Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Метод и алгоритмы геоинформационного моделирования техногенного воздействия угледобывающих предприятий на состояние окружающей среды

ВАК РФ 25.00.35, Геоинформатика

Автореферат диссертации по теме "Метод и алгоритмы геоинформационного моделирования техногенного воздействия угледобывающих предприятий на состояние окружающей среды"

На правах рукописи

ФАНАСКОВ ВИТАЛИЙ СЕРГЕЕВИЧ

МЕТОД И АЛГОРИТМЫ ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ УГЛЕДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ НА СОСТОЯНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Специальность 25.00.35 - «Геоинформатика»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва 2013

14ПЯ 2013

005538177

Работа выполнена в Новокузнецком институте (филиале) ФГБОУ ВПО «Кемеровский государственный университет»

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент Степанов Юрий Александрович, доцент кафедры информационных систем и управления в Новокузнецком институте (филиале) ФГБОУ ВПО «Кемеровский государственный университет»

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Певзнер Леонид Давидович, заведующий кафедрой автоматики и управления в технических системах ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет»;

кандидат технических наук Филиппов Юрий Алексеевич, старший научный сотрудник лаборатории «Геотехнологических процессов» ФГБУН «Институт проблем комплексного освоения недр» РАН (ИПКОН РАН).

ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет имени

Защита диссертации состоится 26 ноября 2013 г. в 14.00 час . на заседании диссертационного совета Д-212.128.08 при Московском государственном горном университете (МГГУ) по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский проспект, дом 6

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

Автореферат разослан 25 октября 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Д-212.128.08

Ведущая организация:

Т.Ф. Горбачева» (г. Кемерово)

доктор технических наук, профессор

В.М. Шек

Общая характеристика работы Актуальность работы. Индустриальная среда порождает множество техногенных воздействий, которые оказывают негативное влияние на здоровье людей и экологическую ситуацию в целом. Неблагоприятная экологическая обстановка характерна в первую очередь для промышленно развитых регионов, на территории которых находятся энергетические, металлургические и угледобывающие предприятия. В таких регионах наблюдается деградация природного ландшафта и высокий уровень загрязнения атмосферы, почв и вод отходами производства.

Для целенаправленного снижения и компенсации техногенных воздействий необходима количественная оценка степени их влияния на состояние окружающей среды и здоровье людей. Процесс получения таких оценок сопряжён с многофакторным анализом больших объёмов пространственно-атрибутивных данных и построением сложных компьютерных моделей взаимодействия искусственных и естественных объектов. Следовательно, при проведении экологических исследований целесообразно применять специализированное программное обеспечение на базе геоинформационных систем (ГИС), которое позволяет использовать методы пространственного анализа совместно с моделями распространения загрязняющих веществ в рамках единой системы.

При таком подходе за счёт учёта атрибутивных данных объектов техногенного воздействия и использования проверенных алгоритмов расчётов достигается достаточная для практики точность количественных оценок техногенного воздействия. Пространственная привязка полученных показателей к объектам на территории индустриального региона позволяет отслеживать и прогнозировать изменение зон распространения загрязняющих веществ. На основе предварительного геоинформационного моделирования мест складирования отходов разрабатываются рекомендации, способствующие формированию благоприятной экологической ситуации.

С учётом вышеизложенного разработка методических основ построения информационных моделей, которые учитывают пространственно-атрибутивный характер воздействия промышленных предприятий на состояние окружающей среды, и последующая их компьютерная реализация на базе геоинформационных технологий является актуальной научной и практической задачей.

Цель диссертационной работы заключается в разработке информационного обеспечения систем экологического мониторинга в части реализации компьютерных моделей количественной оценки техногенного воздействия угледо-

1

бывающих предприятий на состояние окружающей среды с использованием ГИС-технологий.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработать многослойную информационную модель ГИС для проведения геоэкологических исследований.

2. Определить компонентный состав компьютерной модели техногенного воздействия угледобывающих предприятий на состояние окружающей среды.

3. Разработать алгоритм адаптации компонентной модели ГИС, описывающий её пошаговую настройку с учётом технологий реализации и специального функционального наполнения.

4. Разработать адаптивный метод проектирования и реализации специализированного программного обеспечения для проведения геоэкологических исследований на базе технологий ГИС с использованием компонентной архитектуры.

5. Применить разработанный метод в процессе реализации компьютерной модели оценки техногенных воздействий в зоне ответственности угледобывающих предприятий.

Основная идея работы заключается в использовании современных концепций предметно-ориентированного проектирования для геоинформационного моделирования воздействия техногенных объектов угледобывающих предприятий на состояние окружающей среды в индустриально развитых регионах.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Разработана классификация программного обеспечения ГИС для проведения геоэкологических исследований, упорядочивающая системы данного класса по времени конструирования и позволяющая предварительно оценить продолжительность всех этапов жизненного цикла их реализации.

2. Разработана объектная декомпозиция специализированной ГИС с вариативным функциональным наполнением специального назначения и построена информационная модель программных систем данного класса.

3. Разработана модульная структура алгоритмов геоинформационного моделирования, содержащая объекты функционального наполнения, интерфейсы и соединительные элементы, позволяющая в рамках единой модели конструировать специализированное ПО.

4. Разработан адаптивный метод конструирования геоинформационного программного обеспечения для проведения геоэкологических исследований,

включающий объективную количественную оценку времени прохождения всех этапов его жизненного цикла и пошаговую реализацию программного средства в рамках предложенной модульной структуры.

