Software & Systems

Проблемы загрязнения окружающей среды и его влияния на экологию и безопасность жизнеобеспечения сформулированы в [1]. Для решения задачи минимизации загрязняющих веществ (ЗВ) в атмосфере в работах [2, 3] была предложена и развита концепция замкнутой системы управления «Природа–Техногеника» (ЗСУ ПТ). О ее развитии до стадии проектирования и производства говорится в предыдущих работах, например в [4]. Основными преимуществами такой системы являются гарантированность минимизации ЗВ в реальном времени, отсутствие влияния человеческого фактора, формирование законов управления аппаратными средствами очистки от ЗВ в исполнительных устройствах в соответствии с экологическими критериями конкретного объекта управления.

Предложенная ЗСУ ПТ для атмосферы состоит из следующих элементов.

·      Источник ЗВ – промышленное предприятие, выбрасывающее в атмосферу вредные вещества.

·      Очистные агрегаты (ОА) – очищают газовоздушную смесь внутри трубы промышленного предприятия в соответствии с управляющим сигналом, вырабатываемым на основе информации об уровне его концентрации в месте ее максимума [5].

·      Датчики измерения концентрации – расположены в устье трубы и в точке измерения максимального значения и предназначены для определения концентрации (массы) ЗВ.

·      Измерительная система – предназначена для сбора, накопления, обработки и передачи полученной информации о концентрации ЗВ на регулирующее устройство.

·      Регулятор – строится в соответствии с системой управления, синтезируемой по критериям и ограничениям, специфичным для ЗСУ ПТ конкретных предприятий [6].

·      Усилительно преобразующее устройство (УПУ) – усиливает обобщенный управляющий сигнал до уровня, необходимого для управления конкретным ОА.

Важной задачей в процессе создания ЗСУ ПТ является разработка средств ее метеорологической поддержки в реальном времени. Поскольку проектирование ЗСУ ПТ проводится с помощью САПР, рассматриваются постановка задачи, алгоритмизация обработки, ввода метеорологической информации, а также некоторые результаты применения соответствующей подсистемы САПР ЗСУ ПТ.

В данной статье основное внимание уделяется построению БД с целью метеорологической поддержки ЗСУ ПТ. На рисунке 1 показана схема сбора, обработки и передачи метеорологической информации в ЗСУ ПТ.

На рисунке 2 представлена схема структуры БД метеорологической информации в ЗСУ ПТ.

Сбор, обработка и передача метеорологической информации из ССМИ и ЦМИ в ЗСУ ПТ осуществляются через БД, блок обработки, программатор и УПУ в блок управления ОА ЗСУ ПТ. Передаваемая информация служит для адаптации управления к измерениям метеорологических параметров окружающей среды предприятия – источника загрязняющих веществ (ПИЗВ). Входом для блока обработки являются параметры метеорологических характеристик ветра (V), температуры (T), давления (D), влажности (W). Исходные реализации переменных величин V, T, D, W представляют собой нестационарные случайные процессы (НСП).

Выходом блока обработки являются осредненные и скорректированные величины V*, T*, D*, W*. Определение скорости потока переноса  ЗВ в атмосфере от ИЗВ до датчиков измерения существенно зависит от метеорологических данных в заданной окрестности ИЗВ (природопользовательской зоне). При известном расстоянии от источника ЗВ до датчика (L) скорость переноса  является неизвестной функцией не только ветра (V), но и всех остальных метеорологических параметров.

В данной работе исходной является метеорологическая информация V, T, D, W, полученная из ЦМС Вьетнама (город Ханой, микрорайон Soc Son «Шок Шон» с долготой 106o03' и широтой 20o39') [7]. На рисунке 3 и в таблице приведены реализации, иллюстрирующие массив этой информации.

Задачами построения БД в рассматриваемом случае являются

–      сохранение и организация метеорологической информации после получения из ССМИ и ЦМИ;

–      сжатие и формирование метеорологической информации для блока обработки;

–      передача (интерфейс) метеорологической информации в блок обработки;

–      сохранение обработанной информации;

–      обеспечение непрерывности поступления метеорологической информации в ЗСУ ПТ через указанные на рисунке 1 блоки в реальном времени.

Для обработки массива реализаций как НСП рассматриваются алгоритмы сглаживания, предложенные в [8]. В [9] алгоритмы сглаживания использованы для приведения НСП к эквивалентным стационарным с соответствующими оценками точности такого приведения.

Основные этапы разработки БД метеорологической информации:

–      определение вариантов программных и аппаратных средств, соответствующих требованиям к сохранению, организации сбора и передачи метеорологической данных;

–      разработка структуры СУБД данного объекта;

–      разработка схем размещения и фрагментации данных.

В настоящее время популярными являются системы построения БД Oracle, Microsoft SQL Server, MySQL и Microsoft Access.

Для сохранения и организации метеорологической информации в БД должны быть выполнены следующие требования:

–      поддержка больших объемов метеорологических данных в БД; целевая функция ее построения должна учитывать достаточные для функционирования ЗСУ ПТ реализации переменных V, T, D, W, которые в общем случае являются НСП;

–      фрагментация этих реализаций по времени (день, ночь), по суткам (неделя, месяц), по временам года (весна, лето, осень, зима), а также сохранение и модернизация результатов обработки метеорологических данных в блоке обработки (см. рис. 2);

–      наличие удобного и простого пользовательского интерфейса, позволяющего легко изменять параметры и анализировать полученные результаты;

–      удобный доступ ко всем требуемым для анализа и расчетов данным.

