Программные продукты и системы

Характер загрязнения воздушного бассейна промышленных районов и крупных городов определяется не только такими статическими характеристиками, как особенности рельефа местности и расположение промышленных источников выбросов, но в значительной степени динамикой атмосферных процессов, которые зависят от конкретных метеорологических условий: температурных инверсий, скорости и направления ветра, температуры приземного слоя атмосферы и т.п.

Исследование пространственной неоднородности и временной изменчивости загрязнения воздушного пространства является одной из залач, которые необходимо решать в рамках проблемы охраны окружающей среды от антропогенного загрязнения.

В настоящее время применяются в основном два способа исследования, которые дополняют друг друга:

1)      натурные наблюдения за уровнем загрязнения воздуха на стационарных постах и с помощью пе редвижных газоаналитических лабораторий;

2)      моделирование на ЭВМ процессов переноса и диффузии примесей в атмосфере.

По результатам таких исследований строятся карты полей загрязнения, которые отражают региональные особенности загрязнения воздушного бассейна с привязкой к характерным метеоусловиям, как правило, сезонным. Такие карты, несущие усредненную информацию, нужны в основном для установления промышленным предприятиям предельно допустимых выбросов (ПДВ) и малоэффективны для решения задач оперативного прогноза и управления.

В данной статье представлена разработка научно-методического программного комплекса, названного ISM, с помощью которого специалист в -области охраны окружающей среды может оперативно выполнять расчеты пространственной структуры и уровня загрязнения воздушного бассейна крупных городов или промышленных регионов путем имитационного моделирования процесса распространения примесей. Существующие в настоящее время системы обладают недостаточно гибкими интерактивными возможностями, затрудняющими диалог с пользователем-экологом, и требуют времени на их изучение. Средства визуализации результатов расчетов в этих системах (таблицы, графики) также требуют дополнительных исследований и обработки, так как являются недостаточно наглядными.

Имитационное моделирование в процессе диалога с пользователем позволяет проанализировать различные ситуации загрязнения воздушного бассейна при изменении исходной информации. Многовариантные расчеты, эффективные средства диалогового взаимодействия пользователя с ЭВМ, не требующие специального изучения, легкость изменения и выразительность средств представления исходных данных являются интеллектуальной поддержкой интерфейса с пользователем для принятия решений на основе моделируемых ситуаций.

Основные направления исследований

Исследования, выполненные при разработке комплекса ISM, проводились по следующим направлениям:

—  анализ методов моделирования и исследова ния загрязнения воздушного бассейна выбросами промпредприятий;

—  разработка методов представления резуль татов расчетов с помощью усредненных характе ристик состояния воздушного бассейна в виде гра фических образов;

—  разработка специализированной системы уп равления базой данных (СУБД), предназначенной для ведения базы данных об источниках выбросов, их характеристиках и метеоусловиях;

—  разработка интерактивного интерфейса поль зователя (специалиста-эколога) с системой ISM.

Процесс загрязнения воздуха, как и многие другие атмосферные процессы, отличается большой сложностью. Методы исследования и прогноза, базирующиеся на использовании уравнений математической физики (теории диффузии и переноса примесей), учет метеофакторов (скорости и направления ветра, условий температурной стратификации), особенностей подстилающей поверхности, химического превращения примесей и т.п., обеспечивают получение результатов с высокой степенью точности [1, 2]. Однако алгоритмы, реализующие эти методы, громоздки, требуют больших затрат машинного времени и ресурсов памяти ЭВМ [5]. Целесообразность их применения возникает при решении задач долгосрочного прогнозирования, исследования тенденций загрязнения воздушной среды за длительные промежутки времени (месяц, сезон и т. п.).

В настоящее время остается общепринятым нормативный документ ОНД-86 Госкомгидромета, в котором изложены методика и алгоритмы расчетов уровня загрязнения воздушного бассейна различными источниками выбросов загрязняющих веществ (ЗВ). Поскольку эта методика до сих пор является обязательной на территории бывшего СССР, она положена в основу подсистемы расчета загрязнения воздушной среды на основе нормативно-справочной информации и подсистемы расчета полей загрязнения по результатам инструментальных замеров на ограниченном числе пунктов наблюдений.

Для отображения пространственной структуры поля загрязнения воздуха в подсистеме интерактивной машинной графики используется тематическое картирование с помощью изолиний. Однако для построения изолиний недостаточно ограниченного количества значений параметра в точках поля, совпадающих с местами установки пунктов наблюдения (5—10 пунктов). Необходимо рассчитать значения исследуемого параметра (концентрации загрязняющей примеси) в промежуточных точках поля.

