Автоматизированная информационная система комплексного мониторинга водных объектов Чувашской Республики

УДК 681.3.07

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КОМПЛЕКСНОГО МОНИТОРИНГА ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ЧУВАШСКОЙ РЕСПУБЛИКИ

AUTOMATED INFORMATION SYSTEM OF THE COMPLEX MONITORING OF WATER OBJECTS OF THE CHUVASH REPUBLIC

Ю. Н. Егорова, А. Ю. Антонов, О. А. Егорова Y. N. Egorova, A. Y. Antonov, O. A. Egorova

Волжский филиал ГОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет», г. Чебоксары ГОУ ВПО Московской области «Международный университет природы, общества и человека «Дубна», г. Москва ФГОУ ВПО «Чувашский государственный университет имени И. Н. Ульянова», г. Чебоксары

Аннотация. В рамках научно-исследовательской работы (НИР) «Создание системы комплексного мониторинга водных объектов ЧР, включая Чебоксарское водохранилище» ведется разработка автоматизированной системы мониторинга. В результате была реализована центральная информационная система комплексного мониторинга водных объектов ЧР, состоящая из двух частей: хранилища данных и источника данных от организаций, участвующих в мониторинге.

Abstract. The elaboration of the automatic system of monitoring is made in the research work «Creation of the system of complex monitoring of water objects of the Chuvash Republic including Cheboksary reservoir». The central information system of complex monitoring of water objects of the Chuvash Republic has been made as a result of the research work, consisting of two parts: information base and data source about the organizations taking part in the monitoring.

Ключевые слова: автоматизированная информационная система комплексного мониторинга водных объектов Чувашской Республики, центральная информационная система, периферийная информационная система, геоинформационная система.

Keywords: automated information system of the complex monitoring of water objects of Chuvash Republic, central information system, peripheral information system, geoinformation system.

Актуальность исследуемой проблемы. Автоматизированные системы управления (АСУ) нашли широкое применение во всех отраслях экономики. Созданы и функционируют несколько тысяч АСУ различного класса и назначения.

Создание АСУ связано с анализом объекта управления, выбором критериев управления, определением структуры и функций системы. Параметры функций управления определяются особенностями объекта. Отдельные функции подлежат автоматизации на базе комплекса технических средств (КТС) [1, 49].

Принципы построения системы обработки информации и вопросы их автоматизации оказались общими для большого круга систем в различных областях человеческой деятельности. Такая возможность появилась в результате развития средств вычислительной техники, повышения ее производительности, упрощения общения человека с этими системами, широкого использования автоматизации, сокращения затрат на эти действия. Степень участия человека в управлении организацией определяется характером и условиями ее работы и уровнем автоматизации системы [2, 37], [3, i i9].

Архитектура разработанной ранее автоматизированной системы мониторинга имела существенные недостатки:

- не предусмотрен автоматический обмен данными между системами;

- не обеспечивается сохранение конфиденциальности, целостности и достоверности передаваемых данных;

- центральная информационная система (ЦИС) и периферийная информационная система (ПИС) не предусматривают системы защиты данных;

- не производится контроль входных данных;

- ПИС построена на основе локальной базы данных (БД) формата Access, которая не предусматривает возможность развертывания этой БД на сервере;

- отсутствие справочной службы для пользователя;

- морально устаревшие технологии разработки.

В этой связи целью нашей работы явилось спроектировать и разработать автоматизированную информационную систему комплексного мониторинга водных объектов ЧР (АИС КМВО ЧР), формирующую единую информационную БД с распределенной системой сбора и хранения данных.

Материал и методика исследований. Для решения этой проблемы на кафедре автоматизированных систем управления Волжского филиала Московского автомобильнодорожного государственного технического университета (г. Чебоксары) разработана автоматизированная информационная система комплексного мониторинга водных объектов Чувашской Республики. Данная система позволяет систематизировать информацию о качестве природных вод.

Разработанная система осуществляет следующие функции:

1) сбор данных по организациям с помощью загрузки в ЦИС XML-файлов, подготовленных организациями в их ПИС;

2) хранение данных;

3) анализ соответствия результатов замеров установленным нормам;

4) подготовку отчетов.

Разрабатываемая АИС КМВО ЧР построена на основе группы масштабируемых технологий компании Microsoft, а именно MS SQL Server, Windows и NET. Для увеличения производительности сервера необходимо наращивать мощность аппаратного обеспечения для работы SQL Server, сервер БД под управлением ОС Windows Server и СУБД MS SQL Server 2GGS.

Результаты исследований и их обсуждение. К разрабатываемой АИС КМВО ЧР были выдвинуты следующие требования:

• распределенная система сбора и хранения данных должна предусматривать возможность автоматической пересылки данных ПИС по защищенным каналам на сервер ЦИС;

• локальная независимость, т. е. все узлы распределенной системы должны быть независимы друг от друга и легко переводиться в автономный режим работы. Под узлом следует понимать любую БД, накапливающую информацию о качестве водных ресурсов. Кроме того, все операции в рамках узла должны быть подконтрольны этому узлу и не зависеть от состояния или иным образом от других узлов распределенной системы. При этом локальные данные должны храниться и обслуживаться на своем узле в локальной базе данных, подчиняться действующим на этом узле правилам и ограничениям, быть доступными в рамках политики безопасности, действующей на локальном узле, в базе данных, иметь локальное управление, аудит и администрирование. При обращении к данным из других узлов распределенной системы, данные должны сохранять свою локальную принадлежность;

• логический контроль вводимых данных;

• конфиденциальность данных;

• эргономичность;

• открытость архитектуры автоматизированной информационной системы (АИС);

• масштабируемость системы.

