Алгоритмическое и программное обеспечение комплексного исследования техногенных и геологических аномалий в атмосфере

Актуальность темы

Взаимодействие атмосферы с поверхностью и недрами Земли, сопровождаемое естественными и техногенными факторами, приводит к образованию в атмосфере макронеоднородностей различных газовых компонентов. Такие неоднородности носят название газовых аномалий (газовых атмогеохимических ореолов естественных и техногенных источников), их размеры могут достигать десятков и сотен километров. Оптические свойства таких аномалий отличаются от свойств естественной атмосферы и могут быть использованы для их обнаружения. Автоматизация научных исследований имеет особое значение для повышения эффективности обнаружения таких аномалий, так как позволяет получать более точные и полные модели исследуемых объектов и явлений, ускоряет ход научных исследований и снижает их трудоемкость, позволяет осуществлять прогноз сложных экологических ситуаций. Решение новых проблем оптики, метеорологии, экологии требуют применения более совершенных методов исследований, более производительных систем сбора, хранения и обработки экспериментальных данных.

Лазерное зондирование, являясь эффективным средством контроля и определения состояния атмосферы, позволяет определять большое число различных ее физических параметров: давление, плотность, температура, влажность, концентрация атмосферных газов, турбулентность неоднородностей, верхняя и нижняя граница облаков и т. д. Совокупность измеряемых параметров позволяет строить оптические и метеорологические модели атмосферы, необходимые для прогноза погоды, охраны окружающей среды и решения многих народно-хозяйственных задач [1,2].

В настоящее время в спектроскопии атмосферы достигнут значительный прогресс в развитии высокочувствительных амплитудных методов дистанционного и локального газоанализа [3]. Эти методы основаны на измерениях степени ослабления монохроматичного лазерного излучения в пектральных линиях поглощения атмосферных газов. Для практического^{пользования} таких методов необходимы банки данных параметров: пектральных линий поглощения. Однако на протяженных трассах в атмосфере фименение амплитудных методов ограничено влиянием атмосферной турбулентности (неполный перехват лазерного пучка приемником, случайная эефракция) и рассеянием излучения на атмосферных аэрозолях (трудно контролируемые энергетические потери).

Обработка экспериментальной информации при зондировании атмосферы является сложной задачей. Трудность обработки обуславливается высокой скоростью получения данных, большими объемами экспериментальной информации, необходимостью проведения экспериментов в реальном масштабе времени. Одновременно возросли требования к качеству и оперативности обрабатываемой информации, так как от этого зависят принимаемые решения о ликвидации техногенных аномалий, последствий экологических катастроф. Эти причины привели к необходимости оптимизации и автоматизации процессов сбора, передачи, хранения и обработки экспериментальных данных.

Задачи автоматизации процессов сбора, хранения и обработки измеряемой в эксперименте информации, ведение диалога исследователя с системой, оформления и выдачи результатов обработки в удобном и наглядном виде решаются путем создания автоматизированных систем обработки данных (АСОД).

Кратко изложим состояние вопроса по созданию АСОД для исследования техногенных и геологических аномалий в атмосфере. Известно [4−7], что одним из необходимых условий создания автоматизированных систем научного эксперимента является широкое использование средств вычислительной техники на всех этапах его проведения. С помощью персонального компьютера (ПК) можно автоматизировать все этапы исследований, которые поддаются формализации и описанию в виде алгоритмов, включая управление ходом проведения эксперимента, а также сбор, хранение и обработку измерений.

Для автоматизации эксперимента необходимо знание технологии его фоведения, учет специфических особенностей данного вида информационных ютоков и их обработки для использования преимуществ автоматизации [7 — 9]. Эти особенности — большой объем и высокая скорость поступления экспериментальных данных, как правило, достаточно сложные алгоритмы их обработки, необходимые для снижения погрешности вычислений, повышения качества получаемых результатов, требуют создания специализированных систем ибора и обработки регистрируемой информации [5, 8, 10, 11].

