Современные информационные технологии/

2. Вычислительная техника и программирование

Серовиков С.А.

НАЧОУ ВПО Современная гуманитарная академия, Россия

Функционирование геоинформационной системы экологического мониторинга на основе распределенных вычислений

Разработка геоинформационных мониторинговых систем (ГИМС) является исключительно сложной, комплексной и многоплановой задачей. В ее решении важную роль играют экспериментальные методы исследования окружающей среды. Первостепенное значение при осуществлении таких экспериментов приобретают организация массового сбора информации об объекте исследования, оперативность ее обработки, и достоверная интерпретация данных наблюдений на основе аналитических и численных математических моделей, отвечающая целям системы мониторинга.

Разработанное ГИМС-приложение позволяет рассчитать значения концентраций загрязняющих веществ (ЗВ) от автотранспорта и распространения полей загрязнения в атмосферном воздухе в условиях города, и произвести визуализацию полученных результатов в удобном для пользователя виде [1].

Применяемая методика оценки выбросов ЗВ [2] предполагает решение лишь для ограниченных линейных или точечных источников загрязнения, а рассматриваемая территория, например город, состоит из множества таких источников, оказывающих не только аддитивное, но и мультипликативное влияние друг на друга. Поэтому автомагистрали города и прилегающая к ним территория разбивается на отдельные участки, ограниченного заданного пространства, для каждого из которых рассчитываются мощности выбросов ЗВ. Для решения подобных задач необходимо применение суперкомпьютеров [3].

Общая схема взаимодействия ГИМС с суперкомпьютером представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема связи ГИМС с ядром распределенной высокопроизводительной вычислительной системой

На сервере (рис. 1) установлена серверная часть ГИМС-приложения, осуществляющая расчет концентрации ЗВ на участке, выбранном пользователем, с учетом влияния соседней территорий. Расчет производится параллельно на суперкомпьютере. Для расчета концентраций компонентов транспортных выбросов в атмосфере с учетом влияния рассеивания ЗВ различных природно-климатических факторов, характеристик подстилающих поверхностей, процессов, происходящих в атмосфере и т.д., построена математическая модель [4].

У удаленного пользователя (рис. 1) установлена клиентская часть ГИМС-приложения, осуществляющая запрос о состоянии загрязнения для выбранного пользователем участка города и нанесение полученной от сервера информации о загрязнении на цифровую карту выбранного участка города.

В идеале, информация о метеоусловиях и мощностях выбросов вредных веществ от источников загрязнения должна собираться некоторыми измерительными станциями и передаваться по каналам связи на ЭВМ оператора. Полученные и переданные таким образом данные используются при расчете значений концентраций вредных веществ на заданном участке города. На данной стадии развития программного продукта, параметры расчета хранятся в записях таблиц базы данных (БД), которая находится на сервере (рис. 1). В таблице 1 представлены исходные данные, необходимые для расчета концентрации загрязнений в отдельном участке города.

Таблица 1.

Исходные данные для расчета концентрации ЗВ в отдельном участке города

Имя поля	Тип поля	Назначение
SPV	Number	Скорость ветра, м/с
UGV	Number	Угол между направлением ветра и осью, перпендикулярной по отношению к прямой, содержащей линейный источник загрязнения, ^0
HO	Number	Начальный подъем примеси, м
TEM	Number	Температура окружающей среды, К
POW1-10	Number	Выброс веществ от каждого из линейных источников, расположенных на участках разбиения автомагистрали с номерами 1-10, в единицу времени, кг/час.
POWPR	Number	Выброс ЗВ на перекрестке.

Метеопараметры внешней среды – направление и скорость ветра, температура окружающей среды, предполагается получать с метеорологической станции [5]. Начальный подъем примесей задается произвольно.

Выброс ЗВ от каждого из линейных (автомагистрали) и точечных (перекрестки) источников рассчитывается по выбранной методике [2]. Согласно данной методике, мощность выбросов в окрестности автомагистралей зависит от интенсивности движения автотранспорта, типа машин и скорости их движения. В дальнейшем натурные данные экспериментов должны дополняться и обновляться посредством применения контрольно-измерительной аппаратуры, установленной на автомагистралях города, в режиме реального времени.

Рис. 2. Растровые представления среднесуточных расчетных оценок приземной концентрации вредных веществ

На рисунке 2 показаны растровые представления расчетных среднесуточных оценок приземной концентрации вредных веществ, для участка дороги города Белгорода, длиной в 1000м – перегон между перекрестками ул. Студенческая и ул. Мичурина – как линейный источник загрязнений и примыкающий к нему перекресток проспекта Богдана-Хмельницкого и улицы Мичурина, как точечный источник. Линейный источник загрязнений, согласно применяемой методике, разбит на 10 равных участков длинной по 100 м. Результат представляет собой совокупность мощностей выбросов ЗВ, с учетом воздействия ветра на распространение полей загрязнения.

Располагая полной информацией о состоянии загрязнения атмосферы транспортными средствами и наложив результаты моделирования выбросов предприятий на электронную карту города, получаем с помощью адаптированной ГИС электронные карты концентраций для различных ЗВ, которые могут быть использованы при решении задач экологической защиты населения и корреляционной связи различных видов заболеваний с местами постоянного проживания.

Литература:

1. Белянина Н.В., Серовиков С.А. Организация и функционирование геоинформационной системы экологического мониторинга на основе распределенных вычислений [Текст] / ВАК. Научно-практический журнал «Прикладная информатика» №6. – М.: Издательство «Маркет ДС», 2010 г. С. 28 – 36.

2. Серовиков С.А. Выбор метода оценки выбросов загрязняющих веществ транспортными потоками при движении автомобилей по городским магистралям [Текст] / Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2009». Том 2. Технические науки. – Одесса: Черноморье, 2009. – С. 12–17.

3. Белянина Н.В., Прокопенко М.Н., Серовиков С.А. Выбор программно-аппаратной концепции организации распределенной системы экологического мониторинга [Текст] / ВАК. Журнал "Информационные технологии" №6. – М.: Издательство «Новые технологии», 2010 г. С. 31 – 35.

4. Серовиков С.А. Моделирование распространения загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы города [Текст] / Современные достижения в науке и образовании: математика и информатика : материалы международной научно-практической конференции, Архангельск, 1-5 февраля 2010 г. / Федер. агентство по образованию, Ком. по науке и проф. образованию Арханг. обл., Помор. гос. ун-т им. М. В. Ломоносова. – Архангельск : КИРА, 2010. – С. 293–299.

5. Серовиков С.А. Учет влияния ветра в задаче экологического мониторинга атмосферы в условиях города [Текст] / Физико-математическое моделирование систем: материалы VII Междунар. семинара. Воронеж: ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2011 г. Ч. 2. С. 195 – 202.