автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка автоматизированной системы экологического мониторинга на базе информационных технологий удаленного доступа

На правах рукописи

ВОЛКОВ ВЛАДИСЛАВ ЮРЬЕВИЧ

Разработка автоматизированной системы экологического мониторинга на базе информационных технологий удаленного доступа

О1) 13 01 Системный анатз, управчение а обработка информации 03.00 ¡6 Экочогпя (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации

на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА, 2005г.

Работа выполнена на кафедре Автоматизации Произволе темных Процессов Новомосковского Института РХТУ им Д.И Менделеева

Научный руководитель кандидат гехнических наук, профессор Эделышейн Юрий Давидович

Научный консулыанг. доктор технических наук, профессор Вент Дмитрий Павлович

Официальные оппоненты: доктор технических паук, профессор

Палюх Борис Васильевич

доктор технических наук, профессор Смирнов Владимир Николаевич

Ведущая организация:

ОАО «Новомосковский Институт Азотной Промышленности» г Новомосковск

Защита диссертации состоится 15 декабря 2005 года в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 212.204.03 в РХТУ им. Д.И. Менделеева в конференц. зале по адресу: 125190, Москва А-47, Миусская пл., д.9.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-информационном центре РХТУ им. Д.И.Менделеева

Автореферат разослан « 8 » ноября 2005г.

Ученый секре!арь Диссертационного Совета

Женса А.В.

IOQG-Ч

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Атмосферный воздух является жизненно важным компонентом окружающей природной среды, неотъемлемой частью среды обитания человека, растений и животных. Качество атмосферного воздуха - важнейший фактор, влияющий на здоровье, на санитарную и эпидемиологическую ситуацию. Примерно две трети населения Российской Федерации проживает на территориях, где уровень загрязнения атмосферного воздуха не соответствует гигиеническим нормам.

По мере промышленного роста возобновляются и приобретают новое значение вопросы охраны окружающей среды, а также рационального природопользования. Для эффективного решения этих задач необходимо создавать современные системы экологического мониторинга. Существующие системы экологического мониторинга зачастую малоэффективны и не обладают необходимой надежностью. Многие из них морально и физически устарели. Как показало практическое использование таких систем, основными их недостатками являются малоэффективная среда передачи информации, слабая возможность расширения, автономность, привязка к определенному виду программного и аппаратного обеспечения и т.п.

Современный уровень состояния общества и экономики характеризуется динамичным развитием и внедрением новых информационных технологий во все сферы деятельности. Информатизация как процесс внедрения новых информационных технологий, средств сбора, передачи, хранения и обработки информации является необходимым условием и одним из основных направлений реформирования системы государственной власти и управления Российской Федерации, в том числе и системы управления природными ресурсами.

Формирование единого информационного пространства, обеспечение органов государственной власти достоверной и оперативной информацией требуют перехода на новый уровень организации работы в этом направлении. В этой связи Министерство Природных Ресурсов осуществляет реорганизацию действующей системы информационно-аналитического обеспечения природопользования и охраны окружающей среды.

При разработке современных автоматизированных систем мониторинга (АСМ) возникают следующие научные проблемы: выбор оптимальной структуры АСМ, оптимальный выбор современных технических и программных средств контроля и обработки информации, выбор и реализация высокоэффективных способов повышения надежности и достоверности информации об экологической ситуации, особенно в критических случаях и т.п. В настоящей работе решение вышеперечисленных проблем показано на примере преобразования автоматизированной системы контроля атмосферного воздуха г. Новомосковска АСК «АТМОСФЕРА» в автоматизированную систему экологического мониторинга (АСЭМ) состояния атмосферного воздуха «АТМОСФЕРА-ТО», являющейся частью территориальной системы экологического мониторинга (ТСЭМ) Тульской области.

Работа выполнена в рамках Федеральн " ~ сология и при-

родные ресурсы России (2002 - 2010 годы)» и амме оздоров-

ления экологической обстановки и охраны здоровья населения Тульской области».

Целью диссертационной работы является создание современных эффективных методов разработки новых АСЭМ и преобразования уже существующих АСК в АСЭМ.

Для осуществления поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:

1. Проведен системный анализ характеристик существующих АСК.

2. Определены и исследованы информационные потоки, возникающие в АСЭМ.

3. Разработан метод синтеза системы удаленного доступа к АСЭМ через Интернет.

4. Разработана методика построения информационной модели АСЭМ на основе диаграмм унифицированного языка моделирования 1/МЬ.

5. Разработаны информационные модели, диаграммы, алгоритмы и авторский пакет программ, реализующие предложенный метод.

6. Выявлены и решены проблемы, возникающие при интеграции АСЭМ в областную систему мониторинга.

7. Проведена оптимизация структуры аппаратных средств системы передачи и обработки информации в АСЭМ на базе новых информационных технологий.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

1. Разработана специальная методика создания структуры АСЭМ, которая может быть рекомендована в качестве типовой структуры АСЭМ атмосферног о воздуха в любом регионе РФ с удаленным доступом через Интернет к ее информационным ресурсам (на примере АСЭМ «АТМОСФЕРА-ТО» г.Новомосковска Тульской области, позволяющая достаточно гибко и легко расширять систему).

2. Обоснована необходимость применения удаленного доступа через Интернет к информационным ресурсам АСЭМ и осуществлена разработка системы удаленного доступа соответствующих «Лиц Принимающих Решения», для получения актуальной информации о состоянии окружающей среды для экстренного оповещения, если необходимо, и т.п.

3.Исследованы информационные потоки и пропускная способность телекоммуникационной подсистемы АСК в различных режимах функционирования.

4.Использованы новые информационные технологии для решения поставленных задач на уже существующих программно-аппаратных средствах, которые очень быстро морально устаревают.

5. Разработана методика создания паттернов на основе языка иМЬ для модели АСЭМ.

6. Разработан авторский пакет программ, позволяющий создавать систему удаленного доступа через Интернет вне зависимости от «программной платформы» (операционных систем) компьютерного оборудования.

Практическая ценность результатов работы

Материалы диссертационной работы переданы фирме «Эком», городскому природоохранному комитету и могут быть использованы для разработки подобных систем мониторинга на стадии проектирования или модернизации уже существующих систем АСК в Российской Федерации.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 22 Научной конференции «Автоматизация, информатизация, моделирование процессов и систем» г.Новомосковск, РХТУ им.Д.И.Менделеева, Новомосковский институт (филиал), 2001г., 23 Научной конференции «Автоматизация, информатизация, моделирование процессов и систем» г.Новомосковск, РХТУ им.Д.И.Менделеева, Новомосковский институт (филиал), 2002г, 24 Научной конференции «Автоматизация, информатизация, моделирование процессов и систем» г.Новомосковск, РХТУ им.Д.И.Менделеева, Новомосковский институт (филиал), 2004г., V Научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. Новомосковск, 2002г., VI Научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. Новомосковск, 2004г., VII Научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. Новомосковск, 2005г.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликованы более 30 печатных работ, в том числе в вестнике Академии МАСИ «Информатика, экология, экономика», том.5, часть I, г.Москва, 2001 г., Трудах НИ РХТУ серия кибернетика, автоматика, математика, информатизация. Выпуск №2(8), Новомосковск 2002., Вестнике МАСИ. Информатика, экология, экономика, том 6, часть 1, Москва 2002г., Вестнике МАСИ. Том 7, часть П, Москва, 2004г. Публикации отражают основное содержание работы.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, содержащего 118 наименований. Работа содержит 166 листов машинописного текста, 43 рисунка, 22 таблицы и приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы и указаны проблемы, которые необходимо решить для достижения поставленной цели, а также обоснован выбор методов и средств для решения указанных проблем.

В первой главе проведено исследование проблем построения систем экологического мониторинга, рассмотрены вопросы организации мониторинга атмосферного воздуха, проведен анализ функциональных возможностей и современных технических средств мониторинга, проанализировано состояние проблем создания и использования информационных и программных комплексов контроля и управления качеством атмосферного воздуха, а также, практических разработок в области контроля и управления качеством атмосферного воздуха. Рассмотрены зарубежные и отечеи венные автоматизированные системы контроля и анализа качества атмосферного воздуха, автоматизированные системы экологического мониторинга, их организационное, информационное, программное и техническое обеспечение, приведен их анализ. Проведен подробный обзор и анализ существующих способов удаленного доступа к информации через Интернет и сделаны выводы о целесообразности применения их в системах экологического мониторинга.

По результатам литературного обзора сделаны следующие выводы.

1. Анализ состояния проблем в области экологического мониторинга атмосферного воздуха, методов контроля загрязнения воздуха и технических средств показал, что большинство существующих АСК выполняют лишь контролирующие функции, поэтому необходима разработка и реализация автоматизированных систем мониторинга атмосферного воздуха, включающие в себя новые функции, например, такие как прогнозирование состояния атмосферного воздуха и определение источников его загрязнения в реальном режиме времени.

2. Отсутствует общий подход к объединению таких информационных систем, программных комплексов и технических средств мониторинга атмосферного воздуха на разных территориальных уровнях. Существующие разработки в области создания автоматизированных систем контроля и мониторинга качества окружающей среды не предназначены в большинстве случаев для оперативного прогнозирования и принятия решений по управлению качеством атмосферного воздуха в режиме реального времени.