Анализ литературы [12 — 22] показывает, что существующие системы сбора и обработки экспериментальных данных реализованы с учетом особенностей предметной области их внедрения. В настоящее время существует большое количество прикладных программ, используемых при решении экологических задач: лазерного зондирования газового состава атмосферы, обработки изображений (из космоса, спутниковых) и данных дистанционного зондирования, распознавания загрязняющих атмосферу объектов, расчета различных атмосферных параметров, характеризующих экологическую обстановку. Пакеты прикладных программ можно условно разделить на следующие основные группы: программы, предназначенные для моделирования процессов измеренияпрограммы, определяющие основные параметры газовых составляющих атмосферыпрограммы, предназначенные для обработки изображений.

Однако, автору неизвестны универсальные системы регистрации и обработки. Основные задачи, выполняемые АСОД:

• регистрация и накопление измеряемой информации;

• первичная обработка регистрируемых данных и накопление статистики;

• управление экспериментом;

• вторичная обработка.

Существует ряд требований, предъявляемых к системам сбора и обработки экспериментальной информации [23]. Системы должны обладать: высокой производительностью, обеспечивая сбор и обработку сигналов в реальном или.

5лизком к реальному масштабу временибольшим объемом памяти для хранения жспериментальной информацииразвитым математическим обеспечением, решающим необходимые задачи по сбору, хранению и обработке данныхсредствами диалогового режима работы.

Создано большое количество разнообразных приборов, предназначенных для мониторинга окружающей среды. В ИОА СО РАН создан комплекс аппаратуры цля регистрации эмиссии и поглощения оптического и СВЧ-излучений, возбуждаемых радиоактивными загрязнениями в атмосфере — ДАН-2. Эта аппаратура предназначена для экспресс-контроля загрязнений воздушного бассейна и дистанционного обнаружения аэрозольно-газовых выбросов промышленных объектов, расчета и прогноза оптических фонов, прогноза распространения примеси в шлейфе выброса и анализа экологической обстановки.

Изложенная выше проблемная ситуация, сложившаяся при исследовании техногенных и геологических аномалий в атмосфере, является основанием для постановки следующей цели диссертации: разработать алгоритмы обработки данных и расчета параметров газовых аномалий и создать на этой основе комплекс программ для аппаратуры ДАН-2.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

— анализ методик расчета, оценки и прогноза характеристик атмосферных аномалий с целью создания оптимального алгоритма;

— разработка и обоснование состава автоматизированной системы обработки данных аппаратурного комплекса (СОДАК) для обеспечения эффективной работы аппаратурного комплекса ДАН-2;

— разработка программного обеспечения для обработки информации, поступающей с аппаратурного комплекса ДАН-2;

— разработка программного обеспечения для прогноза распространения примесей в шлейфе выброса предприятий, прогноза радиационной обстановки и оптических фонов в атмосфере;

— тестирование и испытание программного обеспечения при исследовании характеристик газовых аномалий.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались методы теории вероятностей, математической статистики, методы линейной алгебры, методы оптимизации, методы решения интегральных уравнений, оптические методы диагностики параметров атмосферы. При создании комплекса программ использованы методы структурного, объектно-ориентированного и модульного программирования.

Защищаемые положения.

1. На основе проведенного анализа существующих методик расчета, оценки и прогноза характеристик атмосферных аномалий разработаны обобщенный алгоритм и состав автоматизированной СОДАК, обеспечивающие повышение оперативности оценки развития экологических ситуаций.

2. Предложенная организация функционирования СОДАК позволила в условиях регистрации аппаратурой ДАН-2 быстропротекающих процессов реализовать многофункциональный комплекс программ.

3. На основе разработанного обобщенного алгоритма обработки данных, объектно-ориентированной среды программирования Delphi и методик расчета, оценки и прогноза характеристик атмосферных аномалий создан комплекс программ автоматизированной СОДАК, прошедший испытания в ИОА СО РАН и внедрен на аппаратуре ДАН-2. Использование комплекса программ позволило улучшить качество регистрации данных, обработки информации, визуализации полученных результатов обработки.