5. Реализована специализированная ГИС для оперативного учета техногенных факторов, влияющих на загрязнение атмосферы, почв и подземных вод в зоне ответственности угледобывающих предприятий ООО «Объединение «Прокопьевскуголь» твёрдыми, жидкими и пылегазообразными отходами производства.

Научная новизна:

1. Разработана информационная модель ГИС для проведения геоэкологических исследований.

2. Разработана модульная структура специализированного программного обеспечения информационной поддержки систем экологического мониторинга на базе технологий ГИС.

3. Разработан геоинформационный метод, описывающий все этапы жизненного цикла реализации компьютерных моделей экологического мониторинга.

4. Сформирован алгоритм настройки разработанных моделей.

5. Получена оценка времени конструирования пакетов программ геоинформационного моделирования в зависимости от архитектурных особенностей, специального и общего функционального наполнения, а также технологических решений и предложена классификация программного обеспечения по степени сложности разработки.

Практическая значимость диссертации заключается в разработке программного обеспечения для проведения геоэкологических исследований, которое позволяет учитывать влияние пространственно-атрибутивных техногенных воздействий на состояние окружающей среды и разработать комплекс природоохранных мероприятий для улучшения экологической ситуации в промыш-

ленно развитых регионах.

Результаты исследования использованы при разработке специализированного программного обеспечения в рамках НИР Новокузнецкого института (филиала) ФГБОУ ВПО «Кемеровский государственный университет». На разработанное программное обеспечение получены 5 свидетельств о разработке

программ для ЭВМ.

Апробация работы. Результаты исследования докладывались и обсуждались на заседаниях научных семинаров факультета информационных

технологий НФИ КемГУ (Новокузнецк, 2011-2013 гг.), на X Всероссийской научной конференции «Краевые задачи и математическое моделирование» (Новокузнецк, 2010-2013 гг.), на Международной конференции «Высокие технологии, фундаментальные исследования, экономика» (Санкт-Петербург, 2011-2012 гг.), на Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых учёных по нескольким междисциплинарным направлениям «Эврика-2011» (Новочеркасск, 2011 г.), Международной научно-методической конференции (Воронеж, 2011-2012 гг.), Международном симпозиуме «Неделя горняка» (2013 г.).

Предложенный метод применялся при работе над проектами, представленными на XVIII и XIX Сибирском промышленном форуме. По итогам проведения форумов получены диплом и бронзовая медаль соответственно. Разработанное программное обеспечение используется на предприятиях ООО «Объединение «Прокопьевскуголь» и в учебном процессе НФИ КемГУ.

Публикации. Основные положения и результаты работы отражены в 10 научных трудах, в числе которых 2 статьи в журналах по перечню ВАК Ми-нобрнауки России, 5 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 131 наименования, содержит 159 страниц текста, 33 иллюстрации и 11 таблиц.

Основное содержание работы

Начало развития компьютерных геоинформационных технологий относится к 1960-м годам. Теоретические основы разработки ГИС сформулированы российскими исследователями А М. Берлянтом, Н.С. Сербенюком, В. С. Тику-новым, И. К. Лурье, А. В. Кошкаревым и другими, а также зарубежными авторами М.Н. ДеМерсом (.Michael N.DeMers), П.А.Берроу (.BurroughP.A), Р.А.Макдоннеллом (McDonnellR.A), Дж. Л.Моррисоном {Morrison J.L.), M. Цайлером (Zeiler M.) и другими. Моделированию геологических и экологических объектов с использованием технологий ГИС посвящены работы учёных C.B. Сластунова, В.М. Шека, В.М. Аленичева, A.C. Вознесенского, И.В. Бакла-шова, А.Д. Багриновского, Д.К. Потресова, Н.В. Короновского, Т.А. Трифонова, И.В. Алешина, Д.В. Учаева, П.Е. Марченко, С.Н. Ивакина и других.

Проведённый в первой главе анализ известных работ показал, что вопросы связи моделей, используемых при проведении геоэкологических иссле-

дований, с их компьютерной реализацией не получили достаточно систематической проработки. В большинстве случаев компьютерные модели реализуются в ГИС общего назначения, функции которой используются для обработки картографических материалов. Такой подход не позволяет использовать преимущества ГИС как информационно-аналитической системы. Отсутствие обобщённой информационной модели и применение типовых методик компьютерной реализации ведёт к погрешности геоинформационного моделирования, невозможности оптимизации времени выполнения алгоритмов и нарушению модульности системы. Следовательно, для компьютерных моделей, используемых в экологическом мониторинге, целесообразна разработка метода программной реализации, охватывающего все основные этапы жизненного цикла компьютерной программы.

Во второй главе описана разработка многоуровневой структуры геоинформационной системы для проведения геоэкологических исследований. С точки зрения системного анализа процесс реализации компьютерных геоинформационных моделей является слабоструктурированной проблемой, подверженной влиянию множества различных слабосвязанных факторов. В работе выделены основные факторы, влияющие на сложность компьютерной реализации геоинформационных моделей, и предпринята попытка классификации программного обеспечения ГИС для проведения геоэкологических исследований. Сложность реализации геоинформационных моделей зависит от архитектурных особенностей системы, специального функционального наполнения, типов используемых источников данных и типов интерфейса пользователя. Исходя из этого разработана классификация, упорядочивающая системы рассматриваемого класса по сложности конструирования и получена количественная оценка времени реализации пакетов программ для геоинформационного моделирования. Классификация включает четыре класса сложности: первый - низкая сложность (время реализации 50-100 дней), второй - нормальная сложность (время реализации 100-150 дней), третий - высокая сложность (150-250 дней) и четвертый - очень высокая сложность (больше 250 дней). В рамках этой классификации может быть использована общая информационная модель, которая конкретизируется при компьютерной реализации с учетом специфики разрабатываемой системы.

