Войтенко Володимир Володимирович

УДК 519.86:574

МЕТОДИ ПРОГРАМНОЇ ПІДТРИМКИ СКЛАДНИХ ЕКОЛОГІЧНИХ МОДЕЛЕЙ ТА ПОБУДОВА

ІНФОРМАЦІЙНОЇ СИСТЕМИ ЗАХИСТУ ДОВКІЛЛЯ

01.05.02 — математичне моделювання та обчислювальні методи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ — 2000

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка.

Науковий керівник:

·

Офіційні опоненти:

·

·

Провідна установа:

·

Захист відбудеться “22“ червня 2000 року о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.09 Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 02127, м. Київ-127, проспект академіка Глушкова, 2, корп.6, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, факультет кібернетики, ауд.40

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка (вул. Володимирська, 58).

Автореферат розіслано “20” травня 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.П. Шевченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ-

Актуальність теми. Дисертаційна робота присвячена розробці та побудові сучасних розподілених інформаційних систем для підтримки регіональних екологічних моделей.

Сучасні наукові дослідження систем довкілля, особливо екосистем, що зазнають великого техногенного впливу, основані на використанні нових методів системного аналізу взаємодії фізичних, біологічних та соціальних процесів, різноманітності їх причинно-наслідкових проявів. Труднощі таких досліджень пов’язані з реальною неповнотою даних спостережень та знань, похибками вимірювань. Тому в умовах неповних даних до опису та вивчення регіональних процесів розвитку систем довкілля та прийняття на цій основі ефективних науково-обгрунтованих рішень застосовуються сучасні методи моделювання. Саме в адекватно побудованих системах можуть бути віднайдені ті реальні умови, критерії, параметри, при яких екологічний стан довкілля задовольнить вимогам, що висуваються сьогодні суспільством.

Математичні моделі розповсюдження промислового забруднення в атмосфері, поверхневих водах та грунтах досліджено у багатьох роботах вітчизняних вчених, зокрема Дейнеки В.І, Згуровського М. З, Скопецького В.В. Серед розроблених система природоохоронного захисту басейну річки Дніпро, яку досліджували Бейко І.В, Бублик Б.М., Закусило О.К., Кулян І.Р, Кудін Г.I., Лаврик В.І, Ляшко С.І. Загальним питанням методології моделювання, глобальним моделям та їх концепціям присвячено праці Дородніцина А.А., Моісєєва Н.Н., Свірежева Ю.М. та інших. У даній роботі розвинуто їх ідеї та запропоновано нові методи побудови та дослідження регіональних інформаційних систем природоохоронного захисту на основі розподіленості моделей, даних та керування, що дозволяє проводити неперервний екологічний моніторинг, розв’язувати актуальні задачі природоохоронного захисту.

Піс-ля аварії на Чорнобильскій АЕС особливого значення набуло дослідження динаміки рівня радіоактивного забруднення на території півночі Україні. Тому проведена у дисертації розробка комплексних моделей аналізу радіоактивного забруднення, моделювання радіаційного ланцюга споживання, біотехнологічних процесів є актуальною практичною задачею, розв’язання якої за допомогою побудованої в дисертації комп’ютерної екологічної інформаційної системи (КЕІС) із застосуванням інтернет-технологій для підтримки регіональних екологічних моделей допоможе підвищити ефективність природоохоронних заходів у північному регіоні України.

Зв’язок роботи з науковими програмами. Дисертаційна робота містить ре-зуль-тати досліджень що проводилися в межах держбюджетної теми " Розвиток теорії оптимального математичного моделювання систем з розподіленими параметрами в умовах неповноти даних" № 97056 на кафедрі математичного моделювання складних систем факультету кібернетики Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Крім того, даний напрямок досліджень підтриманий в рамках міжнародного проекту Tempus ТACIS JEP-10435-98 “Наука про навколишнє середовище у частині визначення впливу на здоров'я людини”.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка методів підтримки складноструктурованих екологічних моделей та побудова інформаційної системи для дослідження регіональних процесів природоохоронного захисту.