В целом, в результате проведенного литературного обзора, намечены основные задачи, связанные с разработкой оптимальной структуры и программно-алгоритмического обеспечения подсистемы взаимодействия с удаленными постами контроля качества атмосферного воздуха. Поставлены задачи, которые необходимо решить при переходе к иерархическим системам мониторинга, работающим в режиме реального времени.

Во второй главе приведено описание существующей АСК «АТМОСФЕРА», которая представляет собой распределенную систему сбора и обработки информации о состоянии атмосферного воздуха в г.Новомосковске.

В настоящее время АСК «Атмосфера» представляет собой муниципальную сеть наблюдений, организованную в целях решения локальных задач и изучения режима и состояния окружающей среды в интересах местных потребителей информации, которая входит в состав областной системы. Техническое обеспечение областной системы приведено на рис.1.

Сеть передачи данных обеспечивает сбор и распространение информации о загрязнении атмосферного воздуха по линиям связи, в качестве которых используются телефонные каналы связи.

Основные характеристики АСК приведены в Таблице 1.

ЦОИ АКСМ "АТМОСФЕРА ТО"

..—- / Л'| ГИГ'УШ I

ЦОИ -ЯСНАЯ ПОЛЯНА- ЦОИ АСК "АТМОСФЕРА-

г Новомосковск

.КШ

Ярвр-^ь! ИЩ М1-

Пункт сбора данных (ПОД)

[Сг

I Д|«.

=1 А 1 А 13

I метволрмЛор Г"^

Рис 1 Техническое обеспечение системы областной автоматизированной системы экологического мониторинга.

5 Основные характер Таблица 1 эисгики АСК

Наименование Характеристика

Компьютер поста наблюдения IBM PC Pentium ММХ 200 МГц

ОЗУ 32 Мб

Жесткий диск 1Гб

Модем внутренний 33,6 Кбит/с, протокол V.32

Компьютер центра сбора информации ЮМ PC Pentium П 333 МГц

ОЗУ 64 Мб

Жесткий диск 8 Гб

Модем внутренний 33,6 Кбит/с, протокол V.32

Среда передачи данных Телефонная линия (витая пара 1 категории), внутренняя мини-АТС.

Максимальная скорость передачи информации между стационарным постом и центром сбора информации 31,2 Кбит/с

Реальная скорость передачи информации между стационарным постом и центром сбора информации 24,0-28,0 Кбит/с

Тип информационного потока Симметричный

Операционная система компьютеров стационарных постов MS Windows 95

Операционная система компьютера ЦОИ MS Windows 98

Тип файлов хранения информации Структурированные текстовые файлы (плоские файлы).

Резервирование канала связи Отсутствует

Прикладное программное обеспечение Неунифицированное, разработано на языке С++

Степень привязки к операционной системе и оборудованию Высокая

Переносимость на другую платформу (ОС и аппаратное обеспечение) Низкая

Тип АСК Сложная, иерархическая, содержащая одинаковые структурные части

Информационная модель Отсутствует

Реализация функций ЕГСЭМ На муниципальном уровне

АСК в г.Новомосковске предназначена для автоматизированного сбора, обработки и представления информации об уровне загрязнения атмосферного воздуха г.Новомосковска. Состав АСК приведен на рис. 2.

АСК «Атмосфера» состоит из сети постов контроля атмосферы, организованных на базе пунктов наблюдения за загрязнением окружающей среды службы ЛМЗА (Лаборатория мониторинга загрязнения атмосферы), и Центра обработки информации (ЦОИ), расположенного в Городском комитете по охране окружающей среды. Связь с постами осуществляется по каналам телефонной связи. Количество постов - 3. Каждый стационарный пост в составе АСК «Атмосфера» способен в автоматическом режиме измерять в атмосферном воздухе содержание 5 загрязняющих веществ: диоксид серы, диоксид азота, оксид азота, оксид углерода, аммиак и 4 значений метеопараметров: температура, влажность, скорость и направление ветра.

Режим работы комплекса - круглосуточный.

РОСГИДРОМЕТ, ТЦМС (гКурск), ТЦГМ (гТула)

7

Информационно-аналитический центр

Администрации ^- мои АКСМ -

Гульской области Ч|- .дтИп™™.™. -^

Территориальные органы федеральных служб

МПР ГОиЧС, Госкомсанэпиднадзор

4 АТМ О СФ Е РА-ТО"

ПНЗА А-1 А-4 гТуЛЭ

ПНЗАА-5 А-7 г Новомосковск

ПНЗА А 8 ПНЗА А 9 ПНЭАА10 ПНЗА А 11 ПНЗА А 12 ПНЗ/ \1

м/у "Ясная Поляна" гЩекино л Переомаискии г Алексии гСуворов гЕф> мое

Рис. 2. Состав АСК «АТМОСФЕРА ТО».

Приведен ее анализ, выявлены недостатки и новые проблемы, возникш нцие при переходе к иерархической АСЭМ «АТМОСФЕРА-ТО» Тульской области Проанализировано использующееся в настоящее время для работы АСК аппарат ос и программное обеспечение. Описаны информационные потоки в системе монит »ринга. Приведена научно обоснованная оптимальная информационная структура АС ЭМ.

В третьей главе приведено описание разработанной методики построен! л информационных моделей АСЭМ и моделей данных, используемой для создания А( )М.

Цель разработки новых моделей данных состоит в том, чтобы приблизить и ф< >р-мационную систему, имеющую дело с некоторой предметной областью к предсгавл ¡шлм пользователей об этой предметной области. Построение информационной систем 1, яя экологического мониторинга осложняется, если требуется фиксировать результат .1 наблюдений над большим количеством объектов разного типа, которые проводите, множеством независимых пользователей, и сохранять данные для последующего анаь, I <„: за большой период. Кроме того, посты сбора первичной информации могу располш гг>ся на большом расстоянии друг от друга и от центральных пунктов обработки, что, в ¿ною очередь, выдвигает дополнительные требования к среде передачи информации.

Объектно-ориентированный анализ и проектирование принципиально сличаются от традиционных подходов структурного проектирования: здесь нужно по-другому представлять себе процесс декомпозиции, а архитектура получающегося программного продукта в значительной степени выходит за рамки представлений, традиционных для структурного программирования.

В диссертации разработана методика применения виртуального проецирования общей сложной модели на «функциональные плоскости», позволяющие рассмотреть виртуальные структуры общей модели на таких уровнях как: инфор- ыии-онный, аппаратно-технический, программно-алгоритмический и т.п. (см. р>:с ";.). Это позволит значительно повысить наглядность моделей и упростить п следующую разработку типовых шаблонов проектирования, а также обл^г1 чт взаимодействие узкоспециализированных разработчиков АСЭМ.

Объектом мониторинга является атмосферный воздух. Он обладает набором параметров, описывающих его состояние: температура, влажность, давление, концентрация загрязняющих веществ и т.п. В процессе наблюдения определяются значения параметров объекта. Значения параметров через среду передачи данных попадают в хранилище, где происходит накопление информации для ее последующей обработки. Обработчик обрабатывает полученную информацию и формирует прогноз поведения объекта, а также, варианты способов воздействия на объект, с целью повышения его качества, т. е. - снижения его загрязнения. Результата своей работы обработчик передает через среду передачи данных пользователю, который в свою очередь, формирует управляющие решения и воздействует на загрязнителей объекта мониторинга. Результаты своей работы обработчик передает через среду передачи данных пользователю, который в свою очередь, формирует управляющие решения и воздействует на загрязнителей объекта мониторинга.

Загрязнители (промышленные предприятия, автотранспортные потоки и т.п.) должны строить свою деятельность так, чтобы снизить вредное воздействие на атмосферный воздух -объект наблюдения, и на окружающую среду вообще. Так как модель представляется достаточно сложной то, для того, чтобы упростить ее системный анализ, предлагается использовать понятие виртуальной структуры модели.

Общая структура модели может быть не определена, подобно «черному ящику».

Такая структура виртуально состоит из подпространств-уровней: информационного, аппа-ратно - технического, уровня процессов, программно - алгоритмического и т.п.

Отдельные уровни отличаются друг от друга не по степени «более высокий)) - «более низкий», а представляют собой виртуальные «плоскости», на которые, в целях анализа, проецируется глобальная виртуальная модель. Особенность такого представления позволяет строить новые проекции, как только возникает необходимость в новом уровне анализа.

Виртуальная структура информационной модели системы мониторинга атмосферного воздуха

Виртуальную структуру модели автоматизированной системы мониторинга атмосферного воздуха удобно представлять в виде проекций общей структуры модели на определенные выше уровни: информационный, уровень процессов, управляющий, аппаратно-технический, программно-алгоритмический. В дальнейшем, если возникнет необходимость дополнительного анализа, необходимо будет сформировать дополнительные аналитические уровни.

На рис.4 - 6 представлены проекции виртуальной структуры модели АСЭМ с удаленным доступом на основные уровни (см.рис. 3).