Разработана классификация программного обеспечения ГИС для проведения геоэкологических исследований, упорядочивающая системы данного класса по времени конструирования и позволяющая предварительно оце-

5

нить продолжительность всех этапов жизненного цикла их реализации.

Одним из наиболее важных факторов, оказывающих влияние на структуру информационной модели ГИС для проведения геоэкологических исследований, является сложность реализации многофакторного анализа экологической ситуации. Единая компьютерная модель описывает несколько независимых групп функций, результаты работы которых должны быть доступны как по отдельности, так и в совокупности, и алгоритм расчета может быть декомпозирован на несколько модулей. При этом возникают проблемы согласования работы нескольких составляющих единой модели в рамках геоинформационной системы, которые необходимо решать путем определения их прав и приоритета совместного доступа к специальному функциональному наполнению и различным источникам данных (векторные, тематические карты, данные спутниковой съемки). При использовании нескольких типов программных и аппаратных платформ (планшетные и настольные устройства) существует проблема корректной визуализации.

В результате была разработана обобщённая информационная модель ГИС многофакторного анализа техногенных факторов (рис.1). Модель состоит из четырёх слоев: графическое представление пространственно-атрибутивных данных и взаимодействие с пользователем, функциональное наполнение, модели предметной области и источники данных.

Уровень интерактивных интерфейсов включает средства двунаправленного взаимодействия системы с пользователем. За счёт введения контроллера

Контроллер модели

X

Геоинформационные модели

Источники данных

Рис. 1. Многослойная информационная модель ГИС для проведения многофакторного анализа техногенных воздействий

интерфейсов решена проблема корректного представления пространственных объектов и получения их атрибутивных характеристик на разных платформах. Введение контроллера служб обусловлено тем, что интерфейсы нуждаются в использовании функций обработки геометрических примитивов, генерации отчётов и динамическом отображении данных моделирования.

Проблема согласованной работы отдельных групп функций решена за счёт введения слоя служб. Слой служб содержит различное функциональное наполнение, необходимое для поддержания работы системы в целом и отдельных геоинформационных моделей.

Для согласованной работы различных методик расчёта техногенных показателей в системе содержится контроллер моделей. Данный контроллер решает проблему доступа моделей к общим службам и позволяет использовать их в рамках единой информационно-аналитической системы.

Модели расчёта техногенных показателей предполагают использование картографических материалов, справочных классификаторов с уникальной структурой и пространственных систем управления базами данных. Слой источников данных содержит средства, необходимые для работы с электронными классификаторами, векторными и растровыми картами, пространственными СУБД и другими источниками данных.

Разработана объектная декомпозиция специализированной ГИС с вариативным функциональным наполнением специального назначения и построена информационная модель программных систем данного класса.

Информационная модель является основой для построения алгоритма решения геоэкологических задач. Объектная структура модели естественным образом преобразуется в модульную структуру алгоритма. Это позволило разработать модульную структуру ГИС (рис.2), которая значительно снижает внутреннюю связанность функциональных элементов системы, обеспечивает возможность гибкого изменения архитектуры в зависимости от специального функционального наполнения и тем самым снижает трудоемкость разработки программного обеспечения.

В рамках модульной архитектуры обобщённые ассоциативные отношения между элементами модели конкретизируются до однонаправленных связей-зависимостей, что позволяет реализовать их в компьютерной программе с сохранением целостности геоинформационной модели.

Использование возможностей дополнительных библиотек и инструментов сторонних разработчиков достигается за счёт внешнего открытого

Рис.2. Компонентная модель специализированной ГИС

интерфейса и контроллера функциональных сервисов. Интеграция с другими приложениями информационной поддержки экологического мониторинга гарантируется внешней доступностью возможностей контроллера функционального наполнения.

Разработана модульная структура алгоритмов геоинформационного моделирования, содержащая объекты функционального наполнения, интерфейсы и соединительные элементы и позволяющая в рамках единой модели конструировать специализированное ПО.

В третье главе представлена разработка адаптивного геоинформационного метода проектирования и реализации программного обеспечения для проведения геоэкологических исследований. Предложенная архитектура реализуется в рамках комплексного метода разработки, охватывающего все этапы жизненного цикла создания программного продукта. Разработанный метод создания СПО ГИС состоит из трёх этапов:

1. Этап конфигурирования и оценки. Конфигурирование последующих этапов и оценка реализуемости проекта.

2. Этап адаптации моделей и технологий разработки. Развёрнутый анализ предметной области, спецификация задач, объектов, моделей и методов.

3. Этап программной реализации. Основные этапы жизненного цикла разработки программной системы согласно выбранной модели.

На этапе конфигурирования и оценки производится учёт ограничений, накладываемых на функциональные возможности и технологии реализации разрабатываемой программной системы, и даётся количественная оценка выбранных характеристик (времени, сложности, стоимости и т. д.) этапов разработки.

