Математическое моделирование процессов распространения примесей в атмосфере и программная реализация информационно-аналитической системы природоохранных служб

Эффективность и оперативность проведения природоохранных мероприятий в существенной мере зависит от степени и качества информированности должностных лиц о состоянии городской среды и источниках ее загрязнения. Чтобы успешно управлять территорией и рационально распоряжаться ее ресурсами, нужно хорошо представлять себе обобщенные характеристики ее состояния и иметь возможность оперативно и в наглядной форме получать необходимые для принятия решений детальные сведения об объектах управления. Система управления качеством городской среды должна строиться на основе эффективного взаимодействия природопользовательских и природоохранных организаций, хозяйствующих на территории. Она должна опираться на современные технологичные решения: информационную инфраструктуру с высокоскоростными телекоммуникациями для обмена данными, разработанные специалистами наукоемкие программные комплексы экологического мониторинга, проработанную с правовой точки зрения систему экологической отчетности с разделением прав доступа пользователей. Основой системы управления должны стать специализированные аппаратно-программные комплексы — автоматизированные рабочие места, установленные во всех организациях, использующих природные ресурсы и занимающихся вопросами регулирования отношений и управления в этой сфере.

Программное обеспечение для решения задач экологического мониторинга обычно состоит из набора тесно взаимосвязанных прикладных подсистем. Среди них — специализированные базы данных с техническими характеристиками промышленных объектов и источников загрязняющих веществкартографические базы данныхбазы данных метеорологических характеристик территорииблок модельных расчётов распространения загрязненийподсистемы представления и анализа результатов расчётовэкспертные системы для подготовки рекомендаций для лиц, принимающих решенияподсистемы обучения новых пользователей и т. д.

Для реализации проблемно-ориентированных компьютерных систем с таким функциональным наполнением необходимы проведение серьёзного предварительного анализа требований к системе, разработка концепции и проектирование организации комплекса программ, архитектуры программного обеспечения. Речь идет о создании крупной информационной системы, в основе которой лежат подсистемы строго формализованной отчетности и моделирования распространения примесей (для проведения экологической экспертизы). Задача численного моделирования процессов распространения примесей является одной из центральных в обсуждаемом подходе. К настоящему моменту в прикладной математике сформировалась концепция решения подобных задач — это метод вычислительного эксперимента, основные принципы которого подробно раскрываются в работах H.H. Моисеева, A.A. Самарского и H.H. Яненко [71, 72].

Вычислительный эксперимент состоит из ряда этапов. На первом проводится построение физической модели явления (анализ многообразия процессов, выделение главных и пренебрежение второстепенными), построение математической модели (формулировка уравнений и соотношений, адекватных выбранной физической модели), исследование математической модели методами классической математики (установление корректности постановки задачи и, если это возможно, существования и единственности решения). Второй этап вычислительного эксперимента состоит в построении численного методавычислительного алгоритма, в соответствии с которым ЭВМ будет выполнять последовательность операций, результатом которых станет некоторое решение поставленной математической задачи. На третьем этапе создаются программы для ЭВМ, разрабатывается структура данных для созданных программ, проводится физическое наполнение элементов внешней памяти ЭВМ адекватными исходной физической модели данными (в этом случае говорят о создании базы данных для вычислительного эксперимента). В процессе четвертого этапа производятся расчеты на ЭВМ. Заключительный пятый этап вычислительного эксперимента состоит в анализе получаемых результатов, в выработке рекомендаций по внесению корректив в исходную физическую или математическую постановку, численный метод, в организацию и наполнение базы данных. Таким образом, в результате итераций между этапами создается программная система, предназначенная для проведения численных исследований процессов, сведения о которых заложены в исходную физическую постановку. Среди перечисленных этапов вычислительного эксперимента сложно выделить главные и второстепенныекаждый из них необходим в равной степени.

Создание отвечающей современным стандартам информационно-аналитической системы природоохранных служб немыслимо без привлечения и практического применения результатов научных исследований и технологических решений, полученных за последние годы в информатике. Основополагающие принципы теории программирования и проектирования программного обеспечения раскрываются в работах Э. Дейкстры, Ч. Хоара, Д. Кнута, Н. Вирта, Г. Буча [73−78]. Ряд принципиально важных результатов был получен в исследовательских лабораториях компаний, занимающихся разработкой программного обеспечения (IBM, Sun Microsystems, Microsoft, Oracle, Intergraph и другие) — эти результаты воплощены в созданные ими высокотехнологичные программные продукты.

