Содержание к диссертации
Введение 4
Анализ предметной области и задачи исследования 12
Мониторинг окружающей среды 12
Лабораторный аппаратурный комплекс ДАН-2 25
Пакеты прикладных программ для решения экологических задач 32
Основные результаты и выводы 36
Методики расчета и оценки атмосферных аномалий 37
Дистанционный метод корреляционной спектроскопии газовых 37
выбросов в атмосферу
Методики численного моделирования формирования и 46
распространения полей аэрозольно-газовых выбросов в атмосфере
-
Гауссова модель (ГМ) 46
-
Модель Берлянда (МБ) 50
-
Региональная траєкторная модель переноса примесей (РМ) 52 Методика расчета оптических фонов в атмосфере при различных 55 метеорологических условиях и типах подстилающей поверхности
-
Классы фоновых помех 55
-
Алгоритмы оценки яркости дневного безоблачного неба и 57 определения потока, яркости фонового излучения без учета энергетического ослабления атмосферой
Методики работы с телевизионными изображениями 61
-
Токовый режим телевизионного мониторинга 61
-
Счетно-фотонный режим телевизионной системы с 63 микроканальным усилителем яркости
Основные результаты и выводы 64
Комплекс программ для аппаратуры ДАН-2 66
Состав и структура программного обеспечения СОДАК 67
Подсистема обработки данных оптического корреляционного 73
спектрофотометра
Подсистема прогноза распространения примеси в шлейфе 79
Подсистема расчета и прогноза оптических фонов в атмосфере 88
Основные результаты и выводы 97
Исследование алгоритмов и программного обеспечения при 99
обработке экспериментальных данных
-
Результаты тестирования программного обеспечения комплекса 99 аппаратуры для регистрации эмиссии и поглощения оптического и СВЧ-излучений
-
Результаты натурных испытаний аппаратурного комплекса ДАН-2 103 по наблюдению содержания NO2 и SO2 в шлейфе выбросов
тепловой электростанции
-
Расчет концентрации примеси для реальной атмосферы и 107 сравнение различных методов описания диффузии
-
Результаты расчетов атмосферных фоновых помех для различных 114 типов подстилающей поверхности
Основные результаты и выводы 119
Заключение 120
Список использованных источников 122
Список сокращений 129
Приложение 130
Введение к работе
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
5 пектральных линиях поглощения атмосферных газов. Для практического іспользования таких методов необходимы банки данных параметров :пектральных линий поглощения. Однако на протяженных трассах в атмосфере ірименение 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 іроведения, учет специфических особенностей данного вида информационных ютоков и их обработки для использования преимуществ автоматизации [7 - 9]. Эти особенности - большой объем и высокая скорость поступления жспериментальных данных, как правило, достаточно сложные алгоритмы их обработки, необходимые для снижения погрешности вычислений, повышения качества получаемых результатов, требуют создания специализированных систем ^бора 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 измерения; программы, определяющие основные параметры газовых составляющих атмосферы; программы, 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
7 5лизком к реальному масштабу времени; большим объемом памяти для хранения жспериментальной информации; развитым математическим обеспечением, зешающим необходимые задачи по сбору, хранению и обработке данных; средствами диалогового режима работы.
Создано большое количество разнообразных приборов, предназначенных для мониторинга окружающей среды. В ИОА СО РАН создан комплекс аппаратуры ггля 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
8 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.
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.
Предложенная организация функционирования СОДАК позволила в условиях регистрации аппаратурой ДАН-2 быстропротекающих процессов реализовать многофункциональный комплекс программ.
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.
9 Научную новизну полученных в работе результатов определяют.
Алгоритмы расчета, оценки и прогноза развития техногенных и геологических аномалий в атмосфере.
Синтез обобщенного алгоритма обработки данных пассивного газоанализа атмосферы с использованием аппаратурного комплекса ДАН-2.
Алгоритм функционирования автоматизированной СОДАК для лазерного зондирования.
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
10 группа "Аэрозоли Сибири", Томск, 2002.
Основные результаты исследований по теме диссертации отражены в 13 тубликациях, 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.
Алгоритм расчета по методике спектроскопии для обработки экспериментальных данных оптического корреляционного спектрофотометра разработан лично автором.
Анализ возможности применения методик оценки и прогноза оптических фонов в атмосфере при автоматизации работы комплекса ДАН-2 проведен совместно с Исаковой А.И.
Структура и состав программного обеспечения комплекса аппаратуры ДАН-2 разработаны совместно с Чистяковой Л.К., Исаковой А.И., Катаевым М.Ю.
Первичная обработка экспериментальных данных выполнена совместно с Лениным СТ.
Модули программного обеспечения по обработке экспериментальных данных оптического корреляционного спектрофотометра разработаны лично автором.
Модули программного обеспечения для прогноза оптических фонов в атмосфере разработаны совместно с Исаковой А.И.
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.
Во введении обеспечивается актуальность работы, формулируется цель и задачи исследования, отмечается научная новизна работы, приводится краткая характеристика диссертационной работы.
В первой главе кратко излагаются сведения о потенциальных источниках техногенных атмосферных аномалий, мониторинге окружающей среды и его основных задачах; существующих методах зондирования. Описывается объект автоматизации - аппаратурный комплекс ДАН-2: его состав, структура и принцип работы. Проведен краткий анализ известных пакетов прикладных программ, решающих экологические задачи.
Во второй главе описываются используемые в работе методики расчета и прогноза различных параметров атмосферы, определяющих экологическую ситуацию. Рассмотрены модели распространения концентрации примесей в шлейфе выброса промышленного объекта, использующие методики определения динамических параметров радиоактивных атмосферных аномалий. Описаны методика прогноза оптических фонов в атмосфере с учетом типов подстилающих поверхностей и методика обработки изображений по восстановлению его структуры и усилению его яркости из-за зашумленности аэрозолем и оптической плотности.
Третья глава посвящена описанию структуры программного обеспечения аппаратурного комплекса ДАН-2. Здесь приведен обобщенный алгоритм автоматизированной СОДАК. В каждом подразделе главы описывается структура и функциональные возможности каждой подсистемы созданного комплекса программ.
В четвертой главе представлены результаты тестирования созданного программного обеспечения. Приводятся результаты натурных испытаний аппаратурного комплекса ДАН-2 по наблюдению содержания NO2 в шлейфе выбросов тепловой электростанции ГРЭС-2 г. Томска с использованием разработанного комплекса программ. Здесь же приводятся результаты расчета атмосферных фоновых помех для различных типов подстилающей поверхности и результаты прогноза распространения примеси в шлейфе выброса, с последующим сравнением различных методов описания диффузии.
В заключении представлены основные выводы и результаты диссертации в целом.