Наукова новизна одержаних результатів. Основні результати роботи є новими а саме:

запропоновано новий підхід до формування проекту моделі через систему ідентифікації об’єктів та формалізований опис на спеціалізованій мові;

розроблено поняття абстрактного об’єктного простору екосистеми та на його основі запропоновано новий об'єктно-матричний метод проектування складних екологічних систем, що дозволяє спрощувати проектування на усіх стадіях розробки; -

за допомогою програмного матричного обчислювача отримано можливість динамічної генерації графічних файлів зображень на основі чисельних даних визначеного шару екосистеми;

розроблено нові методи підтримки екологічних моделей у мережі Internet для спільного ведення розподілених банків моделей та даних.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані результати мають як теоретичний, так і практичний характер.

В роботі реалізовано такий підхід до розробки екологічної інформаційної системи, який дозволяє адекватно відобразити складноструктуровану ієрархічну побудову екологічних моделей. За допомогою запропонованих методів, отриманих в результаті дослідження, розроблено програмний комплекс КЕІС для розв'язання дослідницьких, статистичних, управлінських та інших задач природоохоронного захисту. Пакет впроваджено у Державній агроекологічній академії України як систему для екологічних досліджень. Крім того, він застосовується для навчання студентів принципам моделювання та прийняття рішень в складних системах у Житомирському інженерно-технологічному інституті. На основі відкритості та розподіленості КЕІС, забезпеченням засобами SQL-cервісу та Web-інтерфейсу отримано можливість проведення спільних наукових міжвузівських досліджень в галузі екології.

Особистий внесок здобувача. Всі результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно.

У спільно виконаних роботах науковому керівникові І.В.Бейку належить постановка задач та пропозиції щодо методів їх розв’язання; А.Л. Бойку постановка задач в галузі екології; Ю.В. Загородньому участь в проектуванні концептуальних основ екологічної системи та в обговоренні способів їх розв’язання; А.О. Гладишевському участь в розробці загальносистемної частини програмних комплексів системи.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися на міжнародній конференції “Process modelling” у м. Котбусі (Німеччина) (лютий 1999 р.), на конференціях “Екологічні аспекти агропромислового комплексу” у м. Суми (листопад 1999 р.), “Екологічна та техногенна безпека” у м. Харкові (березень 2000 р.), на наукових конференціях молодих вчених у м. Житомирі (травень 1998 та 1999 р.р.), на семінарах кафедри математичного моделювання складних систем факультету кібернетики Київського національного університету імені Тараса Шевченка та кафедри програмного забезпечення обчислювальної техніки Житомирського інженерно-технологічного інституту (1998-2000 р.р.).

Публікації. Основні результати дисертації надруковані у фаховому виданні України в статтях [16]. Попередні результати досліджень опубліковано у роботах [7-9].

Структура і об’єм роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних джерел. Обсяг дисертації — 127 сторінок. Список використаних джерел містить 125 найменувань.

ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі “Огляд та аналіз сучасних методів у проектуванні, розробці та побудові математичних та імітаційних моделей” проведено огляд та аналіз сучасних методів у проектуванні, розробці та побудові екологічних моделей. Зокрема, акцентовано увагу на особливостях математичних та імітаційних моделей для регіонального моделювання. При цьому істотними відмінними особливостями такого моделювання названо междисциплінарність та системність аналізу, ієрархічність у вигляді наявності моделей різноманітного рівня складності, залежність вибору підходів та сценаріїв від цілей та задач дослідження, вхідної інформації та параметрів, що входять до моделі, необхідність роботи з динамічними базами просторово-розподілених даних, у тому числі даних моніторингу з урахуванням їх динаміки при моделюванні. В таких умовах особливого значення набуває створення інформаційних регіональних систем природоохоронного захисту із залученням сучасних методів моделювання.

Другий розділ “Застосування об'єктно-матричного методу до проектування екологічних систем” присвячений методам проектування регіональних екологічних систем у складі системи КЕІС. Він відкривається обгрунтуванням об’єктно-орієнтованого підходу до розробки загальної обчислювальної моделі. Розглянуто основні компоненти об’єктної моделі у складі КЕІС у порівнянні з традиційним підходом, аби підкреслити особливості застосування об'єктно-орієнтованого підходу саме для екологічного моделювання. Термін “екологічний об’єкт” представляє собою окрему компоненту деякої регіональної підсистеми (економічної, біологічної, соціальної тощо), що за деяких причин розгляду доцільно виділити у вигляді окремої автономної одиниці, яка має власні координатну та символьно-числову прив'язку. Тут же запропоновано найбільш важливі властивості об’єктів з точки зору проектування екологічної моделі, з наведеними прикладами для моделі екосистеми регіону.