В течение последнего десятилетия были развиты концепции визуального программирования в диалоговой графической среде разработки, автоматизации проектирования структур баз данных с помощью CASE-технологий, анализа и обработки пространственной информации в геоинформационной системе, организации электронного делопроизводства и документооборота, создания распределенных информационных и вычислительных систем на основе Internet. Перечисленные теоретические достижения, в совокупности с происшедшем за эти годы гигантским скачком на несколько порядков в производительности и ресурсах персональных компьютеров, позволяют сформулировать новое представление о системе экологической экспертизы и принципах ее разработки. Важным фактором, от которого зависит успех создания и эксплуатации информационно-аналитической системы природоохранных служб, является учет сложившейся системы управления. Нестабильные экономические условия и правовая ситуация в России также накладывают свой отпечаток на предъявляемые требования — система должна уметь эффективно реагировать на происходящие изменения в законодательстве, финансовой системе, и т. п. На этапе проектирования необходим тщательный анализ управленческих, политических, финансово-экономических, правовых аспектов проблемы.

Таким образом, создание информационно-аналитической системы для проведения экологической экспертизы, способной стать рабочим инструментом для природопользовательских и природоохранных организаций — одна из актуальных проблем, для решения которой необходимы проведение комплексных исследований, обобщение теоретических знаний и практических результатов различных научных дисциплин, создание на этой основе концепции разработки с последующим ее проектированием и поэтапной реализацией.

Основной объект исследований и научно-техническая проблема, решаемая в диссертационной работе — это разработка концепции, проектирование, создание математического и программного обеспечения функциональных элементов информационно-аналитической системы природоохранных служб, реализация для нее математических моделей процессов распространения примесей в атмосфере как средства для проведения экологической экспертизы.

Диссертационная работа обобщает результаты теоретических и прикладных исследований и разработок, выполненных автором в области вычислительной математики, программирования, автоматизации обработки экологической информации.

Актуальность исследований.

Актуальность теоретических и прикладных исследований по экологической проблематике вытекает из анализа ситуации, сложившейся на данный момент в экосфере города. Перечислим некоторые из стоящих сегодня проблем, требующих решение:

• система экологических служб работаетесть экологическое законодательствоштрафы и платежи за загрязнения окружающей среды взимаются, однако существенного улучшения от природоохранной деятельности не видно;

• отсутствует эффективная обратная связь между последствиями загрязнения и причинами, его вызвавшими, а это в свою очередь приводит к дисгармонии в системе человек-промышленность-окружающая среда;

• оценки и прогнозы состояния экосферы промышленного города, необходимые для обоснованного ведения планово-предупредительных природоохранных мероприятий, требуют специальных знаний из области точных и естественных наук, и зачастую далеко выходят за узкие рамки стандартных методик, используемых в практике природоохранных служб;

• отсутствует или затруднен прогноз состояния экосферы города в зависимости от действий субъектов и состояния объектов управления;

• результаты оценки или прогноза состояния экосферы города не доходят до тех, кому они предназначены либо представлены в том виде, в котором адресат их не воспринимает.

Цель и задачи исследований.

Основная цель исследований — разработка математического и программного обеспечения прототипа информационно-аналитической системы природоохранных служб на примере Красноярского края. В этой связи — анализ существующих и создание новых математических моделей процессов распространения примесей в атмосфере, их программная реализация в рамках программ для конечного пользователя, а также — анализ информационных проблем создания системы экологической экспертизы, отработка необходимых для ее разработки технологических решений. Основные задачи исследований:

• Разработка концепции создания наукоемких информационно-экспертных систем природоохранных служб — на основе анализа современных информационных технологий, опыта практической эксплуатации общесистемного и прикладного программного обеспечения;

• Анализ существующих и создание новых математических моделей распространения примесей в атмосфере с точки зрения их включения в систему экологической экспертизы, т. е. обеспеченных необходимыми начальными данными и выполнимых за разумное время на стандартном персональном компьютере;

• Выработка рекомендаций по использованию моделей в составе экологической экспертной системы и по проведению дополнительных исследований и натурных измерений — с целью повышения точности оценки и прогноза распространения примесей в атмосфере;

• Проектирование архитектуры и состава комплекса программ экологической экспертизы, и на этой основе — создание конечных программных продуктов для экологических служб;

• Апробация разработанного программного обеспечения и методов интегрированной обработки разнородных данных при решении практических задач экологической тематики.

Научная новизна.

Проведенные исследования позволили получить ряд новых результатов:

• Разработана концепция поэтапного создания программного обеспечения информационно-аналитической системы природоохранных служб на примере Красноярского края. Детально исследованы вопросы реализации первого этапа (промышленная подсистема). Выработаны требования к модельному и программному обеспечению.

• Показана целесообразность использования простых моделей распространения примесей в составе программного обеспечения экологической экспертизы. При этом двумерные численные модели могут дополнить официальные модели МАГАТЭ, ОНД-86 в части учета пространственных неодно-родностей подстилающей поверхности.

