На современном этапе «экологизации» наук, всех сфер производственной и непроизводственной деятельности общества, существует потребность в подготовке и переподготовке специалистов, в совершенстве владеющих методами математического моделирования процессов распространения примесей в воде, воздухе и почве, способных ставить и решать задачи управления качеством окружающей среды на этапах проектирования, реконструкции и нормального функционирования промышленных предприятий.
Для достижения этих целей необходимо разрабатывать проблемно-ориентированные вычислительные системы, включающие в себя банки данных, библиотеки моделей, сервисные программы ввода и вывода цифровой и графической информации, а также средства диалога, обеспечивающие известную гибкость работы с системой в режиме обучения и позволяющие совершенствовать существующее математическое описание на основе знаний и предшествующего опыта.
Данная работа посвящена вопросам разработки структуры и сценария работы проблемно-ориентированной вычислительной системы прогноза загрязнения атмосферы, условно названной ОРИЕНТ, предназначенной для решения научно-исследовательского, производственного и учебного характера. В ее основе лежат результаты работы, приведенные в [1].
Система ОРИЕНТ, представляющая собой совокупность технических, информационных и методических средств, должна обеспечивать:
- интерактивный режим организации вычислительного процесса;
- автоматизацию решения задач: прогноза распространения примесей в приземном слое атмосферы;
- обнаружение аномально работающих источников;
- оценку предотвращения экономического ущерба от снижения нагрузки на воздушный бассейн;
- контроль достоверности и полноты информации на этапах ее ввода, хранения и вывода;
- обработку информации в режимах «off-line» и «on-line»;
- организацию вывода цифровой, текстовой и графической информации.
Приразработке структуры программного обеспечения системы были использованы принципы структурного программирования [2].
Компонентами системы должны быть следующие подсистемы:
- ДП – обеспечивающая режим диалога и координирующая использование всех ресурсов системы;
- ПО – предназначенная для ознакомления пользователей с возможностями системы для их обучения;
- ПФЗ – обеспечивающая прием, анализ и коррекцию запросов пользователей и формирующая задания на выполнение прогноза;
- ПЗВ – предназначенная для выполнения прогнозов по сценарию в режимах «off-line» или «on-line», а также для анализа точности прогнозов по моделям, решения задач оценки экономического ущерба и обнаружения аномально работающих источников выбросов вредных примесей;
- ПВД – выполняющая функцию генератора выходной документации в соответствии с утвержденными на нее требованиями, а также запись результатов расчетов библиотеку архивов;
- ПВА – подсистема ведения архива и подготовки статистических данных о состоянии загрязнения воздушного бассейна за различные периоды времени, а также для тиражирования результатов прогноза;
- СУБД – система управления базами данных, обеспечивающая сопровождение баз данных;
- БД – банк данных, объединяющий следующие базы данных: ИП - для хранения информации о координатах и типах источников примесей; СП – для хранения информации о свойствах примесей и условиях их выделения (расходах, температурах, плотности и т.п.); БСА – для хранения информации о состоянии атмосферы (градиентах температуры, скоростях ветра, режиме инсоляции и т.д.); ЭД – для хранения информации экономического характера, связанной с расчетами ущерба; ППП – для хранения информации об особенностях подстилающей поверхности той местности, в воздушном бассейне которой осуществляется прогноз распространения загрязнения (коэффициенты шероховатости, координаты жилых зон и др.).
Центральное место в системе должно быть отведено решению задач прогноза уровня загрязнения атмосферы. Структура математических моделей распространения вредных ингредиентов в приземном слое атмосферы приведена на рис. 1. Наиболее часто используемыми являются следующие модели, которые обязательно должны быть включены в состав библиотеки моделей системы:
«Многоящичная» имитационная модель распространения примесей в воздушном бассейне крупных химических комбинатов Multibox, работающая в режиме «off-line» [3]. Тип прогнозов: средне- и долгосрочные. Оценка прогноза – вероятностная. Тип источников: поверхностные и приподнятые (одиночные и групповые).
Система факельных моделей работающая в режиме «off-line» [4]. Тип прогнозов: кратко- и среднесрочные. Оценка прогноза – вероятностная. Тип источников: одиночные, точечные, приподнятые.
Модель авторегрессии работающая в режиме «on-line» [5]. Тип прогнозов: оперативные. Оценка прогноза – детерминированная.
«Клубковая» модель выделения и распространения примесей, предназначенная для решения задач обнаружения аномально работающих источников в режиме «on-line» [6]. Тип источников: точечные, приподнятые. Оценка прогноза – детерминированная.
    Расчет предотвращенного ущерба от снижения нагрузки на воздушный бассейн, реализованный в соответствии с рекомендациями работы [7].
    Принцип работы подсистемы ПЗВ со всеми типами моделей иллюстрирован на рис. 2.
Работа системы ОРИЕНТ в режиме обучения должна сводиться к следующему. Пользователь выбирает один из трех возможных сценариев диалога с ПЭВМ: краткий (инструктивный), расширенный (с объяснениями), подробный (с рекомендациями) – в зависимости от уровня знания системы. Далее осуществляется вызов интересуемой задачи прогноза, изучается ее описание и характеристики (условия ввода и вывода данных, обращения к моделям и т.п.). Затем вызывается интересуемая модель прогноза, определяются наборы данных, содержащих числовую информацию к расчетам. Далее просматриваются исходные данные для тестового примера, содержащиеся в банке данных, и производится расчет. После завершения расчетов тестового примера пользователь должен установить форму вывода результатов – табличную и/или графическую, в двух возможных вариантах: полном или сокращенном. После анализа полученных данных пользователь в зависимости от принятых решений либо возобновит процесс обучения, либо приступит к решению целевой задачи исследования.
При выборе программной среды для разработки системы необходимо руководствоваться тем, что значительная часть базы данных представляет собой пространственное картографическое представление данных района размещения промышленного предприятия и его исследование целесообразно проводить с использованием подходов ГИС-технологий.
Компоненты ГИС ArcInfo (особенно версии 8), разработанной фирмой ESRI, могут стать универсальной базовой средой для интеграции самых различных информационных технологий и построения многофункциональных корпоративных информационно-аналитических и управляющих систем. Неотъемлемыми частями таких систем должны быть серьезные коммерческие реляционные СУБД (MS, SQL-Server, Oracle, Informix и др.) и сервера баз пространственных данных. В июне 2000 года фирма ESRI заявила о завершении разработок по созданию элементов системы ArcGIS. ArcInfo 8.1 (профессиональная система создания и поддержки баз пространственных данных, электронной картографии с мощными функциями анализа и моделирования), ArcSDE 8.1 (сервер баз пространственных данных) и ArcView 8.1 (“настольная” система создания, анализа, редактирования и распечатки карт, графиков, диаграмм и их компоновок) представляют основную часть ее составных элементов.