Вначале производится спецификация функций и формализация геоинформационных моделей для расчёта параметров техногенного воздействия угледобывающих предприятий. Далее выбираются технологии реализации и оценивается их доступность. Затем оценивается возможность реализации комплекса программ для геоинформационного моделирования с учётом требований заказчика. Если реализация возможна, то осуществляется настройка моделей и корректировка этапов реализации. В противном случае пересматриваются ограничения, накладываемые на систему. В результате проектируется модульная структура системы и настраивается последовательность действий по её компьютерной реализации.

Для предварительной оценки времени компьютерной реализации геоинформационной модели используется разработанная классификация. Для слож-

ных систем (классы сложности 3 и 4) выполняется расширенная оценка времени реализации с использованием сетевой модели (рис. 3).

Расчёт времени выполнения всех этапов проектирования и реализации ГИС (табл.1) основан на значениях продолжительности работ Ти. Для каждой работы методом экспертных оценок определяется весовой коэффициент, характеризующий время её выполнения:

ЗА, + 2В„

-L' (1)

где Ти - ожидаемая продолжительность работ;

А0 - нижняя (оптимистичная) оценка, определяющая продолжительность

работ в идеальных условиях;

Вв - верхняя (пессимистичная) оценка, определяющая продолжительность

работ с учётом всех возможных срывов.

Степень разброса значений характеризуется дисперсией:

п2 ..К+2В,)2 (2)

¿и р ■ 1 у

Для каждого события рассчитываются три характеристики: ранний и поздний сроки его совершения и доступные резервы времени. Пусть начальное событие имеет номер 0, а конечное событие - номер N. Обозначим через Ь]

длину пути наибольшей протяжённости от 0 до/. По принципу оптимальности Р. Беллмана

^■=тах{Ц+Ту},]> О;£0=О. (3)

Величина Lj соответствует самому раннему сроку завершения всех работ Т°, предшествующих данному событию. Значение Ьм будет соответствовать критическому времени выполнения проекта Ткрит .

Обозначим через М, длину пути наибольшей протяжённости от события г до события И:

М, = тах{Т1к +Mk},i<N\LN=Q. (4)

с*)

Величина Т- =Ткрип1-М1 соответствует наиболее позднему сроку начала всех работ, следующих за г'-тым событием.

ю

Этап анализа

Спецификация компонентов

Проект

Разработка и/или выбор инструментов . Основной жизненный цикл . выполнен (

Рис. 3. Сетевая модель создания специализированной ГИС на основе объектно-ориентированного подхода

Таблица 1

Параметры сетевой модели

Код работы (У) Наименование работы / перечень работ Продолжительность работ, КУ) Раннее время Позднее время Резервы

Нач., Зав., tp.з.(^,i) Нач., 'л.н.(ы) Зав., Поли., Кп.(У) Своб., Нез., Част.,

1,3 Анализ предметной области а 1р.„.(1,3) 1п.„.(1,3) 1„.,(1,3) Я„.(1,3) Rc.il,3) RH.il,3) R4.il,3)

1,2 Адаптация методики Ь 1р.„.(1,2) V (1,2) 1п.„.(1,2) 1п,.(1,2) Rn.il, 2) Rc.il,2) RH.il,2) Rч.(l,2)

Работы, не лежащие на критических путях, обладают резервами времени. Их выполнение может быть задержано на какое-то время. В таблице 1 приведены оценки четырех видов резервов: полного резерва

к„а,л=т;-т;>-т,]- (5)

свободного резерва

= (6)

К„ ('"> Л - тах {Г] -Ту ,0}; (7)

независимого резерва

и частного резерва

КО',Л = Т)-Т^-Т„. (8)

Для оптимизации сетевой модели путём перераспределения ресурсов с ненапряженных работ на критические работы рассчитывается коэффициент напряжённости:

„ _ Т{ЬЫ)-Ткрит (Ьн) п ~~ т -Т (Ь )' "'

крит. крит. \ N }

где Т(ЬК )- продолжительность максимального пути, проходящего через данную работу;

Ткрыт (Ьм)~ продолжительность отрезка рассматриваемого пути, совпадающего с критическим путём.

Коэффициент напряжённости может иметь значения от 0 до 1. Чем больше коэффициент, тем сложнее выполнить работу в указанный срок. На основе коэффициента напряжённости все работы могут быть разделены на три группы: напряжённые (Кп >0,8), подкритические(0,6 < Кп < 0,8) и резервные^,, <0,6).

Все параметры сетевой модели являются усреднёнными характеристиками. Следовательно, при достаточно большом количестве работ можно утверждать (а при малом - предполагать), что средняя продолжительность любого, в том числе и критического, пути равна сумме средних значений продолжительности составляющих его работ, а дисперсия равна сумме дисперсий продолжительности этих работ. На основе этого можно определить вероятность того, что продолжительность критического пути Ткрит не превышает директивного

уровня Г. Данная задача решается на основе интеграла вероятностей Лапласа Ф(г) по формуле

Р{Ткрит<Т) = 0,5 + 0,50(2), (JO)

где z - нормированное отклонение случайной величины:

(Т-Т )

V крит. 1

(П)

SKp- среднеквадратичное отклонение, вычисляемое как корень квадратный из дисперсии продолжительности критического пути.

При достаточно большой величине (>0,8) можно предполагать своевременное выполнение работ.