Достоверность результатов обеспечивается применением строгих математических методов решения задач, обоснованным использованием современных технологий разработки программного обеспечения, тестированием всех программных модулей, экспериментальным исследованием комплекса программ прогноза экологических ситуаций и обработки данных для реальных ситуаций.

Научную новизну полученных в работе результатов определяют.

1. Алгоритмы расчета, оценки и прогноза развития техногенных и геологических аномалий в атмосфере.

2. Синтез обобщенного алгоритма обработки данных пассивного газоанализа атмосферы с использованием аппаратурного комплекса ДАН-2.

3. Алгоритм функционирования автоматизированной СОДАК для лазерного зондирования.

4. Результаты комплексного исследования алгоритмов обработки информации по оценке распределения примеси в шлейфе и прогноза экологической обстановки, алгоритмов регистрации процесса обработки данных по прогнозу оптических фонов и данных оптического корреляционного спектрофотометра.

Практическая ценность. Разработанный в процессе выполнения данной работы комплекс программ для ДАН-2 является универсальным и может быть использован для другой экспериментальной аппаратуры, предназначенной для решения задач атмосферной оптики. Комплекс программ внедрен в ИОА СО РАН, что подтверждается актом о внедрении. Созданное программное обеспечение также может использоваться в учебном процессе специалистов в области экологии, метеорологии, оптики атмосферы.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях, симпозиумах, семинарах:

V Рабочая группа «Аэрозоли Сибири», Томск, 1998; III региональная научно-техническая конференция студентов и молодых специалистов «Радиотехнические и информационные системы и устройства», Томск, 1999; XXXVII Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, 1999; VI международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана, 1999; VI Рабочая группа «Аэрозоли Сибири», Томск, 1999; XXXVIII Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, 2000; Региональная научно-практическая конференция, Юрга, 2002; VII Рабочая группа «Аэрозоли Сибири», Томск, 2002.

Основные результаты исследований по теме диссертации отражены в 13 лубликациях, цитируемых по ходу изложения материала.

Личный вклад автора. Диссертация написана с использованием результатов, гголученных лично автором или при его участии во всех этапах решения поставленной задачи.

1. Алгоритм расчета по методике спектроскопии для обработки экспериментальных данных оптического корреляционного спектрофотометра разработан лично автором.

2. Анализ возможности применения методик оценки и прогноза оптических фонов в атмосфере при автоматизации работы комплекса ДАН-2 проведен совместно с Исаковой А.И.

3. Структура и состав программного обеспечения комплекса аппаратуры ДАН-2 разработаны совместно с Чистяковой Л. К., Исаковой А. И., Катаевым М.Ю.

4. Первичная обработка экспериментальных данных выполнена совместно с Пениным С.Т.

5. Модули программного обеспечения по обработке экспериментальных данных оптического корреляционного спектрофотометра разработаны лично автором.

6. Модули программного обеспечения для прогноза оптических фонов в атмосфере разработаны совместно с Исаковой А.И.

7. Интерфейс СОДАК с использованием объектно-ориентированной среды программирования Delphi 5.0 создан лично автором.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 70 наименований и 2 приложений. Объем основного текста диссертации составляет 130 страниц машинописного текста, иллюстрированного 53 рисунками и 14 таблицами.

Основные результаты и выводы настоящей главы состоят в следующем.

1. Проведено тестирование всех программных модулей автоматизированной СОДАК, которое показало, что тестовые задачи решены с допустимыми погрешностями (0,4 ч- 15%).

2. Проведена проверка работоспособности газоаналитического модуля комплекса ДАН-2 на стендовой базе ИОА СО РАН с использованием метрологически аттестованных газовых кювет в натурном эксперименте по контролю аэрозольно-газовых выбросов ГРЭС-2 на удалении 3 км от измерителя.