Cистема КЕІС представляє собою розподілений комплекс, об’єкти якого розподілені за окремими модулями, що можуть розміщуватися по різних вузлах мережі. Модульна структура системи є необхідною умовою для реалізації принципів відкритості та розподіленості, що забезпечує властивості розподілених даних, процесів та керування. Дана концепція грунтується на поняттях об’єкту та об’єктного простору , що знайшла своє відображення в архітектурі КЕІС-платформи.

У розділі введено поняття абстрактної моделі об’єктного простору екологічної системи. Об'єктний екологічний простір представляє собою нескінчену множину екооб'єктів (визначених на просторі відомих знань – об’єктів), на якому визначена множина відношень . Відношення є знанням, і тому також є об'єктом.

Основною структурною одиницею розподіленої КЕІС-платформи є IMP-платформа, що реалізує об'єкти). IMP реалізує деяка множина об'єктів. Це означає, що як і виконуваний код, так і дані цих об'єктів знаходяться у складі цього IMP. З погляду на це IMP може розглядатися як складна система об'єктів і, таким чином, вважатися і сам об'єктом. Об'єкти, реалізовані IMP, носять назву локальних об'єктів.

Будь-яку систему в КЕІСGA можна подати як два IMP, що взаємодіють через протокол обміну DTE. Це двостороння симетрична модель розподіленої системи, що використовується для побудови систем будь-якого ступеню складності. Основна ідея подвійної ідентифікації полягає в тому, що кожний IMP по-своєму здійснює відображення об’єктів у простір ідентифікаторів. Причому відображаються не тільки локальні, але й зовнішні об’єкти.

Кожний IMP реалізує один напівпростір загального об'єктного простору КЕІС-платформи. Півпростір утворюється локальними об'єктами даного IMP. У процесі взаємодії IMP між ними виникають клієнт-серверні відношення. Ідентифікатор в області видимості серверу називається дійсним RID-ідентифікатором, а в області видимості клієнта SID- ідентифікатором. Для однозначної ідентифікації усіх об’єктів в системі, тобто утворення єдиного об’єктного простору, здійснюється взаємне відображення ідентифікаційних просторів. Кожний IMP визначає таке відображення зі свого боку.

Стосовно своїх локальних об'єктів IMP є сервером, а стосовно локальних об'єктів протилежного IMP клієнтом. Для того, аби надати протилежному IMP спосіб отримання ідентифікаторів статичних об'єктів, IMP-сервер реалізує систему ідентифікації об'єктів з використанням ключа. Ключ являє собою послідовність байт, що однозначно ідентифікують статичний об'єкт на сервері. Головна відмінність ключа від ідентифікатора полягає у тому, що ключ, який відповідає об'єкту, залишається постійним протягом існування серверу, тобто в кожному сеансі взаємодії одному й тому ж самому статичному об'єкту буде відповідати одне й те саме значення ключа.

Сервер визначає відповідність між ключем і об'єктом та надає статичний інтерфейс, що дозволяє клієнту одержати ідентифікатор об'єкта, що відповідає заданому ключу.

Імпорт та експорт об'єктів є процесом, результатом якого встановлюється відповідність між двома ідентифікаторами RID та SID. Процес імпорту об'єкта із ініціативи клієнта складається з наступних кроків:

-

-

-

-

-

Підрозділ 2.5 присвячений структурі та концептуальним особливостям системи КЕІС відповідно до розподіленої платформи КЕІСGA. Будь-яку пару "модуль-майстер" системи КЕІС можна розглядати як симетричну систему з двох IMP. Одним IMP є модуль, іншим майстер та всі інші залучені модулі, канал між якими реалізований у вигляді пари неіменованих програмних каналів.

Основною функцією майстра є маршрутизація повідомлень. Майстер сам по собі є IMP та має власну область видимості. У цій області видимості для однозначної ідентифікації об’єктів майстер реалізує простір централізованих ідентифікаторів (CID). Таким чином, для кожного підключеного модуля існує окреме відображення простору CID у простір модуля :

Рис.1 Маршрутизація між об'єктами різних модулів.

Якщо будь-який з модулів (IMP) експортує власний об'єкт, то цей об'єкт у першу чергу потрапляє в область видимості майстра. Майстер ставить йому у відповідність централізований ідентифікатор із CID. По відношенню до модуля, що експортував об'єкт (серверу), CID буде його SID-ідентифікатором. Всі інші модулі розглядаються як потенційні клієнти для даного об'єкта, далі майстер може експортувати CID модулям-клієнтам. Для будь-якого з клієнтів CID є RID -ідентифікатором.

