А исследования

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 исследования загрязнения воздушного бассейна выбросами промпредприятий;
• разработка методов представления результатов расчетов с помощью усредненных характеристик состояния воздушного бассейна в виде графических образов;
• разработка специализированной системы управления базой данных (СУБД), предназначенной для ведения базы данных об источниках выбросов, их характеристиках и метеоусловиях;
• разработка интерактивного интерфейса пользователя (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 когнитивностью 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 прикладной 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 глубину и разносторонность проводимых исследований. Пользователю предоставляется возможность манипулировать направлением и скоростью ветра, температурой воздуха, границами исследуемой территории; указывать источники выбросов, влияющие на загрязнение территории при выбранном направлении 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 рис. 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.

Рисунок 1 – Структура системы ISM 26

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.

Рисунок 2 – Схема базы данных

Учитывая сказанное, была разработана специализированная СУБД, реализованная на языке C++, поддерживающая ведение базы данных со схемой, представленной на рис. 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 наблюдений.

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 картинка, 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 заданных метеоусловий представлен на рис. 3.

Рисунок 3 – Результаты расчета ЗВ для заданных метеоусловий

Исходными 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 отображаются изолинии.

Ввод исходных данных осуществляется в процессе диалога с пользователем по запросу из про граммы. Для задания направления ветра используется пиктограмма в виде розы ветров в верхней части экрана. Предусмотрена возможность расчета 3В как для всей контролируемой территории, так и да отдельных ее участков. В нижней части экрана вы водится гистограмма, отображающая процентное соотношение частей территории с различными уровнями загрязнения. Пользователь может задать один или группу источников выбросов, участвующих в расчете, или выбор таких источников осуществляется автоматически. Этот режим удобен для исследования влияния источников ЗВ на общую картину: он позволяет оценить, какой вклад вноси каждый отдельный источник в ЗВ, и является основой для принятия решения по снижению уровня ЗВ. Повторные исследования для различных погодных условий (изменения направления, скорости ветра, температуры) позволяют сделать качественный прогноз для предсказания развития ситуации и принять решение для предотвращения опасности да населения.

При отображении результатов расчета по данным натурных измерений на карте местности указаны точки, в которых установлены пункты наблюдения. Данные о наблюдениях хранятся в базах данных. Комплекс программ осуществляет интерполяционные 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 теоретическим моделям, и сравнивать их с полями, рас считанными по результатам натурных наблюдений;
2. выявлять источники выбросов, определяющие основной вклад в загрязнение различных районов исследуемой территории при различных метеоусловиях;
3. определять опасные скорости и направления ветра;
4. рекомендовать мероприятия по снижению объемов выбросов при неблагоприятных метеоусловиях.

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.