Литература

                  1. Попов Н.С., Немтинов В.А., Зубаков А.П. Проблемно-ориентированная вычислительная система прогноза загрязнения атмосферы // Проблемы контроля и защиты атмосферы от загрязнения: Республ. межвед. сб. науч. тр. - Киев: Наук. думка, 1987. - № 13. - С. 40 – 44.

                  2. Йодан Э. Структурное проектирование и конструирование программ. – М.: Мир, 1979. - 416 с.

                  3. Бодров В.И., Попов Н.С. Имитационная многоящичная модель загрязнения воздушного бассейна химических комбинатов // Проблемы контроля и защиты атмосферы от загрязнения: Республ. межвед. сб. науч. тр. - Киев: Наук. думка, 1983. - № 9. - С. 19 – 27.

                  4. Разработка имитационной системы для прогноза загрязнения воздушного бассейна в условиях неопределенности / Попов Н.С., Бодров В.И., Зубаков А.П. и др. // Проблемы контроля и защиты атмосферы от загрязнения: Республ. межвед. сб. науч. тр. - Киев: Наук. думка, 1988. - № 13. - С. 53 – 66.

                  5. Оперативный прогноз загрязнения воздуха на основе авторегрессионных моделей / Попов Н.С., Перов В.Л., Бодров В.И. и др. // Проблемы контроля и защиты атмосферы от загрязнения: Республ. межвед. сб. науч. тр. - Киев: Наук. думка, 1985. - № 11. - С. 33 – 41.

                  6. Бодров В.И., Попов Н.С., Арзамасцев А.А. Методика обнаружения промышленных источников загрязнения атмосферы работающих в аномальном // Проблемы контроля и защиты атмосферы от загрязнения: Республ. межвед. сб. науч. тр. - Киев: Наук. думка, 1986. - № 12. - С. 36 – 41.

                  7. Оценка эффективности природоохранных мероприятий на химических предприятиях / Малыгин Е.Н., Немтинов В.А., Мокрозуб В.Г. и др. // Химическая промышленность, 1989. - № 12. - С. 943.