Этап адаптации моделей и технологий разработки включает в себя действия, связанные с расширенным анализом предметной области, выбором технологий реализации, адаптацией концептуальной модели ГИС и разработкой специализированных языковых средств. На данном этапе производится окончательный выбор технических средств реализации и проектирование предметно-ориентированных языков программирования. Далее проводится адаптация концептуальной модели к специфике разрабатываемой программной системы. Взятая за основу концептуальная модель, обладающая разделением на слои, в результате адаптации детализируется в плане функциональных подсистем. Этап подготовки завершается проектированием и реализацией предметно-ориентированного языка программирования (DSL).

На этапе программной реализации конкретизируется модель жизненного цикла реализации системы и набор практик, применяемых в процессе создания программных систем, и производится кодирование программного продукта.

Этапы разработанного метода представлены на рис. 4.

Разработан адаптивный метод конструирования геоинформационного программного обеспечения для проведения геоэкологических исследований, включающий объективную количественную оценку продолжительности всех этапов его жизненного цикла и пошаговую реализацию программного средства в рамках предложенной модульной структуры.

В четвертой главе рассмотрено практическое применение метода геоинформационного моделирования техногенного воздействия промышленных предприятий на состояние окружающей среды. Разработанный метод геоинформационного моделирования был применён при разработке программного обеспечения для оценки техногенного воздействия в зоне предприятий ООО «Прокопьевскуголь».

Конфигурирование

Анализ предметной области

Спецификация задач

Спецификация объектов

Спецификация моделей

Выбор технологий реализации

Настройка компонентов каркаса

Проектирование структуры БД

Согласование взаимодействия

Адаптация программных каркасов и баз данных

И"

Проектирова ние общей структуры ГИС

Выделение подсистем

Моделирование взаимодействий

И

Выбор платформы

Выбор типа приложения

Адаптация модели

Выбор архитектуры

Разработка внутренних и внешних ОБЬ

Спец. внешних РБЬ

Спец. внутренних 051.

Согласование взаимодействия

Реализация ГИС

V

^ Кодирование

Рис. 4. Адаптивный метод конструирования геоинформационного программного обеспечения для проведения

геоэкологических исследований

Спроектированная и реализованная программная система позволяет рассчитать параметры техногенной нагрузки предприятий на состояние атмосферы, почв и подземных вод (рис. 5). За счёт поддержки распространённых форматов данных и интерфейсов прикладного программирования программный продукт может быть интегрирован с существующими программами для проведения экологического мониторинга.

Экспертная оценка реализуемости требуемых функций при коэффициенте конкордации 0,9 позволила отнести проект к категории 3, а время его реализации оценить в 160 дней. Вероятность того, что проект будет реализован за 160 дней, рассчитана после предварительной спецификации работ и построения сетевой модели и составила 94,52%. Фактическое время разработки проекта составило 148 дней, то есть на 12 дней меньше (7,5%).

Рис. 5. Интерфейс главного окна программы Ь-ОК для проведения экологического мониторинга

Благодаря применению практик непрерывной интеграции и частых релизов до 70% ошибок были исправлены на ранних стадиях разработки. Полученные в процессе реализации результаты подтверждают высокую точность компьютерной реализации геоинформационных моделей.

Реализована специализированная ГИС для оперативного учёта техногенных факторов, влияющих на загрязнение атмосферы, почв и подземных вод в зоне ответственности угледобывающих предприятий ООО «Объединение «Прокопьевскуголь» твёрдыми, жидкими и пылегазообразными отходами производства.

Заключение

В диссертационной работе решена научная задача по созданию метода реализации компьютерных моделей количественной оценки техногенного воздействия угледобывающих предприятий на состояние окружающей среды с использованием технологий ГИС, позволяющего создавать специализированные программные системы для геоэкологических исследований на угледобывающих предприятиях.

Основные научные и практические результаты, полученные автором в ходе выполнения работы:

1. Разработана классификация ГИС для проведения геоэкологических исследований, упорядочивающая системы данного класса по уровню сложности компьютерной реализации в зависимости от архитектурных особенностей, функционального наполнения, типов источников данных и специфики пользовательских интерфейсов.

2. Разработана информационная модель ГИС для проведения геоэкологических исследований, предполагающая явное разделение системы на уровни по признаку функциональности, что позволяет учесть вариативность общего и специального функционального наполнения для проведения количественной оценки параметров техногенного влияния.

3. Разработана модульная структура специализированного программного обеспечения информационной поддержки систем экологического мониторинга на базе ГИС, которая может быть сконфигурирована для реализации программных систем данного класса с учётом использования нескольких геоинформационных моделей для комплексного анализа экологической ситуации.

4. Разработан адаптивный метод пошаговой реализации геоинформационных моделей с использованием объектно-ориентированного подхода, позволяющий создавать программные системы, использующие типовые для ГИС технологии и обладающие характерной для геоэкологии спецификой в обработке и организации данных.

5. Разработан специализированный программный продукт, предназначенный для учёта техногенной нагрузки угледобывающих предприятий и осуществления экологического мониторинга на предприятиях ООО «Объединение «Прокопьевскуголь».

6. Применение разработанной методики в процессе реализации специализированного программного обеспечения учёта техногенной нагрузки и проведения экологического мониторинга на базе ГИС для ООО «Объединение «Прокопьевскуголь» позволило:

— используя сетевую модель, определить предварительный срок реализации проекта;

— за счет оптимизации трудовых ресурсов сократить время разработки на 7,5%;

— за счет оптимизации ранее разработанных специализированных программных средств уменьшить компьютерное время выполнения на 27%.

Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих публикациях:

1. Степанов Ю.А. Разработка архитектуры специализированного обеспечения на базе ГИС-технологий [Текст] / Ю.А.Степанов, В.С.Фанасков. Казань: Научно-технический вестник Поволжья, 2012. - №4. - С. 207-210.

2. Фанасков B.C. Разработка предметно-ориентированного языка программирования для создания электронных тематических карт [Текст] / В.С.Фанасков. - Казань: Научно-технический вестник Поволжья, 2013. - №2. - С. 243246.

3. Фанасков B.C. К вопросу о применении адаптивных моделей при раз« работке программного обеспечения специализированных ГИС [Текст] / Фанасков B.C., Степанов Ю.А. // Высокие технологии, экономика, промышленность. Т. 1: Сборник статей Тринадцатой международной научно-практической конференции "Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности и экономике". — Санкт-

17

Петербург: Изд-во Политехи, ун-та, 2012. - С. 131-135.

4. Фанасков B.C. К вопросу о проектировании архитектуры специализированного программного обеспечения на базе ГИС-технологий [Текст] / Фанасков B.C., Степанов Ю.А. // Материалы Международной научно-практической конференции «Информационные системы и технологии». — Красноярск, 2012. -С. 127-131.

5. Фанасков B.C. Технология разработки программного обеспечения специализированных геоинформационных систем [Текст] / В.С.Фанасков // Сборник работ победителей отборочного тура Всероссийского конкурса научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых учёных по нескольким междисциплинарным направлениям. - Новочеркасск: Лик, 2011. — С. 31-34.

6. Свидетельство об официальной государственной регистрации программ для ЭВМ № 2008613812 РФ. Программа расчёта технико-экономических показателей для оптимального выбора комплекта строительной техники при ведении земляных работ / Ю.А.Степанов, В.С.Фанасков, Н.Ю.Поцелуенко. -Москва, 2008.

7. Свидетельство об официальной государственной регистрации программ для ЭВМ № 2011614648 РФ. Специализированный графический редактор объектов электронных карт для учёта физико-механических свойств горных пород / Ю.А.Степанов, В.С.Фанасков. - Москва, 2011.

8. Свидетельство об официальной государственной регистрации программ для ЭВМ № 2012617895 РФ. Лексический анализатор предметно-ориентированного языка обработки электронных карт для специализированных ГИС / Ю.А.Степанов, В.С.Фанасков, А.А.Боярчук // Москва, 2012.

9. Свидетельство об официальной государственной регистрации программ для ЭВМ № 2012618783 РФ. Компьютерная программа для работы с электронными классификаторами полезных ископаемых применяемых в специализированных ГИС / Ю.А.Степанов, В.С.Фанасков. - Москва, 2012.

Подписано в печать Объем 1 п.л.

22.10.2013 г. Формат 60x90/16

Тираж 100 экз. Заказ №

Отдел печати Московского государственного горного университета.

Москва, Ленинский пр-т, 6

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Фанасков, Виталий Сергеевич, Новокузнецк

Новокузнецкий институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кемеровский государственный университет»

На правах рукописи

Л ' 1Л/1 ^ / / Л Г" **;

ичси I ста*? I

МЕТОД И АЛГОРИТМЫ ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ УГЛЕДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ НА СОСТОЯНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Специальность 25.00.35. - Геоинформатика

Диссертация

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к.т.н., доцент Степанов Ю.А.

Новокузнецк - 2013

Термины, сокращения и условные обозначения......................................4

Введение............................................................................................................8

1 Обзор и анализ методологических аспектов разработки программного обеспечения на базе ГИС и применяемых при этом информационных технологий..............................................................................14

1.1 Основные этапы развития и современные проблемы разработки специализированного программного обеспечения на базе технологий ГИС.....14

1.2 Использование геоинформационных технологий и систем в геоэкологических исследованиях............................................................................18

1.3 Концепции разработки программного обеспечения ГИС....................22

1.4 Технологические программные средства для разработки ГИС...........41

1.5 Архитектурные особенности ГИС для проведения геоэкологических исследований.............................................................................................................47

1.6 Выводы.......................................................................................................60

2 Архитектура специализированного программного обеспечения для проведения геоэкологических исследований на базе технологий ГИС.......62

2.1 Проектирование многослойной информационной модели ГИС для проведения геоэкологических исследований.........................................................62

2.2 Проектирование модульной структуры ГИС для проведения геоэкологических исследований..............................................................................65

2.3 Детализация модульной архитектуры ГИС для проведения геоэкологических исследований..............................................................................71

2.4 Адаптация типовых шаблонов проектирования для компьютерной реализации геоинформационных моделей геоэкологических исследований.....76

2.5 Выводы.......................................................................................................81

3 Методика разработки специализированного программного обеспечения для проведения геоэкологических исследований с использованием технологий ГИС........................................................................82

3.1 Базовые методологические аспекты разработки ГИС для проведения

геоэкологических исследований..............................................................................82

3.3 Препроцессинг этапов методики разработки СПО ГИС......................84

3.4 Оценка эффективности методики по времени разработки...................89

3.5 Адаптация обобщённой компонентной модели и выбор технологических средств реализации.....................................................................98

3.6 Разработка предметно-ориентированного языка программирования для работы с объектами электронных тематических карт..................................106

3.7 Программная реализация СПО ГИС.....................................................111

3.8 Выводы.....................................................................................................121

4 Применение методики разработки специализированного программного обеспечения для количественной оценки параметров техногенных воздействий на базе технологий ГИС.......................................122

4.1 Обоснование использования технологий ГИС....................................122

4.2Спецификация функций и оценка объёма работ..................................123

4.3Проектирование и выбор средств реализации......................................134

4.4 Программная реализация.......................................................................139

4.5 Выводы.....................................................................................................144

Заключение...................................................................................................145

Термины, сокращения и условные обозначения

Constructive Cost Model (СОСОМО) - алгоритмическая модель оценки стоимости разработки программного обеспечения, разработанная Барри Боэмом {Barry Boehm).