Спочатку повідомлення передається по каналу клієнт-майстер. Майстер за ідентифікатором цільового об'єкта визначає, який модуль є сервером та транслює ідентифікатори, що входять у повідомлення, в систему IDS цього серверу. Потім повідомлення передається по каналу майстер-сервер і на цьому участь майстра у передачі повідомлення закінчується. Шлюзи використовуються для побудови систем з більше ніж одним майстром. Використовуючи модулі, можна формувати системи з необмеженою структурною складністю.

На рівні об’єктних моделей об’єкти взаємодіють між собою безпосередньо і реальне місцезнаходження клієнта та серверу не має значення, що відповідає принципу прозорості. Для забезпечення існування та взаємодії об'єктів згідно принципів архітектури служить метаядро. Вище викладені принципи та технології використовуються для створення метаядра згідно з архітектурою КЕІСGA, до складу якого входить частина кожного модуля системи. Цей компонент метаядра є ядром модуля, що реалізоване у вигляді динамічної бібліотеки. Інтерфейс між ядром та рештою модуля не є об’єктом стандартизації КЕІСGA і визначається виключно реалізацією ядра. Враховуючи висунуті вимоги архітектури, реалізація розподіленої системи КЕІС виглядає так, як зображено на рисунку:

Рис. 2 Схема розподіленої екологічної системи з використанням архітектури КЕІСGA

Спеціалізований модуль КЕІС-GEOS реалізує предметну частину екологічної моделі, куди входить, зокрема, спеціалізований матричний обчислювач МО. Клієнт КЕІСGA представляє собою КЕІСGA-підсистему (IMP) на стороні користувача. Користувач може застосувати його для створення власної екологічної моделі на основі спеціалізованої підсистеми, реалізованої даним модулем.

Клієнт SQL використовується користувачем сумісно з Web-браузером та використовується для отримання результатів моделювання в чисельному вигляді. Він також необхідний, якщо користувачу потрібно внести у базу початкові дані для моделювання, що не можуть бути переданими засобами Web-браузера. Модуль CGI запускається Web-сервером як CGI-програма. Таким чином, у системі одночасно може бути декілька таких модулів. Модуль CGI виконує такі функції:

1)

1)

1)

У розділі 2.6 подано зміст об’єктно-матричного методу проектування регіональних екологічних систем. Спроектована модель оцінки екологічних наслідків розвитку регіону включає в себе чотири основних підсистеми першого рівня: біологічна підсистема; підсистема середовища; підсистема соціального розвитку; підсистема господарювання та економіки.

На основі загальної структури моделі була спроектована і закладена в систему наступна ієрархія абстрактних класів:

Рис. 3 Концептуальна схема КЕІС.

При проектуванні спеціалізованих класів користувача використовується метод розширення (надбудови) існуючої ієрархії. Підсистеми, починаючи з другого рівня, набувають більшої спеціалізації. Горизонтальний двонаправлений зв'язок описує вплив серед паралельних підсистем одного рівня ієрархії, який не пов'язаний відношенням успадкування. Існує можливість деталізувати систему, продовжувати ієрархічну класифікацію, про що вказує вертикальний ієрархічний зв'язок. Основними механізмами утворення похідних спеціалізованих класів екологічних підсистем є паралельні, послідовні та комбінаційні перетворення.

Узагальнена модель спеціалізованої підсистеми екосистеми має такий вигляд:

, де

t – поточний крок моделювання;

– множина параметрів, що не мають територіального розподілу;

– множина матриць розподілу властивостей , що визначає горизонтальний розподіл параметрів:

Рис. 4 Горизонтальний розподіл властивостей

– множина карт. Карта – це матриця, що визначає деякий регіональний розподіл території. Kарта визначає множину регіонів , а регіон визначається як .

Рис. 5 Регіональний розподіл властивостей

Усі матриці з множин L та M мають однакові розміри: рядків та стовпців.

– множина відношень. В найзагальнішому вигляді ця множина визначає відображення , тобто залежність стану моделі від її стану на попередніх кроках. Відношення можна розділити на декілька основних груп:

1.

1.

1.