Аппаратно-технический уровень

Программно-г алгоритмический уровень

нформационный уровень

Уровень управления

Уровень процессов

Рис.3. Уровни виртуальной структуры АСЭМ с удаленным доступом.

ЗНАЧЕНИЯ ИЗМЕРЯЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ

АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ

ХРАНИЛИЩЕ ИНФОРМАЦИИ

ОБРАБОТЧИК ИНФОРМАЦИИ

~7~

ПОЛЬЗОВАТЕЛЬ

СРЕДА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Л/-

ПРОЦЕСС НАБЛЮДЕНИЯ

ПРОЦЕСС ОБРАБОТКИ И ХРАНЕНИЯ

ПРОЦЕСС ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЯ

СИСТЕМА МОНИТОРИНГА

Рис 4. Проекция виртуальной структуры модели на информационный уровень и уровень процессов

АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ

АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ

-X А-

ИП №1

---—

• • • ИП № п

i:xi

ЦОИ №1

1

ЦОИ №ш

7

УДАЛЕННОЕ УСТРОЙСТВО ВЗАИМОДЕИСТВИЯ ЛПР С СИСТЕМОЙ МОНИТОРИНГА

КОММУНИКАТИВНЫЕ УСТРОЙСТВА ЗАГРЯЗНИТЕЛЕМ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

СРЕДА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Рис 5 Проекция виртуальной структуры модели на аппаратно-технический уровень

ОС и ППП сбора ОС и ППП сбора

и первичной • • • и первичной

обработки обработки

информации информации

ИП N91 ИП Nan

ОС ППП управления сбором и обработкой информации от ИП, СУБД хранения информации ЦОИ №1

ОС ППП управления сбором и обработкой информации от ИП СУБД хранения информации ЦОИ Nam

ОС, ППП УПРАВЛЕНИЯ УДАЛЕННЫМ ДОСТУПОМ ЛПР К СИСТЕМЕ МОНИТОРИНГА

ОС ППП взаимодействия ЗАГРЯЗНИТЕЛЕМ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА о системой мониторинг

СРЕДА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Рис.6. Проекция виртуальной структуры модели на программно-алгоритмический уровень. Стрелки представляют собой информационные потоки объекта мониторинга. На основе этих проекций строятся информационные модели подсистем АСЭМ, а затем создаются программы, реализующие их работу.

Виртуальную модель взаимодействия отдельных элементов системы мониторинга через Интернет можно представить следующим образом. Проекция взаимодействия на программно-алгоритмическом уровне выглядит, как представлено на рис. 7.

Web HTTP Web CGI CGI SQL Сервер Базы

Браузер Сервер скрипт Данных

Рис.7. Модель взаимодействия через Интернет на программно-алгоритмическом уровне Компьютер пользователя представляет собой стационарный или мобильный

компьютер, оборудованный средствами работы в Интернет. В качестве такого «компьютера» может выступать мобильный телефон. WEB-сервер и сервер БД - представляют собой компьютеры, подключенные к сети Интернет. На этих компьютерах установлено соответствующее ПО. WEB-сервер и сервер БД могут располагаться на одном компьютере. Если для взаимодействия с системой мониторинга используются сотовые телефоны, то информация в Интернет попадает через специальные устройства - шлюзы, которыми обладают провайдеры сотовой связи.

Построение визуальных моделей позволяет решить сразу несколько типичных проблем разработки информационных систем. Во-первых, технология визуального моделирования, позволяет работать со сложными и очень сложными системами и проектами. Во-вторых, визуальные модели позволяют содержательно организовать общение между заказчиками и разработчиками системы. Визуальное моделирование существенно облегчает достижения таких целей как: повышение качества программного продукта, сокращение стоимости проекта, поставка системы в запланированные сроки.

Унифицированный Язык Моделирования (UML) является открытым языком и обладает средствами расширения базового ядра. На UML можно содержательно описывать классы, объекты и компоненты в различных предметных областях, часто сильно отличающихся друг от друга. С точки зрения визуального моделирования UML предоставляет выразительные средства дня создания визуальных моделей, которые: единообразно понимаются всеми разработчиками, вовлеченными в проект и являются средством коммуникации в рамках проекта.

Методику использования UML диаграмм кратко можно представить следующим образом. Вначале для ИС определяется ее внешняя функциональность, выделяются все действующие лица и все прецеденты. Отношения между ними изображаются на серии Диаграмм Использования Для каждого прецедента строится описание его динамики в виде серии Диаграмм Взаимодействия и Диаграмм Активностей. Из этого описания определяются те объекты, которые задействованы в реализации данного прецедента. Д алее Диаграммы Классов определяют статическую структуру, описывающую взаимоотношения соответствующих объектов друг с другом. Поведение классов, со сложной динамикой реагирования на события, определяется на Диаграмме Состояний. Размещение объектов по программным модулям описывается в Компонентных Диаграммах, а программных модулей по сети и компьютерам - в Д иаграммах Распределения.

На основе проведенного анализа, средствами языка UML для АСЭМ были разработаны соответствующие паттерны (шаблоны). В качестве примера в диссертации рассмотрено создание универсального паттерна модуля доступа к удаленному стационарному автоматизированному посту наблюдения загрязнения атмосферы (ПНЗА) через Интернет. Подобная система WEB-интерфейса обычно называется «Thin Web Client» (на основе «тонкого» Web-клиента). В распоряжении пользователя должен быть только стандартный браузер, поддерживающий формы, например, Internet Explorer (IE). Все операции, связанные с обработкой запросов, выполняются на сервере, а результаты передаются на компьютер пользователя в виде сгенерированных HTML-страниц. Основные компоненты архитектуры на основе «тонкого» Web-клиента размещаются на сервере. В большинстве случаев — это минимальная архитектура Web-приложения. На рис. 8 приведено логическое представление системы на основе «тонкого» Web-клиента.

БРАУЗЕР

Протокол HTTP

—1 -1

WEB Сервер

Сервер БД

-' ч 1—1 /

Страницы CGI

HTML PERL

Рис.8. Логическое представление системы на основе «тонкого» Web-Kimema

Применение ООП накладывает своеобразные ограничения на описание алгоритмов работы системы. Стандартные блок-схемы алгоритмов не всегда могут наглядно и полно описать необходимую последовательность действий, т.к. служат в первую очередь для описания «линейных» структур и последовательных событий. Описание параллельных одновременных действий с их помощью затруднительно.

Для описания универсального модуля доступа к удаленному ПНЗА в диссертации использован UML. Вместо традиционных блок-схем алгоритмов в нем используются специальные диаграммы.

АСЭМ с удаленным доступом состоит из: Подсистемы Управления Пользователями; Подсистемы Администрирования; Подсистемы Управления Работой Поста; Подсистемы приема информации от поста; Подсистемы корректировки параметров, которые изображены на рис.9. Для каждой подсистемы была разработана Диаграмма Вариантов Использования.

К действующим лицам подсистемы передачи данных АСЭМ относятся люди, которые будут работать с ПНЗА через Интернет, СУБД, Система сбора данных об атмосферном воздухе и Система преобразования существующих данных наблюдений.

Рис. 9. Подсистемы АСЭМ

Рис.10, представляет собой упрощенную Use Case диаграмму, с помощью которой планируется web-сайт удаленного доступа к АСЭМ. На данной диаграмме не показаны все действия, предусмотренные в системе - обычно для описания всей функциональности создается несколько диаграмм. Даже с помощью такой простой диаграммы как эта, можно описать огромный объем информации. Отношение включения («include»), показывает, что определенное действие включают ь себя функцию - аутентификации пользователя. Отношение типа расширения («extend») указывает, что WEB страница может генерироваться в различной форме. Отношение обобщения («generalization») показывает, что для выдачи конкретных страниц будет использоваться более общая процедура, под называнием

«генерация НТМЬ-страницы» с целью обеспечить единство внешнего вида и поведения всех страниц на Web-caйтe.

Основные функции системы формализованы в виде шаблонов-паттернов. В Таблице 2 приведено описание основного шаблона-прецедента «Выполнить коман-

ду обмена данными с ПНЗА».

Таблица 2

Прецедент «Выполнить команду обмена данными с ПНЗА»

Имя прецедента Выполнить команду обмена данными с ПНЗА

Сводка Пользователь ПК с помощью ПК ЦОИ или удаленного ПК, связанного с этим через Интернет, выполняет обмен данными с ПНЗА

Действующее лицо Пользователь ПК

Предусловие ПНЗА, устройство связи (модем) и ПК готовы к работе

Описание 1. Пользователь запускает интерактивную программу-браузер, которая связывается с сервером устройств связи и выбирает операцию передачи данных на конкретный ПНЗА. 2 Пользователь назначает необходимые параметры запроса 3. Система, в соответствии с выбранным устройством запускает операцию передачи данных, в случае занятости соединения задача ставится в очередь и после освобождения ресурса начинает обмен. 4 Пользователь информируется о начале и завершении операции.