В качестве промежуточных в подсистеме интерактивной машинной графики выбраны узлы регулярной сетки 20x20, которой условно разбивается территория контролируемого района. Для вычисления значений параметра в узлах регулярной сетки используется модернизированный метод оптимальной интерполяции Гандина [4] при допущении, что поле однородное и изотропное. Это позволяет аппроксимировать пространственную корреляционную функцию гиперболой.

Разработка методов представления состояния воздушного бассейна

В основу разработки методов представления состояния воздушного бассейна промышленного региона положен принцип визуализации в виде когнитивных графических образов. Под когнитив-ностыо в данном контексте понимается графическое представление сущностей предметной области в виде, наиболее близком к мысленному образному их представлению специалистом, в данном случае — экологом.

Наиболее близким для эколога графическим представлением загрязнения воздушного бассейна являются изолинии, нанесенные на карту местности, и выделение зон одинакового уровня с помощью штриховки или цвета. Временной ход концентрации примесей, корреляционные функции и другие статистические характеристики процесса загрязнения воздуха удобнее всего отображать непосредственно в виде графиков.

Графическое представление информации позволяет отображать в обобщенном виде характеристики исследуемого процесса, тем самым обеспечивая наиболее эффективное восприятие их человеком для анализа. Интерактивная машинная графика обеспечивает особую форму взаимодействия человека с .ЭВМ — многошаговый процесс диалогового обмена, при котором ЭВМ на каждом шаге предоставляет пользователю информацию о результате решения частной задачи, задает вопрос о направлении дальнейшего хода исследования и предлагает набор возможных ответов [3]. Таким образом, пользователь может выбрать подходящий ответ из предложенного набора, имея перед глазами всю необходимую информацию. Это обеспечивает повышение оперативности анализа ситуаций и решений, а также создает предпосылки для исследования вариантов стратегии управления качеством воздуха.

Диалог ведется в терминах решаемой приклад* ной задачи на естественном языке. И хотя диалоговая графическая система является детерминированной, то есть число ее состояний и результатов частных решений, выдаваемых ею, является конечным, однако количество сочетаний последовательных вариантов и путей выполнения расчетов мою быть достаточно большим, что обеспечивает глуби-ну и разносторонность проводимых исследований. Пользователю предоставляется возможность манипулировать направлением и скоростью ветра, тем пературой воздуха, границами исследуемой территории; указывать источники выбросов, влияющие ш загрязнение территории при выбранном направ-лении ветра; указывать тот или иной ингредиент которым должен быть рассчитан уровень загрязнения. С помощью ISM удобно выполнять расчет оценки вклада отдельных источников выбросов в общую картину загрязнения исследуемой территории намечать маршруты подфакельных наблюдений, рассчитывать ПДВ отдельных источников выбросов

Структура системы ISM, представленная в виде Н-диаграммы, изображена на рисунке 1. Два режима —"База данных" и "Задачи" — позволяют работать с данными и решать задачи исследования загрязнения воздушного бассейна. Каждый из режимов имеет несколько опций, семантика которых ясна из рисунка.

Специализированная СУБД, ориентированная

на обработку данных о загрязнении воздушного

бассейна

Базы данных системы должны хранить информацию о предприятиях и источниках выбросов на них, о характеристиках труб, площадных и линейных источниках выбросов, количестве ингредиентов по каждому источнику и характеристиках каждого ингредиента. Анализ предметной области показывает, что концептуальную схему базы данных удобнее всего представить в виде иерархической структуры (рис. 2). Нормализация структуры для приведения ее к реляционной схеме с целью использования стандартных СУБД приведет к неоправданно большому увеличению количества реляционных баз со значительным дублированием информации в них и возрастанию требуемых вычислительных ресурсов, причем в основном эти ресурсы пойдут на создание удобного интерфейса с пользователем. Сами базы данных невелики, но должны содержать разнородную информацию, используемую в основном программами расчета и анализа уровня загрязнения и подсистемой интерактивной машинной графики.

Учитывая сказанное, была разработана специализированная СУБД, реализованная на языке C++, поддерживающая ведение базы данных со схемой, представленной на рисунке 2, в терминах разработанного программного комплекса.

Пользователю предоставляются следующие режимы для ведения базы данных:

— редактирование базы данных об источниках;

— создание в базе новых данных об источнике;

— просмотр списка источников в базе данных;

—  редактирование данных натурных наблюде ний.