Область дії будь-якого з відношень може обмежуватися деяким регіоном або періодом у часі параметра . Для реалізації математичної моделі в системі використовується спеціалізований матричний обчислювач МО, який складається з наступних об’єктів:

1.

1.

1.

У розділі 3 “Дослідження екологічних процесів за допомогою системи КЕІС” розглянуто дослідження екологічних процесів безпосередньо за допомогою КЕІС. Задачі побудови та дослідження процесів відбуваються:

- за описом параметрів моделі та формулюванням їх динаміки;

- за виборкою експериментальних даних визначеного шару властивостей підсистеми;

- за результатами функціонування підсистем з горизонтальним двонаправленим зв’язком.

За допомогою KEIC було розроблено та досліджено моделі впливу фітовірусів на рослинний організм в умовах екологічної нестабільності, розглянуто моделювання процесів розповсюдження екологічних забруднень. Для регіональної системи природоохоронного захисту бралися до відома характеристики та параметри регіональних джерел промислових викидів в атмосферу, гранично допустимі концентрації для всіх інгредієнтів екологічних забруднень, а також відомі обмеження для заданих регіональних зон.

Моделі динаміки концентрацій забруднень побудовані за допомогою використання адекватних апроксимацiй В-функцiй :

, | (1)

якими оцінюються верхні допустимі границі концентрацій в кожній її підсистемі. |

(2)

Тут Q(u,t) = {Q(s,j,u(j,t),t) : j=1..l}, Q(s,j,u(j,t),t) потужність викиду j-м джерелом s-го інгредієнту забруднення в момент часу t, яка залежить вiд керування u(j,t) j-м технологічним процесом, u(j,t) належить множині M(j,t) (джерела забруднення нам зручно ототожнювати iз використовуваними технологіями): z(t) кліматичні та інші “зовнішні” процеси, що впливають на характер процесiв перенесення та трансформації забруднень (роза вітрів, топографічні характеристики регiону, поля температур та iн.). Побудовані апроксимацiї функціоналів у вигляді В-функцiй дозволяють суттєво спрощувати складну реальну задачу оптимiзацiї природоохоронних процесів шляхом зведення ii до звичайної оптимiзацiйної задачі (задачi оптимального керування) : |

(3)

Основною частиною комп'ютерної моделі являється граф-операторна модель виду: |

(4)

де значення x(k) i u(k) відображають значення фазового стану та керування k-тою підсистемою, z(k) відображає вплив на k-ту підсистему безпосередньо взаємодіючих з нею інших підсистем i середовища у якому функціонує k-та підсистема, а y(k) відображає дані "спостережень" k-тої підсистеми.

Рівняння зміни концентрації забруднення в k-тій підсистемі матиме вигляд :

, | (5)

де F(В,t) - матриця функцій, що описує процеси дифузії та розповсюдження забруднення з урахуванням природнокліматичних факторів.

Було здійснено дослідження процесів розповсюдження забруднення на території півночі Житомирської та Київської областей з урахуванням джерел, поглиначів, врахування сили та напрямку повітряних мас. Взаємодія двох підсистем проявилася на прикладі моделювання, пов'язаного із взаємодією підсистеми навколишнього середовища та підсистеми господарювання та економіки для оцінки впливу за допомогою системи КЕІС на території півночі Житомирської області. Для зручності було розраховано умовний коефіцієнт забруднень (УКЗ), що знаходиться за формулою:

УКЗ = (2.8*Р1+3.5*Р2+9*Р3+13,5*Р4)/S угідь, | (6)

де Р1- територія, забруднена до 1 кюрі на кв.км, Р2 - територія, забруднена 1-5 кюрі на кв.км, Р3 - територія, забруднена 5-10 кюрі на кв.км, Р4 - територія забруднена більше 15 кюрі на кв.км, S угідь-загальна територія.

До множини вхідних даних було включено всі факторні значення. Шляхом дослідження елементів двох підсистем було показано, що при коректно підібраних початкових даних модель забезпечує виконання достатньо достовірного аналізу поведінки природної системи. Кореляційно-регресійний аналіз зв'язку між двома ознаками врожайністю та якістю грунту на основі розглянутих вище даних дав наступні результати:

-побудоване кореляційне поле між факторною та результативною ознаками описується рівнянням регресії y=11,48+0,75x

-обчислений коефіцієнт кореляції r=0,9121 говорить про тісний зв'язок між ознаками, коефіцієнт детермінізації 0,8321 показує, що за нашими розрахунками 83,21% загальної варіації врожайності обумовлюється якістю грунту, решту 16,79% складають інші фактори.

