автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Алгоритмы формирования графовой модели речной системы мегаполиса Дакка для хранилища данных параметров качества речной воды

Работа выполнена на кафедре Информационных технологий федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова» (МИТХТ).

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущая организация

- доктор технических наук, доцент Колыбанов Кирилл Юрьевич

- доктор технических наук, профессор, декан факультета по работе с иностранными учащимися МИТХТ им. М.В.Ломоносова, Солохин Аркадий Викторович

- кандидат технических наук, главный специалист отдела Специального программного обеспечения Информационно-аналитического центра ФГУП РосРАО, Медведков Максим Сергеевич

ФБГОУ ВПО Тамбовский государственный технический университет

Защита состоится 17 декабря 2013 года в 13:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.120.08 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова по адресу: 119571, г. Москва, просп. Вернадского, д.86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИТХТ им. М.В. Ломоносова (119571, г. Москва, просп. Вернадского, д.86).

Автореферат диссертации размещен на сайте ВАК http://vak.ed.gov.ru

Реферат разослан 15 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

К.Ю. Колыбанов

Актуальность работы

Столица государства Бангладеш — город Дакка - в настоящее время является крупным современным мегаполисом с населением более 15 миллионов человек и ежегодным приростом населения около 3% в год. В непосредственной близости от территории мегаполиса расположена замкнутая речная система. Снабжение населения питьевой водой осуществляет Департамент водоснабжения и канализации Дакки (DWASA), используя для этого преимущественно грунтовые воды. Однако уровень грунтовых вод снижается, по данным исследований, на 1-3 м/год, что в ближайшей перспективе может привести к оседанию почв, изменениям в растительном покрове и другим экологическим последствиям, в том числе уменьшению поступления питьевых вод. Проблемы изучения поверхностных вод и повышения их качества становятся все более актуальными, поскольку при существующих темпах деградации подземных источников вод в течение ближайшего десятилетия возникнет проблема очистки речных вод как для бытовых, так и для промышленных целей.

В настоящее время вода в речной системе мегаполиса Дакка ограниченно пригодна для использования. По многим параметрам качество речной воды не соответствует стандартам, особенно при снижении уровня воды в реках в сухих сезонах. Помимо сельскохозяйственных стоков и бытовых сточных вод, значительный вклад в загрязнение поверхностных вод вносят предприятия текстильной и кожевенной промышленности, а также машиностроительные и химические предприятия, сосредоточенные в 6 основных промышленных зонах (кластерах), расположенных как в городской черте, так и в ближайших пригородах. Основными параметрами, определяющими качество воды в речной системе, являются концентрация растворенного кислорода (DO), химическая (COD) и биохимическая (BOD) потребность в кислороде, содержание твердых частиц (TDS), а также концентрации химических загрязнителей (анионы кислот, ионы металлов, аммиак и т.д.).

Изучению качества воды в речной системе мегаполиса Дакка посвящены работы многих исследователей, однако большинство таких исследований охватывает лишь отдельные небольшие части речной системы. Таким образом, обеспечение возможности совместного анализа данных о качестве воды во всей речной системе в целом представляется весьма актуальной задачей.

Цель работы

Целью работы является повышение эффективности сбора, хранения и совместного анализа данных на основе графовой модели для принятия научно обоснованных управленческих решений по повышению качества воды в речной системе мегаполиса Дакка.

Объект исследования - речная система мегаполиса Дакка.

Предмет исследования - применение системного подхода, теории множеств и теории графов для совершенствования информационной поддержки систем мониторинга качества воды в речной системе мегаполиса Дакка на основе технологий хранилищ данных.

Задачи исследования:

• Системный анализ проблемы качества воды в речной системе мегаполиса Дакка;

• Построение формализованного теоретико-множественного и теоретико-графового описания речной системы мегаполиса Дакка;

• Разработка алгоритмов построения графовой модели речной системы мегаполиса Дакка и алгоритмов формирования частных речных подсистем;

• Модификация структуры хранилища данных параметров качества речной воды на основе графовой модели речной системы для обеспечения возможности проведения совместного анализа накопленных данных.

Научная новизна:

• На основе системного анализа речной системы сформирована иерархия понятий, относящихся к речной системе;

• На основе разработанной иерархии понятий составлены теоретико-множественное и теоретико-графовое описание речной системы мегполиса Дакка;

• Разработаны алгоритмы построения обобщенной графовой модели речной системы и алгоритмы формирования частных речных подсистем для совместного анализа данных, полученных на различных фрагментах речной системы;

• Модифицирована структура хранилища данных параметров качества речной воды на основе графовой модели речной системы, обеспечивающая возможность проведения совместного анализа накопленных данных.

Практическая значимость:

• Выполнена программная реализация разработанных алгоритмов формирования графовой модели и матрицы речных подсистем;

• Заполнены таблицы речных фрагментов и графовой модели в хранилище данных параметров качества речной воды;

• Разработаны рекомендации по проведению исследований качества воды на основе графовой модели речной системы и хранилища данных параметров качества воды.