На рис. 1 представлена обобщенная архитектура разрабатываемой АИС КМВО ЧР.

Рис. 1. Обобщенная архитектура АИС КМВО ЧР

ЦИС и ПИС построены по принципам клиент-серверной архитектуры, а в целом АИС является распределенной системой обработки данных, поэтому применяются технологии создания многоуровневых приложений. Типичное многоуровневое приложение включает уровень представления, средний уровень и уровень данных. Например, уровень представления может быть приложением Windows, сайтом либо любой другой средой,

предоставляющей возможности ввода и отображения данных, тогда как логика доступа к данным может быть представлена на среднем уровне. Это позволяет организовывать доступ клиентов к БД удаленно, указав имя и адрес сервера, на котором зарегистрированы сервисы среднего уровня. Средний уровень может предоставлять общие службы приложений, такие как службы аутентификации, авторизации и персонализации, может осуществлять проверку данных и бизнес-правил и т. д. Разделение АИС на разные уровни увеличивает эксплуатационную надежность и масштабируемость системы. Это осуществляется за счет возможности применения новых технологий к какому-либо одному уровню без необходимости изменять все решение в целом.

На рис. 2 представлена многоуровневая архитектура разрабатываемой АИС КМВО ЧР.

Рис. 2. Многоуровневая архитектура АИС КМВО ЧР

Минимальные требования, предъявляемые к программному обеспечению АИС КМВО ЧР, представлены в табл. 1.

Таблица 1

Минимальные требования, предъявляемые к программному обеспечению АИС

Программное обеспечение сервера OS Windows XP SP2; MS SQL Server 2GG8 Express

Программное обеспечение клиента OS Windows XP SP2

Локальная сеть или Интернет Ethernet 1G/1GG Mbit

Предлагаемые решения позволяют сохранить существующую модель работы системы мониторинга и закладывают в архитектуру возможности масштабирования системы, перехода на автоматический режим сбора и обработки данных. Функциональные возможности АИС можно расширять путем разработки и внедрения различных подсистем, которые могут в качестве источника данных использовать локальное хранилище данных ПИС либо сервер ЦИС. SQL Server Compact Edition 3.5, используемый в качестве локальной БД ПИС, поддерживает стандартный синтаксис языка SQL, а также модель разработки и интерфейс API, соответствующие используемым в ПО SQL Server 2000 и более поздних версиях.

В рамках поставленной задачи реализована подсистема интеграции с геоинформа-ционной системой (ГИС) Panorama 2005 для построения трехмерной матрицы слоев. Она позволяет определить распространение и концентрацию загрязняющего вещества в пределах водной экосистемы. Подсистема подготавливает исходные данные и легенду матрицы слоев, на основании которых строится матрица слоев в ГИС Panorama 2005. Матрица слоев представляет собой регулярный массив значений абсолютной высоты (в случае с водными объектами абсолютная высота не превышает нулевой отметки, т. е. поверхности) и мощностей слоев. Мощность слоя определяет толщину соответствующего слоя, или, другими словами, расстояние от верхнего до нижнего уровня в метрах. Под верхним и нижним уровнями необходимо подразумевать значения замеров, например, от 1 до 1,1 ПДК - один слой, от 1,1 до 1,2 ПДК - другой слой и т. д. Т. е. мощность слоя показывает, с какой и по какую глубину значение концентрации вещества будет попадать в диапазон от 1 ПДК до 1,1 ПДК для одного слоя, от 1,1 до 1,2 ПДК - для другого и т. д. Для вычисления мощностей слоев применяются математические формулы, сложные алгоритмы обработки и сортировки двумерных динамических массивов, содержащие значения замеров. Трехмерная матрица слоев в ГИС Panorama предоставляет возможности визуализации для наглядного графического представления результатов замеров, а также позволяет осуществлять расчеты.

На рис. 3 представлена трехмерная матрица слоев, построенная в ГИС Panоrama 2005 на основе подготовленных в подсистеме исходных данных и легенды матрицы слоев.

Рис. 3. Трехмерная матрица слоев

Резюме. Внедрение в практику рассмотренной выше автоматизированной информационной системы комплексного мониторинга водных объектов позволит оперативно и достоверно оценивать степень загрязненности водных объектов Чувашской Республики, прогнозировать, моделировать и предупреждать чрезвычайные ситуации, выявлять источники загрязнения и принимать превентивные меры по экологической безопасности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Будихин, А. В. Проектирование и использование банков данных в АСУ / А. В. Будихин, А. Б. Николаев, Г. С. Резников. - М. : Б. и., 1988. - 190 с.

2. Николаев, Б. А. Автоматизированные системы обработки информации и управления на автомобильном транспорте / Б. А. Николаев. - М. : Академия, 2003. - 224 с.

3. Хетагуров, Я. А. Проектирование автоматизированных систем обработки информации и управления (АСОИУ) / Я. А. Хетагуров. - М. : Высшая школа, 2006. - 223 с.