Введение к работе
Актуальность проблемы. Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов представляет собой одну из глобальных мировых проблем, успешное решение которой будет иметь определяющее значение не только для дальнейшего развития мирового сообщества, но и для сохранения среды его обитания. Одним из перспективных путей решения этой проблемы является применение новых энергосберегающих технологий, использующих нетрадиционные возобновляемые источники энергии.
Несмотря на то, что современная энергетика в основном базируется на невозобновляемых источниках энергии (около 80% в мировом энергетическом балансе составляют нефть, газ и каменный уголь), интерес к возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) неуклонно растет. Главными аргументами для использования ВИЭ являются высокая цена традиционного топлива, энергетическая безопасность для стран-импортеров нефти и газа и проблемы охраны окружающей среды.
В этой связи одной из важнейших научно-технических проблем народного хозяйства в энергетической отрасли является обеспечение информацией и поддержка принятия управленческих решений государственных органов в сфере планирования развития сектора энергообеспечения на основе ВИЭ. Стратегия развития энергетики для любого региона России и вовлечение ВИЭ в его энергетический баланс напрямую зависят от имеющегося потенциала, как по отдельным видам, так и по совокупности видов ВИЭ (комплексного потенциала).
Изучение неравномерностей пространственного распределения потенциала ВИЭ и выявление наиболее перспективных районов под строительство энергогенерирующих объектов в совокупности с анализом инфраструктуры в данных районах эффективно при использовании специализированных технологий геоинформационного моделирования.
В настоящее время отсутствуют исследования, посвященные вопросам применения геоинформационных технологий для выполнения пространственного моделирования потенциала возобновляемых энергоресурсов. Геоинформационные системы в данной предметной области используются, как правило, только для визуализации точечных результатов рассчитанных величин. Это выполняется по следующей схеме: а) рассчитываются точечные значения потенциала, б) с использованием ГИС общего назначения выполняется интерполяционное сглаживание по пространству, в) в той же ГИС общего назначения результаты визуализируются в виде карты ареалов или изолиний. Применение такой схемы оправдано при максимальной плотности исходных точечных данных, которая может быть обеспечена лишь на мелких масштабах. При работе со средними и крупными масштабами необходим другой подход. Подход, в рамках которого будут учитываться различия в плотности исходных данных параметров, влияющих на значение потенциала источников возобновляемых энергоресурсов, и каждый параметр будет рассмотрен отдельно в процессе иерархического решения поставленных задач.
Цель работы. Разработка информационных технологий и программного обеспечения геоинформационного моделирования для решения задач оценки пространственного распределения ресурсов ВИЭ и определения пространственного распределения плотности геотермальных ресурсов Дагестана.
Достижение поставленной цели обеспечивается решением в диссертационной работе следующих крупных задач:
разработать основу построения специализированной системы трехмерного геоинформационного моделирования (СТГМ);
разработать систему организации данных в СТГМ;
разработать функциональные модули и модули визуализации данных в СТГМ;
разработать алгоритмическое и программное обеспечение СТГМ;
выполнить моделирование пространственного распределения плотности геотермальных ресурсов Дагестана.
Объектом исследования являются геотермальные энергоресурсы Республики Дагестан (пространственное распределение потенциала).
Предметом исследования являются теоретические и методологические основы разработки и применения геоинформационных технологий для построения карт пространственного распределения возобновляемых энергоресурсов.
Научная новизна. Предложены новые принципы построения и новые технологии программно-алгоритмической реализации специализированной системы трехмерного геоинформационного моделирования для решения задач комплексной оценки ресурсов ВИЭ. Впервые с применением геоинформационных технологий построены: трехмерная модель температурного поля (до 5000м), трехмерная геологическая модель, модель распределения плотности потенциальных геотермальных ресурсов (до 3000м и 5000м) и технически доступных геотермальных ресурсов для горячего водоснабжения и отопления.
К основным результатам, составляющим научную новизну, можно отнести следующие:
-
Предложенные принципы построения СТГМ в отличие от известных систем, в совокупности, предусматривают следующее: а) разложение задач, решаемых в системе, на подзадачи и последовательное их выполнение с помощью имеющегося набора функциональных модулей и унифицированных типов структур данных (принцип гибкости системы и унификации структур данных); б) визуализацию данных на всех промежуточных стадиях решения задачи (принцип контроля и своевременной коррекции данных или методик в случае неудовлетворительных промежуточных результатов в решении задачи); в) обеспечение возможности адаптации системы к решению новых задач путем разработки и добавления новых функциональных модулей (принцип открытости и адаптации системы к новым задачам). Это в целом позволяет решать сложные задачи, связанные с пространственным моделированием распределения потенциала ВИЭ.
-
В рамках концепции построения ГИС введен принцип разделения данных на расчетные и визуализируемые. Такое разделение не предусматривается в современных ГИС. Однако это позволяет, с одной стороны, повысить скорость и качество визуализации (наиболее важного аспекта трехмерной ГИС), с другой – придает системе высокую гибкость с большей степенью универсальности.