Альтернативы 1 Если ПНЗА не доступны, то не давать пользователю выполнить передачу. 2. Если произошла ошибка ввода/вывода, то повторить попытку передачи 3 раза, после чего прекратить обмен и выдать сообщение об ошибке

11остусловие Команда обмена с ПНЗА выполнена

Пользователь подключается к Интернет через свой компьютер, вводит свое учетное имя и пароль, набирает адрес страницы доступа в Интернет-браузере, выбирает необходимые данные для формирования запроса и инициирует запрос. ■^ЛТШ-сервер отправляет запрос к Серверу базы данных, откуда поступает запрос на компьютер Автоматизированного поста. Происходит инициализация процесса сбора данных метеоприборов и последующая отправка их в базу данных на сервере. Далее \\Т1В-сервер автоматически генерирует страницу, содержащую данные, ко-

торая поступает в конечном итоге на компьютер пользователя.

Д иаграмма Последовательности показывает взаимодействие между объектами и Действующими Лицами во времени, но не показывает структурную связь между объектами и топологию всей системы. Для этого необходимо построить Диаграмму Сотрудничества (или Кооперации). Такая диаграмма позволит сделать вывод об оптимальности структуры всей системы в целом, и при необходимости, произвести декомпозицию. Если, например, какая-либо Кооперативная диаграмма напоминает звезду, где несколько объектов связаны с одним центральным объектом, архитектор системы может сделать вывод, что система слишком сильно зависит от центрального объекта, и перепроектировать ее для более равномерного распределения процессов. На диаграмме Последовательности такой тип взаимодействия было бы трудно увидеть.

На рис. 11. изображена диаграмма развертывания АСЭМ.

Диаграмма Кооперации для процесса подключения к удаленному узлу ПНЗА позволяет сделать вывод о целесообразности размещения >МЕВ-сервера и Сервера Базы данных на одном компьютере, с целью минимизации времени взаимодействия.

Как показали проведенные исследования [3], информационные потоки в системе, которые проходят через Интернет, носят асимметричный характер, что хорошо видно на графике, (см.рис.12.), т.к. в основном информация поступает от автоматизированных постов сбора в ЦОИ, а в противоположном направлении передаются лишь запросы и управляющие команды. Это позволило сделать вывод о возможности использования коммутируемого доступа по протоколу У.90 или У.92 через Интернет для реализации удаленного доступа к информации в АСЭМ. Пользователь, работающий за своим удаленным компьютером, подключенным к сети Интернет, фактически не может управлять информационным потоком, исходящим из его компьютера в сеть.

Для того чтобы предоставить ему эту возможность, в диссертации предлагается создать «виртуальную обратную связь». Пользователь будет передавать наряду с полезной информацией некоторую избыточную информацию, которая позволит «захватить» канал передачи и удерживать его на необходимое для обмена информацией время, при этом будет происходить определенное воздействие на процесс передачи, в целях повышения пропускной способности канала передачи и надежности передачи информации.

Суточный трафик (среднее за 5 минут) Макс Вх: 1442.9 кЬ/Б (14.4%) В среднем Вх 277.3 кЬ/э (2.8%) Макс Исх. 1347.9 кЬЛ; (13.5%) В среднем Исх 662 8 кЬ/Б (6 6%) Недельный трафик (среднее за 30 минут) Макс Вх- 1255.2 кЬЛ (12 6%) В среднем Вх: 264.3 кЬ/в (2 6%) Макс Исх. 1377.3 кЫз (13.8%) В среднем Исх. 582.6 кЬ/э (5.8%) Месячный трафик (среднее за 2 часа) Макс Вх 645.7 кЬ/э (6.5%) В среднем Вх: 209 9 кЬЛ (2.1%) Макс Исх- 1185 9 кЬ/Б (11 9%) В среднем Исх. 495.6 кЬ/э (5.0%)

1 - Ис\о 1ЯЩПЙ 1 рафик в би i/с С- Входящий трафик в бит/с

Рис. 12. Асимметричность информационного трафика в Интернет.

Эта «виртуальная обратная связь» будет создаваться самими маршрутизаторами на пути следования информационного потока, т.к. они, в соответствии с протоколом передачи данных, должны передавать подтверждения о приеме пакетов данных. Для принятия решения о повторной передаче по протоколу TCP используется таймер, работающий с каждым посланным сегментом. Если время таймера истекает до получения «контрольный флаг» для данного сегмента, отправитель должен выполнить повторную передачу. Если значение регулируемого времени таймера будет слишком мало, то заметно участятся ненужные повторные передачи, уменьшающие полезную полосу пропускания сети, что вызовет дополнительные повторные передачи и, в целом, дополнительную нагрузку на сеть и т. д. При очень большом значении реакция протокола на потерю сегмента станет слишком медленной, что, в свою очередь, негативно скажется на пропускной способности. Таймер должен быть установлен так, чтобы его значение незначительно превышало время обращения сегмента. Естественно, эта задержка зависит от множества факторов, влияние которых ощутимо даже при постоянной загрузке сети, поэтому возникает необходимость оптимального выбора величины времени таймера.

Общий метод предсказания очередного усредненного значения времени обращения на основе предыдущей серии измерений приведен в документе RFC 793:

SRTT(K + \) = а- SRTT(K) + (!-«)• RTT(K +1)

0)

где 811ТТ(К) — так называемое сглаженное оцененное время обращения. Используя константу а (0 < а < 1), не зависящую от числа последних наблюдений, можно сформулировать условия, при которых учитываются все последние значения наблюдений, но более ранние наблюдения имеют меньший вес. Эту константу а называют фактором С1 лаживания.

Для вычисления превышения над временем обращения сегмента можно использовать формулу:

RTO(K +1) = SRTT(K +1) + А

(2)

где ЯГО — контрольное время повторной передачи (его иногда называют тайм-

аутом повторной передачи), а Д — некоторая константа. Недостаток этого способа состоит в том, что значение Д не пропорционально значению SRTT. Для больших значений SRTT величина константы Д относительно невелика. В этом случае флуктуации фактического значения RTT будут приводить к ненужным повторным передачам. При малых значениях SRTT величина Д, напротив, начинает доминировать и может вызвать ненужные задержки при повторных передачах потерянных сегментов.

В этой связи документ RFC 793 определяет значение таймера, пропорциональное SRTT, со следующими ограничениями:

RTO{K+1) = min{UBOUND, шаx(LBOUND, /? + SRTT (К +1))) (3)

где UBOUND и LBOUND — фиксированные верхняя и нижняя границы значения таймера, а (3 — константа, называемая фактором изменения задержки. Документ RFC 793 не рекомендует применять фиксированные значения, в нем приводятся следующие диапазоны изменений параметров: а — между 0,8 и 0,9; р — между 1,3 и 2,0. Кроме того, вдоль пути следования потока, но в обратном направлении сформируется «виртуальная обратная связь», которая даст возможность поддерживать этот канал на время передачи данных. На основе эмпирических данных были получены значения коэффициентов а - 0,871; Р = 1,515.

Методика разработки паттерна сводится к следующему:

1. Выбор архитектуры на основе «тонкого» Web-клиента см.рис.7,8.

2. С помощью средств языка UML строятся структурные модели и модели поведения (т.е. соответствующие им диаграммы).

3. В соответствии с диаграммами размещения, компонентов и развертывания выбирается необходимые программные и технические средства. В качестве языка программирования используется PERL, в качестве сервера базы данных MySQL. Конфигурация компьютера является многоплатформенной, т.к. версии ПО платформонеза-висимы. Главное требование - доступ в Интернет и наличие Интернет-браузера на клиентской машине. В качестве WEB-сервера используется Apache.

4. Способ доступа в Интернет выбирается в зависимости oí конкрсшых условий размещения ЦОИ и ПНЗА. Т.к. объемы передаваемой информации и скорое ib передачи данных в такой системе невысока (передается, в основном, символьная информация), можно выбрать коммутируемый тип доступа.

5. Вся система создается на локальном компьютере, моделируются все типы взаимодействия клиент-сервер. Интернет в данном случае эмулируется с помощью установки на этот компьютер всего вышеуказанного ПО. Т.к. перечисленное ПО является свободнораспространяемым и бесплатным, то заграш на разрабо!ку шкои системы существенно уменьшаются.

6 После отладки работы всей системы, серверная часть размещается в Интернете на сервере провайдера или собственном.

В четвертой главе приведен практический пример преобразования АСК в АСЭМ с использованием удаленного доступа к информации, представлены ее структурная схема и алгоритмы функционирования, произведен обоснованный подбор аппаратного и программного обеспечения. Произведено преобразование «плоских файлов»

в базу данных MySQL и проведена ее нормализация. Описан авторский программный продукт на языке PERL, позволяющий обеспечивать эффективное функционирование системы мониторинга вне зависимости от программно-аппаратной платформы.

Основные характеристики АСЭМ, отличающие ее от АСК (см.Таблицу 1) сведены в Таблицу 3.