Наступне застосування системи КЕІС знайшло відображення в оцінці шляхів міграції радіонуклідів у грунтовому шарі та моделювання процесів біоремедіації для очистки забруднених територій. Подамо такі параметри за допомогою наступних описів: Е=(е1, е2, е3, …, ек) – вектор стану навколишнього середовища, що включає в себе такі характеристики, як типи грунту (е1,), pH грунту (е2,), вологість грунту (е3,), температура грунту (е4,) тощо. Вектор R = (r1, r2, r3, …, rn) визначає радіаційне навантаження грунту, де ri – кількість вміщення і-тої речовини забруднення важкими металами. Вектор Х= (х1, х2, х3, … , хm ) відображає динаміку радіаційного навантаження ланцюга споживання, де m – кількість підсистем у ньому.

Як видно з малюнку, представлені підсистеми описують круговий ланцюг споживання ( грунт, рослини, свійські тварини та птиці, ВРХ, сільгосппродукція). У зв'язку з розглядом різних видів важких металів стан системи можна визначити як динамічну двовимірну матрицю :

, |

(7)

де кількість вміщення j-тої величини забруднення (j=1..n) у i-тій підсистемі (i=1..m) на кроці часу k. Початковий стан визначається вектором R, що вказує наявність кожної забруднюючої речовини на кроці k=0. Таким чином, було здійснено грунтово-агрохімічне картування території сліду радіоактивного забруднення з метою оцінки грунтово-хімічних та агроекологічних умов, що визначають міграцію радіонуклідів у грунтовому шарі. Для цього була створена карта міграційних потоків радіонуклідів Sr-90 та Cs-137, картограми забезпеченості грунтів. Побудований ланцюг споживання відобразив запас радіонуклідів у грунтах, перехід їх у рослини, а потім до кінцевого продукту споживання, що дозволило визначити величини вторинного опромінювання населення.

В якості однієї з передових біотехнологій розглянуто процес біоремедіації - біологічної очистки об’єктів довкілля за допомогою рослин та мікроорганізмів. Для моделювання процесів біоремедіації розглядаються дві підсистеми — біологічна підсистема і підсистема навколишнього середовища. Основною характеристикою рослинної культури є кількість біомаси на одиницю площі, що визначається для кожної точки території матрицею B. Для визначення виду культури, висадженої на кожній ділянці території, утворюється карта засадження культур . Поточна кількість забруднюючої речовини в біомасі визначається матрицею .

Підсистема навколишнього середовища представлена множиною грунтів з наборами характеристик. Тип грунту на кожній ділянці території визначає карта грунтів , кількість забруднюючої речовини в грунті визначається матрицею . Для моделювання процесу біоремедіації слід визначити взаємодію між описаними вище підсистемами. Динаміка росту біомаси визначається відношенням: |

(8)

Коефіцієнт описує швидкість росту j-ї культури на s-му грунті. Динаміка руху забруднюючих речовин з грунту у біомасу визначається двома відношеннями:

, | (9)

де — коефіцієнт переходу і-го елементу до j-ї культури на s-му грунті.

Коефіцієнти та визначаються окремо для кожної рослинної культури та типу грунту. Вибір відповідних коефіцієнтів відбувається за допомогою карт:

| (10)

Індекс j — це номер рослинної культури, s — номер типу грунту. Значення індексів обмежуються діапазонами:

, , | (11)

де — кількість забруднюючих речовин, що розглядається, — кількість видів рослинних культур, — кількість видів грунтів.

У розглянутому аспекті особливо важливим є штучне засадження ділянок, уражених важкими металами Cs-137, Sr-90 тощо. Обираючи різні культури, що визначаються своїми характеристиками, є можливість спостерігати відповідні картини біоремедіації, приймати управлінські рішення щодо максимальної адсорбції з метою очищення території, забрудненої важкими металами.

Здійснено підтримку інформаційних систем для їх відображення у мережі Internet. Завдяки цьому було забезпечено переведення растрових представлень підсистеми у чисельне та навпаки, аби спостерігати їх динаміку як візуально, так і у чисельному вигляді. Створено систему Web-сторінок, що забезпечує підтримку деяких функцій інтерфейсу робочої станції. Хоча Web-браузер не в змозі забезпечити усіх інтерактивних можливостей, які забезпечує робоча станція, з практичної точки зору він корисний для використання вже існуючих моделей, тестування експериментальних даних, перегляду результатів моделювання та їх аналізу тощо.

