Оглавление
Введение
. Информационные системы
Базы данных
Экспертные системы
Геоинформационные системы
. Моделирование математических моделей
. Техническое обеспечение
Вычислительные системы
Системы получения данных
. Объединение различных информационных технологий
ГИМС - технология
Проект МЭМОС
Вывод
Список используемых источников
Введение
Информационные технологии служат прежде всего цели экономии ресурсов путем поиска и последующего использования информации для повышения эффективности человеческой деятельности.
В настоящее время исследования по охране окружающей среды ведутся во всех областях науки и техники различными организациями и на различных уровнях, в том числе и на государственном. Однако информация по этим исследованиям характеризуется высокой рассеянностью. Большие объемы экологической информации, данные многолетних наблюдений, новейшие разработки разбросаны по различным информационным базам или даже находятся на бумажных носителях в архивах, что не только затрудняет их поиск, использование, но и приводит к сомнению в достоверности данных и эффективном использовании средств, выделяемых на экологию из бюджета или коммерческими структурами, например ИД РПОИ ("Исполнительная дирекция российской программы организации инвестиций в оздоровление окружающей среды").
Вторым моментом, обуславливающим необходимость информатизации, является проведение постоянного мониторинга за фактическим состоянием окружающей среды, уплатой налогов, проведением экологических мероприятий. Необходимость контроля возникла с принятием платы за загрязнение еще с 1992г, когда обнаружились такие проблемы, как переиндексация платежей в связи с инфляцией, неуплата за загрязнение воз уха, «уход» от экологических платежей, обусловленные отсутствием необходимой технической базы для своевременного контроля за исполнением норм закона. Благодаря автоматизированным мониторинговым системам контроль за природоохранной деятельностью становится более эффективным, поскольку постоянное наблюдение позволяет не только следить за правильностью выполнения закона, но и вносить в него поправки соответственно фактическим условиям экологической и социально-экономической обстановки.
На рубеже двух тысячелетий проблема взаимоотношения человеческого общества с окружающей средой приобрела острый характер. За последние десятилетия возрос риск возникновения крупных экологических катастроф, вызываемых человеком и возникающих вследствие защитной реакции природы.
Начало XXI столетия остро ставит задачи оценки риска экологических катастроф, принятия мер по их предотвращению. Другими словами, актуальной стала задача управления экологическими катастрофами. А это возможно при наличии необходимого информационного обеспечения о прошлом, текущем и будущем состоянии объектов окружающей среды, включая природные, природно-техногенные и антропогенные системы.
Информационные системы
Современные информационные технологии предназначаются для поиска, обработки и распространения больших массивов данных, создания и эксплуатации различных информационных систем, содержащих базы и банки данных и знаний. В широком смысле слова, информационная система - это система, некоторые элементы которой являются информационными объектами (тексты, графики, формулы, сайты, программы и пр.), а связи носят информационный характер. Информационная система, понимаемая в более узком смысле, - это система, предназначенная для хранения информации в специальным образом организованной форме, снабженная средствами для выполнения процедур ввода, размещения, обработки, поиска и выдачи информации по запросам пользователей. Схематическое изображение информационной системы представлено на рисунке 1.
Рисунок 1 - Схематическое представление информационной системы
Важнейшими подсистемами автоматизированных информационных систем являются базы и банки данных, а также относящиеся к классу систем искусственного интеллекта экспертные системы. Отдельно следует рассмотреть геоинформационные системы, как одни из наиболее развитых глобальных АИС в экологии на данный момент.
Базы данных
Деятельность человека постоянно связана с накоплением информации об окружающей среде, ее отбором и хранением. Информационные системы, основное назначение которых - информационное обеспечение пользователя, то есть предоставление ему необходимых сведений по конкретной проблеме или вопросу, помогают человеку решать задачи быстрее и качественнее. При этом одни и те же данные могут использоваться при решении разных задач и наоборот. Любая информационная система предназначена для решения некоторого класса задач и включает в себя как хранилище данных, так и средства для реализации различных процедур.
Информационное обеспечение экологических исследований реализуется главным образом за счет двух информационных потоков:
информация, возникшая при проведении экологических исследований;
научно-техническая информация по мировому опыту разработки экологических проблем по различным направлениям.
Общей целью информационного обеспечения экологических исследований является изучение информационных потоков и подготовка материалов для принятия решений на всех уровнях управления в вопросах выполнения экологических исследований, обоснования отдельных научно-исследовательских работ.