Таблица 3

Основные характеристики разработанной АСЭМ_

Наименование Характеристика

Компьютер поста наблюдения IBM PC Pentium ММХ 200 МГц

Модем внутренний 56 Кбит/с, протокол V.90 или V.92

Компьютер центра сбора информации IBM PC Pentium II 333 MHz

Модем внутренний 56 Кбит/с, протокол V.90 или V.92

Среда передачи данных Интернет

Максимальная скорость передачи информации между стационарным постом и центром сбора информации 56 Кбит/с

Реальная скорость передачи информации между стационарным постом и цетром сбора информации 50 Кбит/с/31 Кбит/с

Тип информационного потока Асимметричный

Операционная система компьютеров стационарных постов Любая с поддержкой протокола TCP/IP

Операционная система компьютера ЦОИ Любая с поддержкой протокола TCP/IP

Тип файлов хранения информации Нормализованные файлы базы данных MySQL, связанные отношениями таблицы базы данных

Резервирование канала связи Присутствует

Прикладное программное обеспечение Унифицированное, разработано на языке Perl

Степень привязки к операционной системе и оборудованию Низкая

Переносимость на другую платформу (ОС и аппаратное обеспечение) Высокая

Тип АСЭМ Сложная, иерархическая, содержащая подобные структурные части

Наглядность информационных моделей Высокая

Реализация функций ЕГСЭМ На областном (региональном) уровне

В заключении приведены основные результаты работы.

1. Проведен анализ и разработана методика преобразования АСК в иерархические системы экологического мониторинга, работающие в реальном масштабе времени, с удаленным доступом через Интерне!.

2. Произведен подробный обзор способов удаленного доступа к информационным ресурсам через Интернет и даны методические рекомендации дня выбора различных способов доступа в зависимости от решаемых задач, пропускной способности каналов передачи информации, характера передаваемой информации.

3. Подробно описан и проанализирован объект исследования - АСК «АТМОСФЕРА-ТО» Тульской области.

4. Дано научное обоснование построения АСЭМ, произведены исследования и

поставлены соответствующие эксперименты, подтверждающие правильность выбранных методов построения системы экологического мониторинг которые позволяют ей эффективно функционировать.

5. Разработаны информационные модели АСЭМ с удаленным доступом в виде диаграмм языка UML

6 Описан пример практической реализации разработанной АСЭМ и даны рекомендации по построению подобных систем

7 Созданы авторские программы, позволяющие обеспечить эффективный удаленный доступ через Интернет, с использованием современных пакетов программ, таких как Rational Rose, СУБД MySQL, Web-сервера Apache, языка программирования Perl последних версий. Приведен анализ и обоснован выбор данных пакетов программ, описанный авторский программный продукт, позволяет обеспечивать эффективное функционирование системы мониторинга вне зависимости от программно-аппаратной платформы.

8. Сделаны выводы о применимости разработанных подходов к решению аналогичных задач по созданию подобных систем мониторинга.

По теме диссертации опубликованы 34 научные публикации, основные из которых следующие:

1. Волков В.Ю., Вент Д.П. Применение удаленного доступа к информационным ресурсам при экологическом мониторинге. Вестник Международной Академии Системных Исследований. Информатика, Экология, Экономика. Том.5, часть I, РХТУ им. Д.И.Менделеева, М., 2001г., с. 149-180.

2. Волков В.Ю. Исследование времени отклика системы удаленного доступа к базе данных, расположенных на разных сайтах. Труды НИ РХТУ серия кибернетика, автоматика, математика, информатизация. Выпуск №2(8), Новомосковск 2002., с. 146-147.

3. Волков В Ю., Эдельштейн Ю.Д. Применение новых информационных технологий в автоматизированных системах сбора и обработки информации с удаленным доступом. Вестник МАСИ. Информатика, экология, экономика, том 6, часть 1, Москва 2002г., с.82-86.

4. Волков В.Ю., Эдельштейн Ю.Д. Проблемы использования WEB-технологий при создании автоматизированных систем сбора и обработки информации с удаленным доступом через Интернет. Вестник МАСИ. Информатика, экология, экономика, том 6, часть 1, Москва 2002г., с.87-90.

5. Волков В.Ю., Эдельштейн Ю.Д. О новом подходе к моделированию автоматизированных систем мониторинга. Вестник МАСИ. Том 7, часть II, Москва, 2004г., с. 22-28.

6. Волков В Ю., Эдельштейн Ю.Д., Пашинцева Ю.А. Применение UML для проектирования АСЭМ. Труды НИ РХТУ серия «Кибернетика, автоматика, математика, информатизация». Новомосковск 2004., с. 125-130.

7. Волков В.Ю., Эдельштейн Ю.Д. Применение объектно-ориентированного подхода при разработке автоматизированных систем экологического мониторинга. Тульский экологический бюллетень (ТЭБ). № 2. 2004г., с. 100-104.

Заказ №213 Объем 1,0 пл Тираж ЮОэкз

Издательский центр НИ РХТУ им Д И Менделеева

*213 9В

РНБ Русский фонд

2006-4 20141

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1.

ПРИМЕНЕНИЕ НОВЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В СИСТЕМАХ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА.

1.1. Основные концепции применения новых информационных технологий в системах сбора и обработки экологической информации.

1.2. Проблемы использования WEB - технологий при создании автоматизированных систем мониторинга экологической информации.

1.3. Классификация и анализ способов удаленного доступа к информационным ресурсам через Интернет

1.4. Мониторинг атмосферного воздуха.

1.5. Анализ современных технических средств мониторинга атмосферного воздуха и их функциональных возможностей.

ГЛАВА 2.

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ (АСК) АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА В Г.НОВОМОСКОВСКЕ.

2.1. Основные задачи АСК и ее состав.

2.2. АСК г.новомосковска как подсистема автоматизированной комплексной системы мониторинга атмосферного воздуха «АТМОСФЕРА-ТО» (АКСМ) в тульской области.

ГЛАВА 3.

НОВЫЙ ПОДХОД К МОДЕЛИРОВАНИЮ АСЭМ С ПОМОЩЬЮ УНИФИЦИРОВАННОГО ЯЗЫКА МОДЕЛИРОВАНИЯ (UML).

3.1. проблемы преобразования АСК в АСЭМ.

3.2. Методы объектно-ориентированного анализа и проектирования АСЭМ.

3.3. Наборы диаграмм UML.

3.4. Спецификации расширения UML для WEB-приложений.

3.5. Принцип представления информации о разрабатываемой АСЭМ с точки зрения визуального моделирования.

3.6. Модель WEB-системы АСЭМ.

3.7. Виртуальная структура модели системы мониторинга атмосферного воздуха.

3.8. Модель взаимодействия удаленного пользователя с АСЭМ через Интернет.

ГЛАВА 4.

РАЗРАБОТКА АСЭМ С УДАЛЕННЫМ ДОСТУПОМ ЧЕРЕЗ ИНТЕРНЕТ.

4.1. Анализ WEB-трафика в среде передачи информации.

4.2. Применение виртуальной обратной связи в автоматизированных системах экологического мониторинга.

4.3. Построение модели АСЭМ в виде UML-диаграмм.

4.4. Преобразование существующих баз данных АСК и их нормализация для использования в АСЭМ.

4.5. Интеграция WEB - технологий и СУБД для организации удаленного доступа.

4.6. Разработка интерфейса связи, описание средств построения системы удаленного доступа (WEBcepbepa, СУБД, языка программирования и т.п.).]

Атмосферный воздух является жизненно важным компонентом окружающей природной среды, неотъемлемой частью среды обитания человека, растений и животных. Качество атмосферного воздуха - важнейший фактор, влияющий на здоровье, на санитарную и эпидемиологическую ситуацию. Примерно две трети населения Российской Федерации проживает па территориях, где уровень загрязнения атмосферного воздуха не соответствует гигиеническим нормам.

По мере промышленного роста возобновляются и приобретают новое значение вопросы охраны окружающей среды, а также рационального природопользования. Для эффективного решения этих задач необходимо создавать современные системы экологического мониторинга. Существующие системы экологического мониторинга зачастую малоэффективны и не обладают необходимой надежностью. Многие из них морально и физически устарели. Как показало практическое использование таких систем, основными их недостатками являются малоэффективная среда передачи информации, слабая возможность расширения, автономность, привязка к определенному виду программного и аппаратного обеспечения и т.п.

Современный уровень состояния общества и экономики характеризуется динамичным развитием и внедрением новых информационных технологий во все сферы деятельности человека. Информатизация как процесс внедрения новых информационных технологий, средств сбора, передачи, хранения и обработки информации является необходимым условием и одним из основных направлений реформирования системы государственной власти и управления Российской Федерации, в том числе и системы управления природными ресурсами.

5 июня 2003 г. проведен совместный семинар Министерства Природных Ресурсов России и РАСУ «Создание и внедрение радиоэлектронных средств для обеспечения мониторинга природопользования и охраны окружающей среды». Итогами семинара являются ознакомление представителей всех уровней управления МПР России с отечественными радиоэлектронными средствами, использование которых возможно для целей мониторинга природопользования и охраны окружающей среды, развитие межведомственного взаимодействия и горизонтальных связей между МПР России и РАСУ на всех уровнях управления: федеральном и территориальном, а также на уровне организаций и предприятий.

Формирование единого информационного пространства, обеспечение органов государственной власти достоверной и оперативной информацией требуют перехода на новый уровень организации работы в этом направлении. В этой связи Министерство осуществляет реорганизацию действующей системы информационно-аналитического обеспечения природопользования и охраны окружающей среды.