Model View Controller (МУС) - архитектурная концепция разработки программного обеспечения, предполагающая явное разделение графического интерфейса пользователя, бизнес-логики и модели предметной области.

Rational Unified Process (RUP) - концепция разработки программного обеспечения, основанная на итеративной модели. Предполагает наличие четырёх фаз жизненного цикла разработки и использование только необходимых технологий решения поставленной задачи.

Structured Query Language (SQL) - универсальный компьютерный язык, применяемый для создания, модификации и управления данными в реляционных базах данных.

Архитектура программной системы - структура программной системы, которая включает программные компоненты, их свойства и отношения.

База данных (БД) - набор логически связанных, организованных в соответствии с определёнными правилами, данных, характеризующих состояние некоторой предметной области.

Библиотека (в программной инженерии) - совокупность подпрограмм или компонентов, используемых в процессе разработки программного обеспечения.

Географическая информационная система (ГИС) - набор инструментов (пространственных СУБД, программных каркасов, сред разработки и так далее), позволяющих осуществлять операции поиска, анализа, редактирования, визуализации и хранения пространственных данных и связанной с ними информации об объектах.

Гибкая методология разработки (англ. agile software-development) -совокупность подходов к разработке программного обеспечения,

ориентированных на итеративную разработку, динамическое формирование требований, работу в группах и активное привлечение специалистов предметных областей к процессу разработки.

Графический интерфейс пользователя (ГИП) - разновидность пользовательского интерфейса, в котором элементы, представленные пользователю на дисплее, исполнены в виде графических изображений.

Жизненный цикл разработки программного обеспечения - период времени, который начинается с момента зарождения идеи о создании программного продукта и заканчивается в момент изъятия программного продукта из эксплуатации.

Интерфейс (в ООП) - конструкция, специфицирующая набор методов класса или компонента. Определяет границу взаимодействия между классами и компонентами.

Класс (в программной инженерии) - совокупность описательных и поведенческих характеристик, свойственных группе предметов или явлений.

Логика предметной области, бизнес-логика (англ. domain logic) -совокупность правил и принципов взаимодействия моделируемых элементов предметной области.

Методика разработки программного обеспечения - набор конкретизированных приёмов, технологий и задач, направленных на реализацию программного продукта.

Методология разработки программного обеспечения - набор обобщённых принципов, идей, понятий и методов, определяющих процесс разработки программного обеспечения на протяжении всех этапов жизненного цикла процесса разработки.

Модель предметной области (в программной инженерии) - система взаимосвязанных объектов, каждый из которых представляет собой некоторую законченную и значимую сущность. Объекты имитируют элементы, которыми оперируют в рассматриваемой области, и формализуют логику их взаимодействия.

Объект (в программной инженерии) - сущность, обладающая определённым состоянием и поведением. Объект является экземпляром класса.

Объектно-ориентированное программирование и проектирование -комплексный подход к разработке программного обеспечения, в рамках которого значимые для предметной области элементы группируются в классы, на основании которых создаются объекты. Объекты взаимодействуют между собой посредством открытых методов. Внутреннее состояние объекта может быть изменено только с помощью методов.

Объектно-реляционное отображение (англ. Object-relation mapping) -технология программирования, позволяющая абстрагироваться от структуры базы данных и работать на уровне концепций языков программирования.

Паттерн (шаблон) проектирования - архитектурная конструкция, представляющая собой решения типовой задачи.

Плагин (англ. plug-in) - независимо компилируемый программный модуль, динамически подключаемый к основной программе, предназначенный для расширения и/или использования её возможностей.

Предметно-ориентированный язык программирования (англ. Domain-Specific Language) - язык программирования или язык спецификации, предназначенный для решения задач выбранной предметной области, использующий особый принципы представления или решения задач.

Программное изделие (ПИ) - программа или логически связанная совокупность программ, записанная на носителях данных, являющаяся продуктом промышленного производства, снабжённая программной документацией и предназначенная для широкого распространения.

Программное обеспечение, программная система (ПО, ПС) -совокупность программ, системы обработки информации и программных документов, необходимых для эксплуатации этих программ.

Программный каркас, фреймворк (англ. framework) - программное обеспечение, облегчающее разработку и объединение различных компонентов

программного проекта. Содержит большое количество различных по назначению библиотек и набор правил построения программного обеспечения.

Пространственная СУБД - представляет собой разновидность баз данных, оптимизированных для хранения и выполнения запросов к данным о пространственных объектах.

Пространственные данные - данные об объектах или явлениях, требующие представления в координатно-временной форме. Важнейшей составляющей пространственных данных является система отчёта (координатно-временная привязка).

Специализированная географическая система (СГИС) - ГИС, большая часть функций которой связанна с анализом и обработкой пространственных данных, основой интеграции которых является географическая информация.