У розділі 4 ”Основні висновки” вказано, що система КЕІС реалізує новий крок у напрямку абстрагування, що забезпечує повну незалежність від апаратно-програмної архітектури обчислювальної системи. Реалізований рівень абстракції дозволяє забути про спеціальні файлові системи, мережеві протоколи, SQL-запити, обробку помилок та інші поняттях звичайних операційних середовищ. Представлені розрахункові співвідношення системи підтверджують використання її для оцінки поточного стану та прогнозування поведінки широкого кола різнорідних, різновидових та різномасштабних природних систем, що мають територіальний розподіл. Розроблена технологія може бути використаною для програмної підтримки інформаційних моделей при розробці спільних наукових проектів у різних предметних областях.

ВИСНОВКИ

В дисертації отримано нові науково обґрунтовані результати які мають суттєве значення для теорії та практики екологічного моделювання регіональних систем.

Основними результатами дисертаційної роботи є такі:

1. На основі введеного поняття абстрактного об’єктного простору екологічної системи запропоновано новий підхід до формування проекту моделі через систему ідентифікації об’єктів, розподіленості даних, процесів та керування.

2. Побудовано класифікацію основних механізмів утворення спеціалізованих регіональних екосистем, до якої належать послідовні, паралельні та комбінаційні перетворення.

3. Розроблено об'єктно-матричний метод проектування регіональних екологічних систем, що дозволяє описати кожну із складових підсистем, відкидаючи можливість неповного початкового представлення даних.

4. Побудовано програмний матричний обчислювач, що переводить формальний опис підсистем моделі в її внутрішнє представлення та забезпечує динамічний розвиток системи.

5. Розроблено методи підтримки інформаційних систем для КЕІС в мережі Інтернет з метою проведення спільних міжвузівських сценаріїв моделювання та ведення розподілених банків моделей та даних.

СПИСОК ПРАЦЬ ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

Войтенко В.В. Методи програмної підтримки складних екологічних моделей та побудова інформаційної системи захисту довкілля .— Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.05.02 — математичне моделювання та обчислювальні методи.— Київський національний університет імені Тараса Шевченка, м. Київ, 2000.

Дисертацію присвячено розробці та побудові сучасних розподілених інформаційних систем захисту довкілля для підтримки регіональних екологічних моделей. В роботі запропоновано новий підхід до формування проекту моделі через систему ідентифікації об’єктів абстрактного об’єктного простору екосистеми та формалізований опис на цій основі. Об'єктно-матричний метод проектування складних екологічних систем дозволяє спрощувати проектування та дослідження регіональних систем на усіх стадіях, адекватно представити кожну із складових підсистем проекту, надає можливість динамічного розвитку, подальшого розширення системи та її модифікації. Розробка засобів взаємодії через Web-інтерфейс надає можливість проведення спільних міжвузівських наукових досліджень.

Обгрунтовано доцільність використання даних методів на конкретних прикладах регіонального екологічного моделювання, що надає можливість застосовувати даний підхід до розв'язання широкого кола задач природоохоронного захисту при розробці широкомасштабних екологічних проектів.

Ключові слова: абстрактний об’єктний простір, об'єктно-матричний метод, математичне моделювання, комп'ютерна екологічна інформаційна система КЕІС.

Войтенко В.В. Методы программной поддержки сложных экологических моделей и построение информационной системы защиты окружающей среды .— Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.05.02 — математическое моделирование и вычислительные методы.— Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2000.

Диссертация посвящена разработке и построению современных распределенных информационных систем защиты окружающей среды для поддержки региональных экологических моделей. В работе предложен новый подход к формированию проекта модели через систему идентификации объектов абстрактного объектного пространства экосистемы и формализованное описание на этой основе. Единое абстрактное объектное пространство служит для однозначной идентификации реальных и потенциальных объектов в экосистеме, осуществляя взаимное отображение их идентификаторов, для чего используется двухсторонняя симметричная модель распределенной системы. В данном случае каждая подсистема объектов определяет такое отображение со своей стороны, что позволяет строить расширяющие системы с неограниченной структурной сложностью.