Поскольку объектом описания и изучения является планета Земля, и экологическая информация имеет общие черты с геологической, то перспективно построение геологических информационных систем для сбора, хранения и обработки фактографической и картографической информации:
о характере и степени экологических нарушений естественного и техногенного происхождения;
об общих экологических нарушениях естественного и техногенного происхождения;
об общих экологических нарушениях в определенной сфере человеческой деятельности;
о недроиспользовании;
об экономическом управлении определенной территорией.
Географические информационные системы рассчитаны, как правило, на установку и подключение большого количества автоматизированных рабочих мест, располагающих собственными базами данных и средствами вывода результатов. Экологи на автоматизированном рабочем месте на основе пространственно привязанной информации может решить задачи различного спектра:
анализ изменения окружающей среды под влиянием природных и техногенных факторов;
рациональное использование и охрана водных, земельных, атмосферных, минеральных и энергетических ресурсов;
снижение ущерба и предотвращение техногенных катастроф;
обеспечение безопасного проживания людей, охрана их здоровья.
Все потенциально экологически опасные объекты и сведения о них, о концентрации вредных веществ, допустимых нормах и т.д. сопровождаются географической, геоморфологической, ландшафтно-геохимической, гидрогеологической и другими типами информации.
При оценке чрезвычайных ситуаций информационная подготовка занимает 30-60% времени, а информационные системы в состоянии быстро предоставить информацию и обеспечить нахождение эффективных методов урегулирования. В условиях чрезвычайной ситуации решения не могут быть смоделированы в явном виде, однако основой для их принятия может служить большой объем разнообразной информации, хранимой и передаваемой базой данных. По предоставленным результатам управленческий персонал на основе своего опыта и интуиции принимает конкретные решения.
В общем случае базы данных играют ту же роль и при оценке состояния здоровья человека - они предоставляют специалисту наиболее полную и конкретную информацию по данному вопросу, на основании чего он принимает необходимое решение.
База данных может содержать сведения по общей медицине, признаки различных заболеваний, основные методы профилактики и лечения и другую необходимую информацию или может носить и вспомогательный характер. Такими, например, являются базы данных пациентов и медперсонала в поликлиниках. Сейчас эти базы данных уже получили широкое распространение в нашей стране, однако зачастую уровень их технического обеспечения очень низок.
Экспертные системы
Экспертными системами (ЭС) называют системы искусственного интеллекта, построенные на основе глубоких специальных знаний по некоторой предметной области, полученные от экспертов - специалистов в этой области.
Экспертные системы являются одним из видов систем искусственного интеллекта, которые получили широкое распространение и нашли практическое применение. Повсеместное распространение экспертных систем сдерживается прежде всего тем, что они считаются весьма сложными, дорогими, а главное - узкоспециализированными программами. Структура экспертной системы представлена на рисунке 2.
Рисунок 2 - Структура экпертной системы
Все экспертные системы имеют следующие особенности:
компетентность, т.е. в конкретной предметной области экспертная система должна достигать того же уровня, что и специалисты-люди;
символьные рассуждения, т.е. знания, на которых основана экспертная система представляются в виде понятий реального мира;
глубина, т.е. экспертная система должна решать серьезные, нетривиальные задачи, отличающиеся сложностью знаний или обилием информации, что не позволяет использовать полный перебор вариантов как метод решения задачи, а заставляет прибегать к творческим и неформальным методам;
самосознание, т.е. экспертная система должна включать в себя механизмы объяснения того, каким образом она приходит к решению задачи.
Экспертные системы решают следующие задачи:
интерпретация;
прогноз;
диагностика;
проектирование;
планирование;
обучение;
наблюдение;
управление.
Экспертные системы имеют в своем составе обширную базу данных - факты выбранной предметной области, а также базу знаний, в которой отражены профессиональные навыки и умения специалистов высокого уровня в данной области.
Основу квалификации эксперта, кроме формализованных знаний, составляют трудно формализуемые догадки, интуитивные суждения и умение делать выводы, которые сам эксперт может не вполне осознавать.
В качестве примера рассмотрим "экспертную систему для диагностики состояния экологических систем" используемую для нормирования нарушающих воздействий и для генерации путей восстановления нарушенных экосистем.
Экспертная система включает:
базу ретроспективных данных для точек отбора проб каждого региона (данные химических, климатических измерений, данные о процессах гидро- и аэропереносов; оценки состояния экосистем на шкале "норма-патология", получаемые, например, по биологическим показателям);
программу построения и расчета границ областей нормального функционирования в пространстве абиотических факторов;
диалоговую программу идентификации сценариев абиотических факторов относительно границ областей нормального функционирования экосистем.