-
В рамках концепции построения ГИС введен механизм истории данных, который в отличие от традиционных ГИС-форматов позволяет ответить на следующие вопросы относительно файла текущей структуры данных: что смоделировано, какие данные и какая методика вложены в модель?
-
Предложен способ оптимизации данных вещественной регулярной сети, который в 4 раза сокращает объем памяти, что увеличивает возможности геоинформационного моделирования на регулярных сетях, поскольку эти возможности всегда зависят от вычислительных ресурсов используемого компьютера.
-
Решена проблема повышения точности определения наличия пересечения двух отрезков в программной реализации стандартного алгоритма решения задачи из вычислительной геометрии. Модификация стандартного алгоритма исключает операцию деления, из-за которой возникает данная проблема.
-
Определены и исследованы некорректности стандартного алгоритма проверки принадлежности точки полигону из вычислительной геометрии и предложена модификация данного алгоритма, что позволяет получить алгоритм более эффективный как с точки зрения объема программного кода, так и с точки зрения увеличения скорости выполнения (15%).
-
Предложена методика ускорения поиска ближайших узлов в трудоемкой задаче двумерной интерполяции на непрерывной регулярной сети при большом объеме исходных и результирующих данных, позволяющая достигать двухкратной экономии времени, затрачиваемом на выполнение интерполяции, по сравнению с аналогами.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Предложена концепция построения специализированной системы трехмерного геоинформационного моделирования для решения задач, связанных с оценкой распределения ресурсов ВИЭ.
-
Разработан набор программного обеспечения функциональных модулей, позволяющий проводить геоинформационное моделирование распределения плотности геотермальных ресурсов.
-
С применением предложенных геоинформационных технологий построены модели: а) трехмерного геологического строения земной коры Дагестана, б) трехмерного температурного поля (до 5000м), в) распределения общих потенциальных геотермальных ресурсов Дагестана (до глубин 3000м и 5000м), г) распределения технически доступных геотермальных ресурсов для режима 70/20С (горячее водоснабжение) и для режима 90/40С (отопление).
-
Предложен способ оптимизации объема данных в вещественной регулярной сети путем замены восьмибайтовых (вещественных) значений в ее узлах на формальные беззнаковые двухбайтовые целые числа с учетом двух коэффициентов преобразования, позволяющий в 4 раза сократить объем памяти, необходимой для хранения сети, что увеличивает возможности геоинформационного моделирования на регулярных сетях в режиме 3D.
Практическая значимость:
-
Разработанные технологии геоинформационного моделирования, реализованные в виде СТГМ, позволяют решать задачи по оценке пространственного распределения ресурсов ВИЭ и наглядно представлять полученные результаты.
-
Разработанная концепция построения СТГМ, объединяющая принципы организации структур данных, механизмы их обработки и систему трехмерной визуализации, может быть использована в других областях (геология, геофизика, геоэкология и др.), для чего необходимо изменить набор функциональных модулей под решение конкретных задач.
-
Разработанная СТГМ может быть задействована в учебном процессе для наглядной демонстрации геоструктур и геополей в рамках изучаемых учебных дисциплин.
Реализация результатов работы:
«Система трехмерного геоинформационного моделирования» принята для внедрения в ОАО ТЭК «Геотермнефтегаз» и с ее помощью выполняется геоинформационное моделирование распределения потенциала геотермальных ресурсов Дагестана.
Апробация работы. Основные научные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на следующих конференциях: Второй международной конференции «ГИС в геологии», Москва, Государственный геологический музей им.Вернадского РАН, 15-19 ноября 2004г.; Международной научной конференции «Проблемы водных ресурсов, геотермии и геоэкологии», Минск, Институт геохимии и геофизики НАН Беларуси, 1-3 июня 2005г.; Международной конференции «Возобновляемая энергетика: проблемы и перспективы», Махачкала, Институт проблем геотермии Дагестанского НЦ РАН, 19-22 сентября 2005г.; Симпозиуме №2 международного проекта Евросоюза по возобновляемой энергетике ENGINE «Exploring high-temperature reservoirs: new challenges for geothermal energy», Вольтера, Италия, 1-4 апреля 2007г.; Международной конференции и в дискуссионном клубе «Информационные технологии в науке, социологии, экономике и бизнесе», Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 20-30 мая 2007г.; Заключительной конференции международного проекта Евросоюза по возобновляемой энергетике ENGINE, Вильнюс, Литва, 12-15 февраля 2008г.; Шестой всероссийской научной молодежной школы «Возобновляемые источники энергии», Москва, МГУ им.Ломоносова, 25-27 ноября 2008г.; 2-й международной конференции «Возобновляемая энергетика: проблемы и перспективы», Махачкала, Институт проблем геотермии Дагестанского НЦ РАН, 27-30 сентября 2010г.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 39 научных работ, в том числе 1 монография и 11 работ в периодических изданиях, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы (171 наименований) и приложений. Работа изложена на 239 страницах машинописного текста, содержит 96 рисунков и 16 таблиц.
Работа выполнялась в рамках плановой научной темы Института проблем геотермии Дагестанского научного центра РАН «Геотермальные ресурсы Восточного Предкавказья и разработка методов их комплексного освоения».