• Реализована новая двумерная численная модель распространения примесей в атмосфере. Сочетание методов установления, расщепления по физическим процессам (перенос и диффузия) с использованием явных и неявных схем на каждом полушаге по времени и многосеточного метода Федоренко для обращения эллиптической части оператора уравнения переноса-диффузии на каждом временном шаге позволили получить эффективный численный алгоритм.

• Проведен анализ, показавший, что двумерные диффузионные модели дают распределения концентрации примеси, которые плохо соответствуют экспериментальным данным, обобщенным в виде эмпирических гауссовых моделей. Для улучшения соответствия диффузионных моделей экспериментальным данным необходимо, как минимум, учитывать высотные зависимости их параметров.

• Построена двухслойная численная модель переноса-диффузии, дающая расширение струи, соответствующее эмпирическим моделям Паскуилла-Гиффорда. Получено подтверждение гипотезы Ханта о том, что наблюдаемое в эксперименте близкое к линейному закону расширение струи связано с влиянием поворота вектора скорости ветра с высотой.

• В результате выполнения натурных испытаний в аэродинамической трубе выработаны рекомендации по математическому моделированию процессов распространения примесей в атмосфере Красноярска. Показано, что концентрации примесей в одной и той же точке пространства сильно пульсируют во времени и могут различаться в 10−25 раз, при этом на больших расстояниях от препятствия сохраняются лишь крупномасштабные пульсации. Для случаев аварийных выбросов токсичных веществ с сильно выраженным нелинейным эффектом воздействия на организм это может означать необходимость расчетов границ зон степени опасности с учетом возможных пульсаций концентрации ядовитых веществ.

• Результаты аэродинамического моделирования на макете Красноярска показали, что наличие незамерзающей реки и сложная орография местности приводят к тому, что коэффициенты турбулентной диффузии в пределах города и могут отличаться в 1,5−2 раза. Соответственно, модели типа Пас-куилла-Гиффорда, МАГАТЭ, ОНД-86 для промышленных площадок в разных районах города должны иметь различные функциональные зависимости коэффициентов, определяющих зависимость дисперсии примеси от расстояния до источника выброса.

• Показано, что аэродинамическое моделирование промышленных площадок позволяет сделать обоснованный выбор коэффициентов моделей типа Пас-куилла-Гиффорда, МАГАТЭ, ОНД-86 и осуществить их привязку к местности в пределах Красноярска и его ближайших окрестностей. Для этого потребуются дополнительные исследования на макетах типичных (в смысле орографических и аэрологических характеристик) промплощадок с линейными размерами 3−5км.

• Предложены новые решения в задаче проектирования информационно-экспертных экологических систем на основе ГИСи Ыегпе1-технологий: методика разработки программного обеспечения системы экологической экспертизы на основе интеграции технологий вычислительного эксперимента и геоинформационных систем, методика построения программного обеспечения распределенной информационно-экспертной экологической системы на основе ГИС-Web-cepBepa в Internet/Intranet.

• Создан ряд прикладных программных систем для решения экологических задач — комплексы программ МОНИТОР, ЭКОСФЕРА, МАКЕТ.

Практическая значимость и реализация.

Основные научные результаты диссертационной работы были использованы при создании следующих программных средств и концепций построения экологических экспертных систем:

• комплекс программ МОНИТОР версии 2.4 — рабочий инструмент природоохранных служб, включающий в себя подсистемы стандартной экологической отчетности и математического моделирования процессов распространения примесей в атмосфере. МОНИТОР установлен и успешно эксплуатируется в отделах охраны окружающей среды промышленных предприятий Красноярска, Назарово, Братска, Усть-Илимска, Бийска, и др. — всего около 15 заводов;

• программное обеспечение ЭКОСФЕРА — макет экологической информационно-прогностической системы природоохранных служб, используется для подготовки специалистов и обучения студентов в рамках деятельности проектных коллективов Красноярского Межвузовского центра информационных технологий в экологическом образовании, состоящих из старшекурсников Красноярского государственного университета, Сибирского государственного технологического университета, Красноярского государственного технического университета';

• опытно-конструкторская разработка МАКЕТ — принятый к реализации первый этап работ по созданию промышленной подсистемы «Информационно-аналитической системы природоохранных служб Красноярского края»;

• ГИС-приложение МОНИТОР версии 3.0 — прототип экологической экспертной системы, основанный на современных технологиях ГИС и Internet. Технологические решения, необходимые для создания этого программного обеспечения, были апробированы в ряде законченных программных продуктов, среди которых изданный под руководством автора компакт-диск с информационно-справочной системой на основе электронной карты города «СБ-КРАСНОЯРСК».

Апробация работы.