Специализированное программное обеспечение на базе технологий географических информационных систем (СПО ГИС) - программная система, в которой применяются методы и средства, характерные для СГИС, однако основные задачи решаются методами, характерными для выбранной предметной области, но отличными от тех, которые применяются в ГИС.

Технологии разработки программного обеспечения - любой конечный продукт, использующийся в процессе разработки программного обеспечения (базы данных, библиотеки, программные каркасы, интегрированные среды разработки и так далее).

Введение

Актуальность работы. Индустриальная среда порождает множество техногенных воздействий, которые оказывают негативное влияние на здоровье людей и экологическую ситуацию в целом. Неблагоприятная экологическая обстановка характерна в первую очередь для промышленно развитых регионов, на территории которых находятся энергетические, металлургические и угледобывающие предприятия. В таких регионах наблюдается деградация природного ландшафта и высокий уровень загрязнения атмосферы, почв и вод отходами производства.

Для целенаправленного снижения и компенсации техногенных воздействий необходима количественная оценка степени их влияния на состояние окружающей среды и здоровье людей. Процесс получения таких оценок сопряжён с многофакторным анализом больших объёмов пространственно-атрибутивных данных и построением сложных компьютерных моделей взаимодействия искусственных и естественных объектов. Следовательно, при проведении экологических исследований целесообразно применять специализированное программное обеспечение на базе геоинформационных систем (ГИС), которое позволяет использовать методы пространственного анализа совместно с моделями распространения загрязняющих веществ в рамках единой системы.

При таком подходе за счёт учёта атрибутивных данных объектов техногенного воздействия и использования проверенных алгоритмов расчётов достигается достаточная для практики точность количественных оценок техногенного воздействия. Пространственная привязка полученных показателей к объектам на территории индустриального региона позволяет отслеживать и прогнозировать изменение зон распространения загрязняющих веществ. На основе предварительного геоинформационного моделирования мест складирования отходов разрабатываются рекомендации, способствующие формированию благоприятной экологической ситуации.

С учётом вышеизложенного разработка методических основ построения информационных моделей, которые учитывают пространственно-атрибутивный характер воздействия промышленных предприятий на состояние окружающей среды, и последующая их компьютерная реализация на базе геоинформационных технологий является актуальной научной и практической задачей.

Цель диссертационной работы заключается в разработке информационного обеспечения систем экологического мониторинга в части реализации компьютерных моделей количественной оценки техногенного воздействия угледобывающих предприятий на состояние окружающей среды с использованием ГИС-технологий.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработать многослойную информационную модель ГИС для проведения геоэкологических исследований.

2. Определить компонентный состав компьютерной модели техногенного воздействия угледобывающих предприятий на состояние окружающей среды.

3. Разработать алгоритм адаптации компонентной модели ГИС, описывающий её пошаговую настройку с учётом технологий реализации и специального функционального наполнения.

4. Разработать адаптивный метод проектирования и реализации специализированного программного обеспечения для проведения геоэкологических исследований на базе технологий ГИС с использованием компонентной архитектуры.

5. Применить разработанный метод в процессе реализации компьютерной модели оценки техногенных воздействий в зоне ответственности угледобывающих предприятий.

Основная идея работы заключается в использовании современных

концепций предметно-ориентированного проектирования для

геоинформационного моделирования воздействия техногенных объектов

9

угледобывающих предприятий на состояние окружающей среды в индустриально развитых регионах.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Разработана классификация программного обеспечения ГИС для проведения геоэкологических исследований, упорядочивающая системы данного класса по времени конструирования и позволяющая предварительно оценить продолжительность всех этапов жизненного цикла их реализации.

2. Разработана объектная декомпозиция специализированной ГИС с вариативным функциональным наполнением специального назначения и построена информационная модель программных систем данного класса.

3. Разработана модульная структура алгоритмов геоинформационного моделирования, содержащая объекты функционального наполнения, интерфейсы и соединительные элементы, позволяющая в рамках единой модели конструировать специализированное ПО.

4. Разработан адаптивный метод конструирования геоинформационного программного обеспечения для проведения геоэкологических исследований, включающий объективную количественную оценку времени прохождения всех этапов его жизненного цикла и пошаговую реализацию программного средства в рамках предложенной модульной структуры.

5. Реализована специализированная ГИС для оперативного учёта техногенных факторов, влияющих на загрязнение атмосферы, почв и подземных вод в зоне ответственности угледобывающих предприятий ООО «Объединение «Прокопьевскуголь» твёрдыми, жидкими и пылегазообразными отходами производства.

Научная новизна:

1. Разработана информационная модель ГИС для проведения геоэкологических исследований.

2. Разработана модульная структура специализированного программного обеспечения информационной поддержки систем экологического мониторинга на базе технологий ГИС.

3. Разработан геоинформационный метод, описывающий все этапы жизненного цикла реализации компьютерных моделей экологического мониторинга.

4. Сформирован алгоритм настройки разработанных моделей.

5. Получена оценка времени конструирования пакетов программ геоинформационного моделирования в зависимости от архитектурных особенностей, специального и общего функционального наполнения, а также технологических решений, и предложена классификация программного обеспечения по степени сложности разработки.

Практическая значимость диссертации заключается в разработке программного обеспечения для проведения геоэкологических исследований, позволяющего учитывать влияние пространственно-атрибутивных техногенных воздействий на состояние окружающей среды и разработать комплекс природоохранных мероприятий для улучшения экологической ситуации в промышленно развиты