарин, В. П. Потапов, О. Л. Гиниятуллина,
168
Н. В. Андреева // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2012. - № 5. -С.181-188.
5. Словарь терминов и определений по охране окружающей среды, природопользованию и экологической безопасности / под ред. Д. А. Голубева, Н. Д. Сорокина. - СПб., 2001.
6. Научная библиотека КиберЛенинка. - Режим доступа : http://cyberleninka.ru/article/n/zony-tehnogennogo-vozdeystviya-teplovyh-elektrostantsiy#ixzz2zsasVbll
CREATION OF DATA-PROCESSING Потапов Вадим Петрович
SYSTEM FOR DYNAMIC MONITORING AND THE е-mail: [email protected]
STATE ASSESSMENT OF THE ENVIRONMENT.
V. P. Potapov, E. L. Schastlivtsev, Счастливцев Евгений Леонидович
O. L. Giniyatullina, I. E. Harlampenkov, е-mail: [email protected]
V. P. Baskakov, E. A. Reutov, M. A. Popov,
N. V. Shitushkina Гиниятуллина Ольга Леоновна
The modern organization of information е-mail: giniyatuШ[email protected]
streams and interaction of model complexes with
data of remote sensing of the earth in information Харлампенков Иван Евгеньевич
system for dynamic monitoring, an assessment and е-mail: [email protected]
the forecast of a condition of environment in areas
of intensive coal mining are considered. Баскаков Владимир Петрович
Key words: INFORMATION SYSTEM, е-mail: [email protected]
MODELS, DATABASES, MONITORING,
ENVIRONMENT, EARTH REMOTE Реутов Игорь Алексеевич
SENSING, ASSESSMENT, CONDITION OF
ENVIRONMENT Попова М. А.
Шитушкина Наталья Викторовна
е-mail: [email protected]
169