В режиме «Просмотр списка источников» на экран выдается таблица, содержащая справочную информацию об ингредиентах, с возможностью модифицировать базу данных: добавить или удалить запись, изменить значение любого поля, распечатать таблицу, записать информацию в файл.

В режиме "Редактирование базы данных об источниках" на экране появляется многооконная хар-тинка (рис. 3), позволяющая просматривать, редактировать и создавать новые записи во всех четырех базах данных. Для этого служат четыре окна, и переход от одного к другому осуществляется с помощью функциональных клавиш. Окно F1 отображает список предприятий данного региона с их шифрами. В окне F2 отображается информация о выбранном предприятии с указанием количества точечных, линейных и площадных источников, конкретные данные о которых отображаются в окне F3. В окне F4 содержатся данные по ингредиентам указанного источника загрязнения.

Линейка меню в нижней части экрана указывает на основные операции ведения базы данных. Для удобства пользователя при вводе информации предусмотрены подсказки (Help) в виде пиктограмм, позволяющие выбрать нужные данные.

Визуализация результатов расчета полей загрязнения воздушного бассейна

Вид экрана для отображения результатов расчета ЗВ выбросами промпредприятий для заданны! метеоусловий представлен на рисунке 4. Исходный данными для задачи являются:

—параметры источников выбросов;

— метеоусловия (направление и скорость вир температура);

— наименование загрязняющего вещества;

— координаты точек, в которых визуализируется значение рассчитанного уровня ЗВ;

— координаты территории, на которой отобра жаются изолинии.

Ввод исходных данных осуществляется в про цессе диалога с пользователем по запросу из про граммы. Для задания направления ветра исполц ется пиктограмма в виде розы ветров в верхней ч» ти экрана. Предусмотрена возможность расчета 31 как для всей контролируемой территории, так и да отдельных ее участков. В нижней части экрана вы водится гистограмма, отображающая процентное со отношение частей территории с различными урт нями загрязнения. Пользователь может задать ода или группу источников выбросов, участвующих! расчете, или выбор таких источников осущесгш яется автоматически. Этот режим удобен для ив следования влияния источников ЗВ на общую кар тину: он позволяет оценить, какой вклад вноси каждый отдельный источник в ЗВ, и является оо новой для принятия решения по снижению урови ЗВ. Повторные исследования для различных погод ных условий (изменения направления, скорости ветра, температуры) позволяют сделать качественны! прогноз для предсказания развития ситуации i принять решение для предотвращения опасности да населения.

При отображении результатов расчета по даным натурных измерений на карте местности у» заны точки, в которых установлены пункты наб-людения. Данные о наблюдениях хранятся в бак данных. Комплекс программ осуществляет интер

Рис. 4. Результаты расчета ЗВ для заданных метеоусловий

поляционные расчеты уровня ЗВ в промежуточных точках, не совпадающих с местами наблюдений. Результатами расчета являются изолинии уровней ЗВ, наложенные на карту местности.

Таким образом, комплекс ISM позволяет:

1)      исследовать пространственную конфигурацию полей загрязнения воздуха, рассчитанных по теоре тическим моделям, и сравнивать их с полями, рас считанными по результатам натурных наблюдений;

2)      выявлять источники выбросов, определяющие основной вклад в загрязнение различных районов ис следуемой территории при различных метеоусло виях;

3)      определять опасные скорости и направления ветра;

4)    рекомендовать мероприятия по снижению объемов выбросов при неблагоприятных метео условиях.

Областью применения комплекса является мониторинг окружающей среды. Система может эффективно применяться в локальных системах мониторинга службами Минприроды, экологическими службами промпредприятий, а также для учебных целей как моделирующая система.

Список литературы

1.    Берлянд М. Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. — Л.: Гидрометеоиздат, 1975. —448 с.

2.    Горчиев А. А., Рафиев Р. М. О прогнозе загрязнения воздуха над Апшеронским полуостровом. // Метеорология и гидрология,—1980. — №2 — С. 21 —26.

3.    Пигурнов Б. В. Интерактивная машинная графика в автоматизированных системах контроля загрязнения воздуха. — Энергетика и электрификация, 1982.— №4 — С. 43 —47.

4.    Практикум по численным методам прогноза погоды / Под ред. Л. С. Гандина. — Л.: Гидрометеоиздат, 1978. — 212 с.

5. Таран Т. А., Пигурнов Е. В., Хомяков А. Т. Анализ алгоритмов оперативного прогноза загрязнения воздуха, базирующихся на статистических моделях // Сб.: Проблемы контроля и защиты атмосферы от загрязнения.— Киев: На-укова думка, 1983.— Вып. 9.—С. 34 - 37.