МПР России разработаны основные положения Концепции создания Единой информационно-аналитической системы природопользования и охраны окружающей среды (ЕИСП), которая представляет собой многофункциональную, интегрированную, многоуровневую, террито-риально-распределенную систему. Основные положения концепции были обсуждены на расширенном совещании «Информационное обеспечение природопользования и охраны окружающей среды» (Москва, декабрь 2002 г.) с участием представителей федеральных органов государственной власти, органов исполнительной власти субъектов Российской Федерации, территориальных органов Министерства, ведущих научно-производственных организаций в области информационного обеспечения природопользования и охраны окружающей среды изложены в [1]. В решениях коллегии МПР России от 28.03.2003 г. развитие ЕИСП отмечено в качестве одного из приоритетных направлений деятельности Министерства.

Создание Единой информационно-аналитической системы предполагается осуществить в два этапа: на первом этапе (2003г.) - разработка концептуальных документов, нормативных правовых актов, в том числе решения Правительства Российской Федерации, инструкции, методики и регламенты. На втором этапе (2004-2010 гг.) обеспечение устойчивого функционирования и дальнейшего развития Единой информационно-аналитической системы природопользования и охраны окружающей среды.

Среди приоритетных направления исследований по научно-техническому обеспечению информационной деятельности МПР России в 2003-2010 г.г. следует выделить: создание и развитие Единой информационно-аналитической системы природопользования и охраны окружающей среды на всех уровнях управления: формирование Российского и территориальных фондов информации по природопользованию и охране окружающей среды, информационных фондов государственных служб на базе современных технологий (Интранет, \¥ЕВ-технологий, телекоммуникаций, видео/аудиоконференций и др.); развитие и функционирование Ситуационного центра МПР России; развитие комплексной системы дистанционного зондирования Земли из космоса, включая аппаратно-техническое, информационно-ресурсное, программное, технологическое, телекоммуникационное, методическое и регламентное обеспечение, средства и методы дешифрирования космических снимков; создание типовой модели информационно-аналитической системы природопользования и охраны окружающей среды для уровня субъекта Российской Федерации и федерального округа, федерального уровня и трансграничного уровня (СНГ, граничные с Россией государства); формирование системы баз и банков знаний в области природопользования и охраны окружающей среды, развитие автоматизированной системы научно-технической информации, дистанционного обучения, подготовки и переподготовки кадров на основе современных информационных технологий; совершенствование на основе современных информационных технологий организацию сбора, хранения, обработки и представления статистических данных по природопользованию и охране окружающей среды.

Основные задачи в области информационно-аналитического обеспечения природопользования и охраны окружающей среды в 2003-2004 годах: развитие Российского фонда информации по природным ресурсам и охране окружающей среды МПР России, фондов информации государственных служб, Центрального бюро информации МПР России, Информационно-вычислительного центра МПР России, Ситуационного центра МПР России, фондов информации по природным ресурсам и охране окружающей среды на федеральном, окружном и территориальном уровнях; подготовка нормативно-правовой, методической и технологической базы создания ЕИСП, внедрение современных информационных технологий; решение вопросов финансового обеспечения проекта создания Единой информационно-аналитической системы природопользования и охраны окружающей среды.

В результате осуществления комплекса работ в области информационного обеспечения системы природопользования и охраны окружающей среды будет обеспечено: создание «электронных хранилищ» природоресурсной и природоохранной информации на федеральном, окружном и территориальном; обеспечение ведения кадастров природных ресурсов, регистров и реестров, учета и оценки природных ресурсов, инвентаризации гидротехнических сооружений, буровых скважин и т.п.; формирование «рынка» природно-ресурсной и природоохранной информации; оптимизация затрат, повышение эффективности и степени достоверности информации.

Значение новых информационных технологий в системах сбора и обработки информации, контроля и управления растет с каждым днем. В последнее время наблюдается тенденция трансформации классических систем контроля и управления в информационные иерархические системы. Особенно это заметно в системах мониторинга. Вопрос о применимости Интернет/Интранет технологий в таких системах обусловлен по следующим, вполне очевидным причинам:

1. Такие технологии самые дешевые среди других способов доступа, в том числе - удаленного, к информации.

2. Такие технологии самые простые среди других способов доступа к информации.

3. Такие технологии самые распространенные в мире среди других способов доступа к информации [2].

Учитывая все вышеизложенное, можно сделать вывод об экономической целесообразности применения Интернет/Интранет технологий в современных системах сбора и обработки информации, в том числе, экологического мониторинга. Кроме того, применение новых технологий позволяет функционально обогатить уже имеющиеся подобные системы.

Целью диссертационной работы является создание современных эффективных методов разработки новых АСЭМ и преобразования уже существующих АСК в АСЭМ.

Для осуществления поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:

1. Проведен системный анализ характеристик существующих АСК.

2. Определены и исследованы информационные потоки, возникающие в АСЭМ.

3. Разработан метод синтеза системы удаленного доступа к АСЭМ через Интернет.

4. Разработана методика построения информационной модели АСЭМ на основе диаграмм унифицированного языка моделирования иМЬ.

5. Разработаны информационные модели, диаграммы, алгоритмы и авторский пакет программ, реализующие предложенный метод.

6. Выявлены и решены проблемы, возникающие при интеграции АСЭМ в областную систему мониторинга.

7. Проведена оптимизация структуры аппаратных средств системы передачи и обработки информации в АСЭМ на базе новых информационных технологий.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем: 1 .Разработана специальная методика создания структуры АСЭМ, которая может быть рекомендована в качестве типовой структуры АСЭМ атмосферного воздуха в любом регионе РФ с удаленным доступом через Интернет к ее информационным ресурсам (на примере АСЭМ «АТМОСФЕРА-ТО» г. Новомосковска Тульской области, позволяющая достаточно гибко и легко расширять систему). 2.0боснована необходимость применения удаленного доступа через Интернет к информационным ресурсам АСЭМ и осуществлена разработка системы удаленного доступа соответствующих «Лиц Принимающих Решения», для получения актуальной информации о состоянии окружающей среды для экстренного оповещения, если необходимо, и т.п.

3.Исследованы информационные потоки и пропускная способность телекоммуникационной подсистемы АСК в различных режимах функционирования.

4.Использованы новые информационные технологии для решения поставленных задач на уже существующих программно-аппаратных средствах, которые очень быстро морально устаревают.

5.Разработана методика создания паттернов на основе языка иМЬ для модели АСЭМ.

6.Разработан авторский пакет программ, позволяющий создавать систему удаленного доступа через Интернет вне зависимости от «программной платформы» (операционных систем) компьютерного оборудования.

Выражаю искреннюю благодарность своим учителям и наставникам: к.т.н., проф. Эделыитейну Юрию Давидовичу и д.т.н., проф. Венту Дмитрию Павловичу за внимательное руководство, чуткое отношение и поддержку в работе.

Выводы по 4 главе

В четвертой главе приведен практический пример преобразования АСК в АСЭМ с использованием удаленного доступа к информации, представлены ее структурная схема и алгоритмы функционирования, произведен обоснованный подбор аппаратного и программного обеспечения. Произведено преобразование «плоских файлов» в базу данных MySQL и проведена ее нормализация. Описан авторский программный продукт на языке PERL, позволяющий обеспечивать эффективное функционирование системы мониторинга вне зависимости от программно-аппаратной платформы. Основные характеристики АСЭМ, отличающие ее от АСК см.Таблицу 17) сведены в Таблицу 22.

Заключение

В результате проделанной работы сделано следущее:

1. Проведен анализ и разработана методика преобразования АСК в иерархические системы экологического мониторинга, работающие в реальном масштабе времени, с удаленным доступом через Интернет.

2. Произведен подробный обзор способов удаленного доступа к информационным ресурсам через Интернет и даны методические рекомендации для выбора различных способов доступа в зависимости от решаемых задач, пропускной способности каналов передачи информации, характера передаваемой информации.

3. Подробно описан и проанализирован объект исследования - АСК «АТМОСФЕРА-ТО» Тульской области.

4. Дано научное обоснование построения АСЭМ, произведены исследования и поставлены соответствующие эксперименты, подтверждающие правильность выбранных методов построения системы экологического мониторинга, которые позволяют ей эффективно функционировать.

5. Разработаны информационные модели АСЭМ с удаленным доступом в виде диаграмм языка UML.

6. Описан пример практической реализации разработанной АСЭМ и даны рекомендации по построению подобных систем.

7. Созданы авторские программы, позволяющие обеспечить эффективный удаленный доступ через Интернет, с использованием современных пакетов программ, СУБД MySQL, Web-сервера Apache, языка программирования Perl последних версий. Приведен анализ и обоснован выбор данных пакетов программ, описанный авторский программный продукт, позволяет обеспечивать эффективное функционирование системы мониторинга вне зависимости от программно-аппаратной платформы.

8. Сделаны выводы о применимости разработанных подходов к решению аналогичных задач по созданию подобных систем мониторинга.