Методы исследования

В основу решения поставленных задач положены методы системного анализа (декомпозиция, классификация, иерархическое упорядочение, абстрагирование, формализация, композиция, моделирование), теория множеств, теория графов, методология функционального моделирования ШЕБО, методология проектирования баз данных ГОЕР1Х, теория реляционных баз данных и хранилищ данных.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы представлены на 1-й ежегодной международной конференции "Экологическая наука и технологии", Университет Ибб, Йемен; "Международной конференции по устойчивому развитию", Онтарио, Канада и Заочной электронной конференция Российской Академии Естествознания "Современные проблемы загрязнения окружающей среды".

Публикации по теме диссертации

По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 1 статья в журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов диссертационных работ, 2 статьи в зарубежных научных журналах, 3 публикации в сборниках трудов и тезисов докладов всероссийских и международных конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложения, изложенных на 96 страницах, включая библиографию из 104 литературных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрены актуальность, теоретическая и практическая значимость работы, а также описываются задачи, решение которых необходимо для достижения поставленной цели.

В первой главе "Системный подход к моделированию речной системы" рассмотрена проблема обеспечения возможности совместного анализа данных, полученных в различных исследованиях на различных фрагментах речной системы. Выявлены недостатки традиционного описания речных систем, препятствующие возможности проведения совместного анализа данных. Выполнена декомпозиция речной системы и сформирована иерархия понятий, связанных с речной системой, позволяющая преодолеть указанные недостатки.

Рис. 1. Речная система мегаполиса Дакка Системный анализ проблемы моделирования речной системы включает в себя следующие этапы:

1. Постановка задачи и определение цели исследования;

2. Выявление проблемной ситуации;

3. Декомпозиция речной системы;

4. Построение иерархии понятий, относящихся к речной системе;

5. Синтез речной системы на основе выявленной иерархии понятий.

Целью моделирования речной системы является построение комплекса математических и информационных моделей, позволяющих совместно анализировать данные.

Традиционное описание речных систем основано на использовании иерархии понятий "речная система - главная река - приток". Наибольшие усилия при таком описании речной системы направлены на выявление главной реки. К основным критериям, по которым выявляется главное русло, относятся ширина и глубина русла, полноводность реки, площадь водосбора, длина реки, количество притоков и другие гидрологические критерии, что обусловлено характером традиционно решаемых задач.

Само по себе такое описание является плохо формализуемым и неоднозначным, что подтверждается значительными различиями в описаниях одних и тех же речных систем различными исследователями и для различных целей. В частности, для рек Бангладеш характерны существенные колебания гидрологических параметров, что связано с ярко выраженной сезонностью климата и приливным влиянием Бенгальского залива. Поэтому для описания речной системы мегаполиса Дакка необходимо использовать принципиально другой подход.

Основные результаты исследований, посвященных изучению качества воды в речной системе мегаполиса Дакка, были опубликованы в исследовательских отчетах следующих организаций: Департамент Защиты Окружающей Среды (DOE); Институт моделирования качества воды (IWM); Департамент водоснабжения и канализации Дакки (DWASA); Всемирный банк (World Bank); Азиатский институт технологий (AIT). В результате анализа литературных источников были выявлены основные препятствия на пути совместного анализа данных, полученных разными исследователями:

1. Отсутствие единого обозначения точек отбора проб в различных отчетах.

2. Отсутствие единой координатной привязки точек отбора проб к участкам рек.

3. Использование названий рек в качестве описания точек пробоотбора.

В отчетах различных организаций одни и те же точки отбора проб могут иметь различные обозначения, например Ashulia Station Bridge, Tongi Khal 1, TK.1; или Estema Field, TK-2, Tongi khal 1 (это другая точка, не совпадающая с предыдущим примером); или Sitalakhya 10, Narayanganj ghat, Bondor ghat.

В большинстве отчетов в качестве начальной точки (0 км) используется первая точка данного исследования, вне зависимости от реального расположения данной точки относительно русла реки и других рек мегаполиса.

Тривиальным, но трудоемким способом решения этой задачи можно считать метод полного перебора всех возможных решений. Однако размерность задачи оказывается очень большой. Для ответа на вопрос о возможности совместного анализа данных, полученных в двух точках отбора проб можно задать двоичную матрицу совместимости С таким образом, что Сц=1, если совместный анализ данных в точках I и ] возможен, и сч=0 в обратном случае. Тогда для N точек отбора проб необходимо составить матрицу размера ЫхИ. При этом для проверки возможности совместного анализа данных из М точек необходимо выполнить М*(М-1)/2 проверок, т.е. зависимость объема вычислений от числа точек является квадратичной. Кроме того, добавление или удаление каждой новой точки отбора проб требует обновления матрицы совместимости, т.е. описание любой одной точки отбора проб влияет на описание всех остальных точек.

Таким образом, в основу моделирования речной системы положены следующие особенности: отказ от выделения главного русла и притоков; отказ от географических наименований рек.

Центральное место в предлагаемой иерархии понятий занимает понятие фрагмента речной системы (рис. 3). Фрагментом речной системы является участок некоторой реки между двумя граничными точками. Граничной точкой может быть:

1. Исток реки;

2. Условная граница реки;

3. Точка слияния двух рек;

4. Точка разделения реки на два русла;

5. Устье реки.

Речная система

—Речная подсистема

Река

п;

Фрагмент речной системы

Граничная точка

Рис. 3. Иерархия понятий речной системы.