Предложенный объектно-матричный метод проектирования сложных экологических систем позволяет упрощать проектирование и исследование региональных систем на всех стадиях, адекватно представить каждую с составных подсистем проекта, предоставляет возможность динамического развития, дальнейшего расширения системы и ее модификации. Основными механизмами образования производных специализированных классов экосистем являются параллельные, последовательные и комбинационные преобразования. Введение горизонтальной двунаправленной связи между состояниями подсистем определяет вид взаимодействия между параллельными подсистемами одного или нескольких уровней иерархии, которые не связаны отношением наследования, что позволяет описывать системы, обладающие неполнотой данных и знаний. С помощью программного матричного вычислителя получена возможность функционального определения каждой из подсистем, динамической генерации графических файлов изображений на основе численных данных определенного слоя экосистемы, а так же проведение непрерывных наблюдений за их текущим состоянием. Спроектированная модель оценки экологических последствий развития региона включает в себя четыре основных подсистемы первого уровня: биологическая, подсистема окружающей среды, подсистема социального развития и подсистема хозяйствования и экономики. Исходя из того, что знания об общих законах развития природы постоянно совершенствуются и дополняются, данный метод предоставляет возможность модификации поведения локальных природных подсистем, детализируя их на каждом из уровней иерархии.

Практическое применение данных методов продемонстрировано на конкретных примерах для регионального экологического моделирования. Построены и исследованы модели различных экологических процессов, исходя из описания параметров модели и формулировки ее динамики; по выборке экспериментальных данных определенного слоя характеристик подсистемы; по результатам функционирования подсистем с горизонтальной двунаправленной связью. С помощью построенной в диссертации компьютерной экологической информационной системы (КЕІС) проведена разработка комплексных моделей анализа влияния распространения фитовирусов на рост растительных организмов в условиях экологической нестабильности, радиоактивного атмосферного и почвенного загрязнения на территории северной части Украины. При помощи моделирования радиационной цепи потребления "почва-растение" изучены особенности путей миграции радионуклидов. В результате построенная модель отображает аккумуляцию радионуклидов в грунтах, переход их в растения, что дает возможность определить величину вторичного облучения населения. В качестве одного из примеров современных биотехнологических процессов спроектирована модель биоремедиации с целью очистки загрязненных территорий в северной части Украины, что позволяет производить планирование проведения оздоровительных природных мероприятий, выбирая необходимую стратегию и различные сценарии очистки. Выбирая различные культуры с их характеристиками, есть возможность наблюдать адекватные картины биоремедиации, принимать управленченские решения относительно максимальной адсорбции с целью очистки участков, загрязненных тяжелыми металлами. Представленные расчетные соотношения системы подтверждают целесообразность ее использования для оценки текущего состояния и прогнозирования поведения широкого класса разнородных и разномасштабных региональных систем, имеющих территориальное распределение своих характеристик.

Разработаны новые методы поддержки экологических моделей в сети Internet для общего ведения распределенных банков моделей и данных. Применение интернет-технологий для поддержки региональных экологических моделей позволяет проводить непрерывный экологический мониторинг в единых рамках межвузовских научных исследований, предоставляет возможность расширения и повышения эффективности природоохранных мероприятий в северном регионе Украины.

Ключевые слова: абстрактное объектное пространство, объектно-матричный метод, математическое моделирование, компьютерная экологическая информационная система КЕІС.

Voytenko V.V. Methods of program supporting of complex ecological systems and construction of environment information system. — Manuscript.

Thesis for a candidate’s degree in specialty 01.05.02— mathematical modeling and calculative methods. —Kyiv Taras Shevchenko national University, Kyiv, 2000.

This dissertation work is dedicated to the development and construction of modern distributed information systems of environmental protection for regional ecological models support. A new approach that forms a project of model through system objects identifications of abstract object ecosystem space and formalized description on this base is offered. Object-matrix method of designing complex ecological systems allows to simplify design and investigation of regional systems at all stages, to adequately present each subsystem of project, gives a possibility of dynamic development, further system expansion and modification. The development of methods of interaction through Web-interface opens possibilities to carry out interuniversity scientific collaboration.

Expediency of use of this method on practical examples of regional ecological modeling that validates approach application for wide range of tasks of environmental protection for overall ecological development is motivated.

Key words: abstract objective space, object-matrix method, mathematical modelling, computer ecological information system КЕІС.