1. Приказ МПР РФ от 2 апреля 2003 г. N 269 «Об Основных положениях Концепции создания единой информационно-аналитической системы природопользования и охраны окружающей среды»

2. J1.B. Анзимиров, P.A. Бузинов. Интернет-технологии в АСУТП: основные преимущества и риски. Промышленные АСУ и контроллеры, 2001, №1, с.3-7

3. Эдельштейн Ю.Д., Волков В.Ю. Обзор некоторых способов удаленного доступа к информационным ресурсам через Интернет для последующего применения в АИСУ «Атмосфера». Вестник МАСИ, т.5, ч.1., РХТУ им.Д.И.Менделеева, М., 2001. С.181-195.

4. Волков В.Ю., Вент Д.П. Применение удаленного доступа к информационным ресурсам при экологическом мониторинге. Вестник Академии МАСИ. Информатика. Экология. Экономика. Т. 5, часть 1. 2001. С. 149-180.

5. Волков В.Ю. Классификация систем удаленного доступа к информационным ресурсам. Автоматизация, информатизация, моделирование процессов и систем. Материалы 23-й научной конференции. НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева. 2002., с.71.

6. Волков В.Ю. Сравнительный анализ различных типов удаленного доступа к INTERNET. Автоматизация, информатизация, моделирование процессов и систем. Материалы 23-й научной конференции. НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева. 2002., с.75.

7. Федеральный закон от 4 мая 1999 г. N 96-ФЗ «Об охране атмосферного воздуха»

8. Ю. А. Израэль. Экология и контроль природной среды. // Москва, Гидрометеоиздат, 1984 — 560с.

9. Комплексный глобальный мониторинг загрязнения окружающей природной среды. Труды II Международного симпозиума. Л.: Гидрометеоиздат, 1982-392.

10. О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 1994 году. // Доклад. Министерство охраны окружающей среды и природных ресурсов Российской Федера-ции.//Экспресс-игформация ВИНИТИ. Ресурсосберегающие технологии. 1996, N4, с.2-7.

11. Полищук Д.М.Концептуальное моделирование в задачах мониторинга окружающей среды // Системы экоинформатики. Проблемы, решения, перспекгивы.-Томск:ТНЦ СО АН СССР,1989.-с.4-17.

12. Кузьмин И.И., Махутов H.A., Хетагуров C.B. Безопасность и риск: эколого-экономические аспекты, Изд-во С-Пб Гос. ун-та экономики и финансов, 1997.-164 с.

13. Pershin S., Bukcharin A., Makarov V., Butusov О.// In: Air pollution and visibility measurements. P.Fabian, V. Klein, M. Tacke. Proc. SPIE V.2606.1995. P.330.

14. Общественный экологический Internet-npoeKT EcoLife http://www.ecolife.org.ua

15. Стихарев B.B. Экологические проблемы Тульской области //Тульский экологический бюллетень Тула, 2000. -вып. И.

16. Герасимов И.Л.Научные основы современного мониторинга окружающей среды. -Изв. АН СССР. Сер. Геогр., 1975,N3,c.l3-25.

17. Примак A.B., Кафаров В.В., Качиашвили К.И. Системный анализ контроля и управления качеством воздуха и воды. Киев: Наукова думка, 1991.-390с.

18. Сташенко А.Г., Захаров В.Ю., Зубцовский Н.Е. Контроль окружающей среды: концепция и принципы построения монитогринговых систем реального времени// Экология и промышленность России, N3, 1997, с.45- 47.

19. Горелик Д. О., Конопелько Л. А. Мониторинг загрязнения атмосферы и источников выбросов. // Аэроаналитические измерения. М.: Изд. - во. Стандартов, 1992.

20. Проблемы экологии Москвы. Сеть наземных измерений. Под ред Е.И. Пупырева. М.: Московское отделение Гидрометеоиздата, 1992.-198 с.

21. Стеклогоров Е.Б. Автоматизация оценки качества воздушной среды предприятий и городов, дис. к.т.н. / 1985.

22. Подход к решению метрологических проблем в области охраны и использования природных ресурсов. /Ткаченко И.И. // Законодат. и приклад, метрол. 1994, N2, С.42-44.РЖ-32 "Метрология и измерительная техника". N11, 1996.

23. Балин Ю.С., Белан Б.Д., Надеев А.Н., Панченко М.В. Система оперативного контроля загрязнения воздушного бассейна промышленных центров «город».//Оптика атмосферы и океана, 1994,N2,с.163-176

24. Микропроцессорные средства экологического контроля воздушной среды./Цветков В.А., Рукина А.К., Фомин А.А.//Приборы и системы управления. 1995-N8,c.35-37

25. Средства компьютерной графики в задаче анализа и контроля экологического состояния атмосферы регионов./Акименко В.В., Казанков Д.В., Симоненко А.Б.//Программные продукты и системыЛ995,КЗ,с.10-12

26. Гавриш А. В., Оксенгайт Е. А. Приборы и системы контроля токсичных газов на основе твёрдотельных сенсоров. // Науч. техн. достиж. / Всерос. НИИ межотрасл. инф. 1995, № 3 -с. 22-23. РЖ- 85 «Технические аспекты охраны окружающей среды». № 12, 1996.

27. Радиофизический мониторинг загрязнений природной среды. /Бело М.Л., Городничев В.А., Козинцев В.И. и др.// М. Из-во «Аргус»-1994-107с

28. Developing a monitoring project. /McDonald Lee H.//J. Soil & Water Conserv. 1994 N3 c.221-227. РЖ72 "Охрана природы и воспроизводство природных ресурсов", N2,1996

29. Технология интегрированного информационно-программного и инструментального обеспечения региональной экологической службы./ В.Л.Бирюков, В.В. Довгуша, М.Н.Тихонов. // «Экология промышленного производства», №3, 1996

30. Современные автоматизированные системы контроля и управления качеством атмосферного воздуха, Обзорная информации, ВНИИОГЭС, сер. Защита от коррозии и охрана окружающей среды, М., 1991

31. Региональные экологические информационно-моделирующие системы. Новосибирск. Наука, 1993.-133с

32. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем.-М.:Наука,1978.-400с.

33. Влэдуц Г.Э., Гейвандов Э.А.Автоматизированные информационное системы для хи-мии.-М. :Наука, 1974.-312с.

34. Галанский Б.Л.,Поляков В.И.Информационные системы.-Томск:Изд-во ТГУ, 1989.-155с.

35. Беляев В.И., Худошина М.Ю.Основы логико-информационного моделирования сложных геосистем.- Киев:Наук. думка, 1989- 160с.

36. Информационные системы для руководителей / Ф.И. Перегудов, В.П. Тарасенко В.А. Силич и др. М.: Финансы и статистика,1989.-176с.

37. Искусственный интеллект:В 3 кн.-Кн.1: Системы общения и экспертные системы: Справочник/Под ред. Э.В.Попова. -М.: Радио и связь, 1990.-464с.

38. Искусственный интеллект: В 3 кн.-Кн.2:Методы и модели: Справочник /Под ред. Д.А. Поспелова. -М.: Радио и связь, 1990.-304с.

39. Построение экспертных систем / Под ред. Ф.Хейеса-Рота, Д.Уотермана, Д.Ленота.-М. :Мир, 1987.-441 с

40. Представление и использование знаний. /Под ред.Х.Уэно, М.Исидзука.-М.:Мир, 1989.-220с.

41. Дмитриев В.Г., Костин Ю.М., Суворова O.K. Методология построения интерфейса информационно-аналитической системы «Экологическая и радиационная безопасность» // Экология и промышленность России, 1997, N6, с.42-45, N7,c.40-42

42. Иванов Б.С. Информационное обеспечение как резерв улучшения охраны окружающей природной среды.//Экология и промышленность Pocchh,N4,1998, с.36-39

43. Ragland K.W. et.al. Boundary-layer Model for Transport of Urban Air Pollutants. AIChE Symp. Ser., 73 N165(1977).

44. Каталог. Программные средства в области экологии для компьютеров IBM PC. Май-август. 1997. Научно-производственное предприятие «ЛОГУС».

45. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий, ОНД-86, Гидрометеоиздат,1987. 93с.

46. Методика расчета нормативов допустимых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу для групп источников загрязнения. МРН-87 (редакция 1995 г.).1995.-25с.

47. ГОСТ 17.2.3.02-78.правила установления допустимых выбросов вредных веществ промышленными предприятиями.55. РД 50-210-8056. РД 52.04.52-85

48. СН-245-71. Санитарные нормы проектирования промышленных предпри-ятий.//М.Госстрой, 1972.97с.

49. Рекомендациями по оформлению и содержанию проекта нормативов ПДВ в атмосферу для предприятий, 1987 г.

50. РД 52.04.253-90. Руководящий документ. Методика прогнозирования масштабов заражения сильнодействующими ядовитыми веществами при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и транспорте. JI. Гидрометеоиздат,1990.-24с.

51. Положение об оценке воздействия на окружающую среду в Российской федерации, Министерство охраны природы и воспроизводства природных ресурсов РФ, приказ №222 от 18.07.94//www.cci.glasnet.ruб 1. Серия программ ЭКО-расчет.