В БД метеорологической информации хранятся данные о метеопараметрах и метеоусловиях в природопользовательской зоне. В свою очередь, БД пополняет и обновляет информацию в результате работы ЗСУ ПТ.

На основе анализа разнообразных програм- мных средств в качестве инструмента для построения БД ЗСУ ПТ предлагается использовать интегрированную среду моделирования MATLAB, которая позволяет построить замкнутые нелинейные системы и анализировать ее свойства.

Основными свойствами, определившими такой выбор программного средства, явились богатый набор инструментов для построения БД, высокоразвитый математический аппарат для решения задач векторно-матричной алгебры, возможность интеграции с другими математическими пакетами.

Среда MATLAB через драйверы ODBC/JDBC поддерживает множество БД: IBM DB2, Infomix, БД Oracle, Microsoft SQL Server, MySQL и Microsoft Access. Через драйвер ODBC/JDBC работает встроенный в MATLAB построитель запросов к БД – quetybuider. С его помощью можно построить достаточно сложные запросы, создать отчет или просто просмотреть БД.

Так как MATLAB позволяет обращение к своим функциям из различных языков программирования, которые, в свою очередь, имеют возможность обращаться напрямую к БД (без использования ODBC/JDBC), то имеется возможность самостоятельно написать функции для работы с БД или взять готовые пакеты, разработанные сторонними организациями специально для работы в MATLAB. Одним из них является пакет pgmex, обращающийся на языке Cи к библиотеке libpq СУБД PostgreSQL.

Для отладки, построения БД использовалась программа pdAdmin из дистрибутива PostgreSQL. С ее помощью можно просматривать не только структуры таблиц и их содержание, но и последовательности пользовательских функций, классы операторов, схемы, создавать таблицы, подключаться к серверам и базам, использовать встроенный построитель запросов.

В блоке обработки информации осуществляется алгоритм обработки метеорологической информации. Данные о ее значениях являются входными для управления автоподстройкой ПИД-регулятора. Для решения этой задачи требуется разработка алгоритмов определения указанных метеорологических характеристик и отношений между этими переменными. В результате метеорологическая информация сохранится в БД и будет отображаться на экране оператора в виде рисунков, графиков, матриц и др.

В блоке-программаторе определяются характеристики процессов регулирования. В этой задаче требуются автоподстройка коэффициента в ПИД-регуляторе при непрерывном (или с допустимой дискретностью) поступлении метеорологических данных и определение алгоритма автоподстройки с дальнейшим построением соответствующей программы контроллера.

Для работы данной БД ЗСУ ПТ потребуется запуск среды MATLAB. Это, с одной стороны, является недостатком подсистемы, поскольку она не работает без MATLAB, а с другой – делает БД ЗCУ ПТ абсолютно открытой.

БД ЗСУ ПТ предполагает наличие графического диалогового интерфейса, который позволит вводить исходные данные и отображать результаты расчетов в удобном для пользователя виде (рис. 3). Поскольку направление ветра определяется положением подвижного носителя датчиков измерения, то в дальнейшем рассматривается только составляющая скорости ветра по оси факела.

В таблице приведены примеры отдельных реализаций метеорологических данных, полученных из ССМИ и ЦМИ для построения БД ЗСУ ПТ.

Сохранение метеорологической информации

В таблице приведены численные данные, соответствующие графику на рисунке 3, для иллюстрации формирования массивов в БД.

Таким образом, в статье проведен анализ современных подходов к решению задачи минимизации выбросов в режиме реального времени, предложены способы построения БД метеорологической информации в ЗСУ ПТ, приведены требования к построению БД метеорологической информации, предложены схема сбора, обработки и передачи метеорологической информации в ЗСУ ПТ и схема структуры БД метеорологической информации.

Литература

1.     Худолей В.В., Ливанов Г.А. Проблемы загрязнения окружающей среды стойкими органическими соединениями, в частности диоксинами // IEHS’04: тр. Междунар. конф. СПб, 2004. С. 39–43.

2.     Сольницев Р.И. Построение замкнутой системы «Природа–Техногеника» // Открытое образование: тр. Междунар. науч.-технич. конф., Украина, Ялта, 2006. С. 404–408.

3.     Сольницев Р.И. Вопросы построения замкнутой системы управления «Природа–Техногеника» ЗСУ ПТ // Изв. СПБГЭТУ «ЛЭТИ». 2009. № 7. С. 23–32.

4.     Сольницев Р.И., Коршунов Г.И. Системы управления «Природа–Техногеника». СПб: Политехника, 2013. 205 c.

5.     Пугачев В.С. Введение в теорию вероятностей. М.: Наука, 1968. 368 с.

6.     Сольницев Р.И. Вычислительные машины в судовой гироскопии. Л.: Судостроение, 1977. 312 с.

7.     National Hydro-meteorological Service National Center for Hydro-meteorological Forecasting (NCHMF). URL: http://www. thoitietvietnam.gov.vn/web/en-US/62/19/58/map/Default.aspx (дата обращения: 26.11.2012).

8.     Solnitsev R. Creation of «Nature–Technogenic» control system of the basis of information technologies, Proc. Intern. Conf. «IEHS’02», 2002, pp. 12–17.

9.     Сольницев Р.И., Коршунов Г.И., Шабалов А.А. Моделирование замкнутой системы управления «Природа–Техноге­ника» // Информационно-управляющие системы. 2008. № 2 (33). С. 36–42.