Экспертная система выделяет в пространстве факторов экосистемы области нормального функционирования и рассчитывает их границы, а также критерии точности и полноты выделения областей. Границы областей нормального функционирования служат экологически допустимыми уровнями нарушающих экологическое благополучие воздействий. Положение исследуемой точки пространства факторов относительно найденных границ позволяет указать количественные интервалы изменения факторов, необходимые для возвращения экосистемы в область нормального функционирования.
Метод расчета границ областей нормальности основан на процедурах оптимального распознавания образов, многомерного статистического и детерминационного анализа.
Результатами работы являются:
прогнозируемая по сценарию нарушающего воздействия оценка состояния экосистемы на шкале "норма-патология";
перечень значимых для экологического неблагополучия факторов, ранжированный по величине вклада фактора в степень неблагополучия (с указанием критериев значимости);
нормативы экологически допустимых уровней для каждого значимого фактора;
нормативы экологически безопасных границ для незначимых факторов;
сценарии факторов среды, приводящие к экологическому неблагополучию, перечень факторов, изменение которых необходимо для возврата экосистемы в область нормального функционирования, и оптимальные для такого возврата диапазоны изменения указанных факторов;
сценарии, приводящие к благополучным состояниям экосистем, указывается "близость" факторов сценария к границе благополучия.
Результаты работы могут быть использованы специалистами по охране природы; экологами-экспертами; научными работниками; специалистами по экологическому обоснованию в проектной деятельности; специалистами по мониторингу и контролю среды; лицами, принимающими решения.
Геоинформационные системы
Географические информационные системы (ГИС) появились в 60-х годах XX век как инструменты для отображения географии Земли и расположенных на ее поверхности объектов. Сейчас ГИС представляют собой сложные и многофункциональные инструменты для работы с данными о Земле. Фрагмент пользовательского интерфейса ГИС представлен на рисуне 3.
Рисунок 3 - Фрагмент пользовательского интерфейса ГИС
Преимущества геоинформационных систем
- удобное для пользователя отображение пространственных данных
Картографирование пространственных данных, в том числе в трехмерном измерении, наиболее удобно для восприятия, что упрощает построение запросов и их последующий анализ.
- интеграция данных внутри организации
Геоинформационные системы объединяют данные, накопленные в различных подразделениях компании или даже в разных областях деятельности организаций целого региона. Коллективное использование накопленных данных и их интеграция в единый информационный массив дает существенные конкурентные преимущества и повышает эффективность эксплуатации геоинформационных систем.
- принятие обоснованных решений
Автоматизация процесса анализа и построения отчетов о любых явлениях, связанных с пространственными данными, помогает ускорить и повысить эффективность процедуры принятия решений.
- удобное средство для создания карт
Геоинформационные системы оптимизируют процесс расшифровки данных космических и аэросъемок и используют уже созданные планы местности, схемы, чертежи. ГИС существенно экономят временные ресурсы, автоматизируя процесс работы с картами, и создают трехмерные модели местности.
Так, с помощью ГИС специалисты могут оперативно спрогнозировать возможные места разрывов трубопроводы, проследить на карте пути распространения загрязнений и оценить вероятный ущерб для природной среды, вычислить объем средств, необходимых для устранения последствий аварии. С помощью ГИС можно отобрать промышленные предприятия, осуществляющие выбросы вредных веществ, отобразить розу ветров и грунтовые воды в окружающей их местности и смоделировать распространение выбросов в окружающей среде.
Безусловным лидером в создании локальных баз данных является ESRI (Environmental Systems Research Institute, Inc., США) Сервер ArcAtlas “Our Earth” содержит более 40 тематических покрытий, которые широко используются во всем мире. Практически все картографические проекты масштаба 1:10 000 000 и более мелких масштабов создаются с его использованием.
Наиболее серьезным проектом по созданию распределенной базы данных является «Цифровая Земля» (Digital Earth). Этот проект был предложен вице-президентом США Гором в 1998г., основным исполнителем является NASA. В проекте участвуют министерства и государственные ведомства США, университеты, частные организации, Канада, Китай, Израиль и Европейский союз. Все проекты распределенных баз данных испытывают серьезные трудности в вопросах стандартизации метаданных и совместимости отдельных ГИС и проектов, созданных разными организациями с применением разного программного обеспечения.