52. Методические указания по расчету выбросов загрязняющих веществ при сжигании топлива в котлах производительностью до 30 т/час. М., Гидрометиздат, 1985 г.

53. РД 34.02.305-90. Методика определения валовых и удельных выбросов вредных веществ в атмосферу от котлов тепловых электростанций.

54. Ермоленко Б. Б., Страшненко О. А., Катышев В. Н. Некоторые подходы к оценке экологических нагрузок и ущербов от загрязнения атмосферы промышленными предприятиями. // Хим. пром. 1997, № 3 (209).

55. Ежегодник состояния загрязнения атмосферы в городах на территории России 1993г./Под ред.З.Ю.Безуглой. С-Пб.1994.

56. Москва: охрана среды на кризисной черте./Ишков А.//Экос-информ.1995Л^5 , с.3-7.

57. Иванова Е. И., Сонькин JI. Р. Прогнозирование загрязнения воздуха в Ленинграде. -Метеорология и гидрология, 1975, №12, с. 21 23.

58. Miller M., Holzworth G. An atmospheric diffussion model for metropolitan areas. J.Air Poll. Contr.Ass.,№ 1, 1967.

59. Jones Robert A. Calculation air pollution emissions. // Chem. Eng. Progh. 1994. - 90, №10- p. 8. Расчёт выбросов, загрязняющих атмосферу. РЖ- 85 «Технические аспекты охраны окружающей среды». № 2, 1996.

60. Maag Joachim. Die Last mit dem Smog. // Ind. Anz. - 1995. - 117. № 7. - C. 43 - 45. Устройство для контроля выбросов. РЖ- 85 «Технические аспекты охраны окружающей среды». № 4,1996.

61. Белов П.Н., Комаров B.C. Максимальные уровни загрязнений в городах при синоптической ситуации застоя воздуха/Юптика атмосферы и океана, 11,N8,1998,с.830-832.

62. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. // Ленинград, Гидро-метеоиздат, 1985.

63. Смирнов В.Н.Принципы автоматизированного управления природо-промышленными комплексами «химическое производство окружающая среда», М., РХТУ,1998 г., дис.д.т.н.-377с.

64. Колыбанов К.Ю. Разработка интегрированной управляющей системы экологического мониторинга предприятия химического профиля.//Автореферат дисс.к.т.н., МГА ТХТ им.М.ВЛомоносова, 1997

65. Т. Конноли , К. Бегг. Базы данных: проектирование, реализация и сопровождение. Теория и практика. 3-е издание.: Пер. с англ. -- М.: Вильяме, 2003.

66. Г. Буч. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++. 2-е изд.: Пер. с англ. — М.: Издательство Бином, СПб.: Невский диалект, 1999

67. Coad R. Yourdon Е, Object Oriented Analysis, 1991, 532c.

68. X. Гома. UML. Проектирование систем реального времени, распределенных и параллельных приложений.: Пер. с англ. М.: ДМК, 2002, 136с.,

69. Т. Кватрани. Визуальное моделирование с помощью Rational Rose 2002 и UML.: Пер. с англ. -- М.: Вильяме, 2003, 636с.

70. К. Ларман. Применение UML и шаблонов проектирования. 2-е издание.: Пер. с англ. ~ М.: Вильяме, 2002, 502с.

71. Д. Розенберг, К. Скотт. Применение объектно-ориентированного моделирования с использованием UML и анализ прецедентов.: Пер. с англ. М.: ДМК, 2002,242с.

72. Г Буч, Дж. Рамбо, А. Джекобсон. Язык UML. Руководство пользователя.: Пер. с англ. -М.: ДМК, 2000, 632с.

73. Дж. Рамбо, Г. Буч, А. Якобсон. UML. Специальный справочник: Пер. с англ. СПб: Питер, 2002, 136с.

74. М. Фаулер, К. Скотт. UML в кратком изложении. Применение стандартного языка объектного моделирования.: Пер. с англ. М.: Мир, 1999, 152с.

75. А. Коберн. Современные методы описания функциональных требований к системам.: Пер. с англ. М.: ЛОРИ, 2002, 332с., ил.

76. Hans-Erik Eriksson, Magnus Penker. Business Modeling with UML: Business Patterns at work. Wiley Computer Publishing, 2000, 532p.

77. Волков В.Ю., Моисеев С.А. Асимметрия информационного потока в системах экологического мониторинга. IV Научно-техническая конференция молодых ученых и аспирантов, Новомосковск, 2002 г., с. 17.

78. Роман Дунайцев, Евгений Кучерявый. Ускоряем Интернет, «СЕТИ и Телекоммуникации», №2, 2005г.

79. Волков В.Ю., Васильев C.B., Жиглов Д.А. Организация виртуальной обратной связи в Интернет, Образование, Наука, Производство. Сб. тез. докл. II Международного студенческого форума. Белгород: изд-во БГТУ им.В.Г. Шухова, 2004г. - Ч.6-193с.

80. Волков В.Ю., Эдельштейн Ю.Д. Формирование виртуальной обратной связи в сетях Интернет/Интранет. Материалы 24-ой конф. преподавателей и сотрудников НИ РХТУ им. Д.И.Менделеева, г.Новомосковск, 2004г., с.80-81

81. Волков В.Ю., Эдельштейн Ю.Д. О применении виртуальной обратной связи в автоматизированных системах экологического мониторинга, Вестник МАСИ. Том 7, часть II, Москва, 2004г., с. 29-33

82. Postel, J, (ed.) «Internet Protocol DARPA Internet Program, Protocol Specification», RFC 793, USC/Inforniation Sciences, Institute, September 1981.

83. Актуальные проблемы современной экологии. Монитогинг атмосферного воздуха: аналитические материалы/Б.М.Брозоховский, В.В.Мартынов, С.Я.Приказчиков, И.А.Яцлыка-Саратов:Сарат.Гос.Ун-т,1997-44с.

84. Волков В.Ю., Моисеев С.А. Система удаленного доступа к базе данных MySQL через INTERNET, Автоматизация, информатизация, моделирование процессов и систем. Материалы 23-й научной конференции. НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева. 2002., с.76.

85. Волков В.Ю., Конодюк О.Ю. Выбор сервера базы данных для системы удаленного доступа к информации, Труды НИ РХТУ серия кибернетика, автоматика, математика, информатизация. Выпуск №2(8), Новомосковск 2002., с.139-143.

86. Волков В.Ю. Проблемы надежности и безопасности в системах удаленного доступа. Труды НИ РХТУ серия кибернетика, автоматика, математика, информатизация. Выпуск №2(8), Новомосковск 2002., с.144-146.

87. ЮО.Волков В.Ю. Исследование времени отклика системы удаленного доступа к базе данных, расположенных на разных сайтах. Труды НИ РХТУ серия кибернетика, автоматика, математика, информатизация. Выпуск №2(8), Новомосковск 2002., с. 146-147.

88. Волков В.Ю., Хазиева И.И. Создание WEB-интерфейса для автоматизированной системы удаленного управления. V Научно-техническая конференция молодых ученых, аспирантов и студентов. Новомосковск, 2003г., с.29-30.

89. Волков В.Ю., Конодюк О.Ю. Применение WEB контроллеров фирмы «Гранч» в системе удаленного управления теплотехническим оборудованием. V Научно-техническая конференция молодых ученых, аспирантов и студентов. Новомосковск, 2003г., с.30.

90. Волков В.Ю., Васильев C.B., Эдельштейн Ю.Д. Экологический мониторинг как информационная система. Тезисы докладов VI научн.-технич. конференция молодых ученых, аспирантов и студентов. Новомосковск, 2004г., с.21-22.

91. Волков В.Ю., Эдельштейн Ю.Д. О новом подходе к моделированию автоматизированных систем мониторинга. Вестник МАСИ. Том 7, часть II, Москва, 2004г., с. 22-28.

92. Волков В.Ю., Эдельштейн Ю.Д. Применение объектно-ориентированного подхода при разработке автоматизированных систем экологического мониторинга. Тульский экологический бюллетень (ТЭБ). № 2. 2004г., с. 100-104.

93. Волков В.Ю., Шабанова Н.Ю., Пашинцева Ю.А. Моделирование данных в BORLAND TOGETHER DESIGNER и RATIONAL ROSE. Труды НИ РХТУ серия кибернетика, автоматика, математика, информатизация. Новомосковск 2004., с. 17-19.

94. Эдельштейн Ю.Д., Волков В.Ю. Построение UML-диаграмм для АСЭМ «Атмосфера-ТО» Тульской области. Вестник МАСИ. Информатика, Экология, Экономика. Том 7 Часть III, г.Москва, 2004, с. 132-138.

95. Волков В.Ю., Эдельштейн Ю.Д., Шабанова Н.Ю. Применение ООП при разработке АСЭМ. Труды НИ РХТУ серия кибернетика, автоматика, математика, информатизация. Новомосковск 2004, с. 121-124.

96. Волков В.Ю., Эдельштейн Ю.Д., Пашинцева Ю.А. Применение UML для проектирования АСЭМ. Труды НИ РХТУ серия кибернетика, автоматика, математика, информатизация. Новомосковск 2004., с. 125-130.