3. Проведено 2 цикла испытаний: точечное измерение и измерение горизонтальных профилей концентрации NO2 в выбросе промышленного объекта. Отмечено, что при больших концентрациях NO2 прибор способен различать очаги выбросов на расстоянии более 3-х км.

4. Приведены расчеты и оценка работы подсистемы прогноза распространения примеси в шлейфе выброса для ряда стандартных ситуаций турбулентной атмосферы и различных классов устойчивости, скоростей ветра, расстояния от источника. Проведен сравнительный анализ расчетов для города и села, который показал, что концентрации примеси для реальных (не стандартных) ситуаций атмосферы, выполненные на основе гауссовой модели и модели Берлянда, отличаются от результатов, полученных методом траекторной модели, который является более точным и универсальным.

5. Проведены расчеты мощности фона для четырех синоптических ситуаций, которые включают различные типы подстилающей поверхности, разные углы наблюдения и расстояния до объекта. Из расчетных результатов следует, что наибольший вклад в мощность фона дает излучение при максимальном совпадении значений угла наблюдения и угла. Среди видов подстилающей поверхности существенный вклад в фоновое излучение вносит снег, так как имеет наибольшее спектральное альбедо (90%) естественных поверхностей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе проведен анализ методик расчета, оценки и прогноза развития ситуаций при различных техногенных авариях, разработан комплекс программ для их реализации. Разработана и внедрена автоматизированная система обработки данных аппаратурного комплекса ДАН-2.

При выполнении диссертационной работы получены следующие основные результаты.

1. Определена проблемная ситуация, сложившаяся в области исследования техногенных и геологических аномалий в атмосфере, описан аппаратурный комплекс ДАН-2 как объект исследования, проведен анализ известных ППП и обоснована актуальность разработки универсального комплекса программ для аппаратуры ДАН-2.

2. Исследована целесообразность применения методик спектроскопии для обработки экспериментальных данных оптического корреляционного спектрометра, методик оценки и прогноза оптических фонов в атмосфере, методик прогноза распространения аномального шлейфа выбросов промышленных объектов для автоматизации аппаратурного комплекса ДАН-2.

3. Синтезирован обобщенный алгоритм автоматизированной СОДАК, разработана структура и состав программного обеспечения комплекса аппаратуры ДАН-2.

4. Разработаны модули программного обеспечения по обработке данных оптического корреляционного спектрометра, прогноза распространения примеси в шлейфе, расчета и прогноза оптических фонов в атмосфере.

5. Предложен и разработан интерфейс СОДАК с использованием объектно-ориентированной среды программирования Delphi 5.0.

6. Проведено тестирование программного продукта и исследование методик при обработке экспериментальных данных, выполнен сравнительный анализ предложенных методик, реализованных в комплексе программ.

Таким образом, в диссертации создано программное обеспечение для комплексного исследования техногенных и геологических аномалий в атмосфере, которое базируется на предложенном обобщенном алгоритме работы автоматизированной СОДАК с применением методик расчета, оценки и прогноза развития экологических ситуаций. Обобщенный алгоритм реализован в виде сложного комплекса взаимосвязанных подпрограмм, передан и внедрен в эксплуатацию в ИОА СО РАН. Созданный комплекс программ позволяет не только проводить обработку реальных экспериментальных данных, но и прогнозировать развитие экологической ситуации при возникновении различных техногенных аномалий атмосферы.

Автор выражает благодарность д.т.н., профессору Корикову A.M. и к.т.н., доценту Исаковой А. И. за внимание и усилия по руководству диссертацией, д.ф.-м.н., профессору Копытину Ю. Д. и д.ф.-м.н. Чистяковой JLK. за создание условий для ее выполнения. Автор признателен многочисленным коллегам по Институту оптики атмосферы СО РАН за полезные советы и помощь в работе: к.ф.-м.н. Баландину С. Ф., к.ф.-м.н. Шишигину С. А., с.н.с. Ленину С. Т., Протасевичу А. Е., преподавателям кафедры АСУ д.т.н., профессору Мицелю А. А. и д.т.н., доценту Катаеву М.Ю.