Основные теоретические результаты, отдельные положения, а также результаты конкретных прикладных исследований и разработок обсуждались на научных семинарах в ИВМ СО РАН (1990;1998 гг.), IV Всероссийской школе молодых ученых (п. Абрау-Дюрсо, 1992 г.), Научно-практической конференции «Экологическое состояние и природоохранные проблемы Красноярского края» (Красноярск, 1995 г.), Первой и Второй Межрегиональных и Третьей Всероссийской конференциях «Проблемы информатизации региона» (Красноярск, 1995;1997 гг.), Втором (Томск, 1996 г.) и Третьем (Красноярск, 1997 г.) Международных ГИС-Авиатурах «Геоинформационные технологии в решение задач управления территориями, отраслями и предприятиями», Третьем Международном ГИС-Форуме «Геоинформационные технологии. Управление. Природопользование. Бизнес» (Москва, 1997 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Экология и экономика: региональные проблемы перехода к устойчивому развитию. Взгляд в XXI век» (Кемерово, 1997 г.) — Всероссийской конференции «Проблемы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций» (Красноярск, 1997 г.), Региональной научно-практической конференции «Достижения науки и техники — Красноярску» (Красноярск, 1997 г.), Конференции молодых учёных КНЦ СО РАН (Красноярск, 1997 г.), Второй Всероссийской конференции «Геоинформатика и образование» (Москва, 1998 г.).

Результаты исследований обсуждались на многочисленных рабочих совещаниях и семинарах со специалистами экологических служб природопользова-тельских и природоохранных организаций.

Разработанное прикладное программное обеспечение было представлено на ряде выставок, организованных в рамках проведения научных конференций (1993;1998 гг.), на Красноярской ярмарке (1998 г.).

Результаты исследований использовались при подготовке специалистов и обучении студентов в рамках Красноярского Межвузовского центра информационных технологий в экологическом образовании, организованного в 1996 г. при участии ИВМ СО РАН и ряда вузов города — КГУ, КГТУ, СибГТУ, КГПУ. Для повышения эффективности преподавания были оформлены два учебных пособия (1998 г.), рекомендованные Министерством образования для студентов вузовв них вошла часть представленных в диссертации результатов. Совместным решением ИВМ СО РАН, Красноярского регионального ГИС-центра СО РАН и ТОО ЭКОС в 1996;м году был организован Технологический центр ГИС (ТЦ ГИС), директором которого стал автор. Результаты исследований, вошедшие в диссертационную работу, апробировались в рамках проектных и прикладных работ ТЦ ГИС.

Краткое содержание.

Выводы.

Диссертационная работа посвящена решению задач, связанных с разработкой концепции, проектированием, созданием математического и программного обеспечения функциональных элементов информационно-аналитической системы природоохранных служб, реализацией для нее математических моделей процессов распространения примесей в атмосфере как средства для проведения экологической экспертизы. На защиту выносятся следующие результаты.

1. Разработана концепция поэтапного создания программного обеспечения информационно-аналитической системы природоохранных служб Красноярского края. Детально исследованы вопросы реализации первого этапа (промышленная подсистема). Выработаны требования к модельному и программному обеспечению.

2. Реализована новая двумерная численная модель распространения примесей в атмосфере. Сочетание методов установления, расщепления по физическим процессам (перенос и диффузия) и многосеточного метода Федоренко для обращения эллиптической части оператора уравнения переноса-диффузии позволили создать эффективный численный алгоритм.

3. Проведен анализ, показавший, что двумерные диффузионные модели дают распределения концентрации примеси, которые даже качественно не соответствуют экспериментальным данным, обобщенным в виде эмпирических гауссовых моделей.

4. Построена двухслойная численная модель переноса-диффузии, дающая расширение струи, соответствующее эмпирическим моделям Паскуилла-Гиффорда. Получено подтверждение гипотезы Ханта о том, что наблюдаемое в эксперименте близкое к линейному закону расширение струи связано с влиянием поворота вектора скорости ветра с высотой.

5. На основе результатов аэродинамического моделирования на макете окрестности Красноярска выработаны рекомендации по математическому моделированию процессов распространения примесей в атмосфере над Красноярском. Показано, что наличие незамерзающей реки и сложная орография местности приводят к тому, что коэффициенты турбулентной диффузии в пределах города могут отличаться в 1,5−2 раза. Аэродинамическое моделирование промышленных площадок позволяет сделать обоснованный выбор коэффициентов моделей типа ОНД-86 и осуществить их привязку к местности в пределах Красноярска и его ближайших окрестностей.

6. Предложены новые решения в задаче проектирования информационно-экспертных экологических систем на основе ГИСи Internet-технологий: методика разработки программного обеспечения системы экологической экспертизы на основе интеграции технологий вычислительного эксперимента и геоинформационных систем, методика построения программного обеспечения распределенной информационно-экспертной экологической системы на основе ГИС-Web-cepBepa в Internet/Intranet.

7. Создан ряд прикладных программных систем для решения экологических задач — комплексы программ МОНИТОР, ЭКОСФЕРА, МАКЕТ.