Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Применение новых информационных технологий в системах экологического мониторинга 7
1.1. Основные концепции применения новых информационных технологий в системах сбора и обработки экологической информации 8
1.2. Проблемы использования WED - технологий при создании автоматизированных систем мониторш іга экологической информации 10
1.3. Классификация и анализ способов удаленного доступа к информационным ресурсам через интернет 12
1.4. Мониторинг атмосферного воздуха 15
1.5. Анализ современных технических средств мониторинга атмосферного воздуха и их функциональных возможностей 29
ГЛАВА 2 Автоматизированная система контроля (аск) атмосферного воздуха в ьг.Новомосковске 53
2.1.Основныезадачиаскиеесостав 54
2.2. АСК Новомосковска как подсистема автоматизированной комплексі юй системы мониторинга атмосферного воздуха «Атмосферл-то» (аксм) в Тульской области 57
Глава 3 Новый подход к моделированию асэм с помощью унифицированного языка моделирования (1/ML) 65
3.1. Проблемы преобразования АСК в АСЭМ 66
3.2. Методы объектно-ориентированного анализа и проектирования АСЭМ 69
3.3. Наборы диаграмм UML 75
3.4. Спецификации расширения UML для WEB-приложений 78
3.5. Принцип представления информации о разрабатываемой ЛСЭМ с точки зрения визуального моделирования 80
3.6. Модель WEB-системы АСЭМ 82
3.7. Виртуальная структура модели системы мониторинга атмосферного воздуха 84
3.8. Модель взаимодействия удаленного пользователя с АСЭМ через интернет 90
Глава 4 Разработка АСЭМ С удаленным доступом через интернет 93
4.1. Анализ WEB-трафика в сгеде передачи информации 94
4.2. Примем ение виртуальной обратной связи в автоматизирова иных системах экологического мониторинга 97
4.3. Построение модели АСЭМ в виде UM L-диаграмм 103
4.4. Преобразование существующих баз дані іьіх АСК и их нормал изация для использования в АСЭМ 114
4.5. Интеграция WEB-технологий и СУБД для организации удалённого доступа 119
4.6. Разработка интерфейса связи, описание средств построения системы удаленного доступа (WEB-cepbepa, СУБД, языка программирования и т.п.) 124
Заключение 127
Библиографический список 128
- Мониторинг атмосферного воздуха
- Анализ современных технических средств мониторинга атмосферного воздуха и их функциональных возможностей
- Проблемы преобразования АСК в АСЭМ
- Методы объектно-ориентированного анализа и проектирования АСЭМ
Введение к работе
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 Российсесои 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 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 когорых 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 информа-
4 ционно-апалитической 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, WEB-техпологий, телекоммуникаций, видео/аудиоконференций и др.);
развитие и функционирование Ситуационного центра МПР России;
развитие комплексной системы дистанционного зондирования Земли из космоса, включая аппаратно-техпическое, 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 ок
ружающей среды, развитие автоматизированной системы научно-технической информации,
дистанционного обучения, подготовки и переподготовки кадров на основе современных ин
формационных 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 информациоЕшо-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» природоресурспой 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-рссурсной 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:
Такие технологии самые дешевые среди других способов доступа, в том числе - удаленного, к информации,
Такие технологии самые простые среди других способов доступа к информации.
Такие технологии самые распространенные в мире среди других способов доступа к информации [2].
Учитывая все вышеизложенное, можно сделать вывод об экономической целесообразности применения Интернет/Интраиет 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 осуществлений поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:
Проведен системный анализ характеристик существующих АСК.
Определены и исследованы информационные потоки, возникающие в АСЭМ.
Разработан метод синтеза системы удаленного доступа к АСЭМ через Интернет.
Разработана методика построения информационной модели АСЭМ на основе диаграмм унифицированного языка моделирования UML.
Разработаны информационные модели, диаграммы, алгоритмы и авторский пакет программ, реализующие предложенный метод.
Выявлены и решены проблемы, возникающие при интеграции АСЭМ в областную систему мониторинга.
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 жстренного 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 UML для модели АСЭМ.
б.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. Эделъштейну Юрию Давидовичу и д.т.н., проф. Венту Дмитрию Павловичу за внимательное руководство, чуткое отношение и поддержку в работе.
Мониторинг атмосферного воздуха
Научно-техническая деятельность человечества еще в копне XX века стала ощутимым фактором воздействия на окружающую среду. Тепловое, химическое, радиоактивное и другие загрязнения окружающей среды в последние десятилетия находятся под пристальным вниманием специалистов и вызывают справедливую озабоченность, а иногда - и тревогу общественности. По многим прогнозам проблема защиты окружающей среды її XXI веке станет наиболее значимой для большинства промышлепно развитых стран. В подобной ситуации налаженная широкомасштабная и эффективная есть контроля состояния окружающей среды, особенно в крупных городах и вокруг экологически опасных объектов, может явиться важным элементом обеспечения экологической безопасности и залогом устойчивого развития общества. Основными элементами такой сети станут автоматические станции экологического мониторинга, оснащенные аппаратурой контроля загрязнения атмосферы вредными [азами, радиоактивными веществами, пылью, а также измерения метеорологических параметров.
Использование автоматических станций постоянного наблюдения придает новое качество экологическому мониторингу среды. Постоянное документирование состояния атмосферы на промышленных площадках, локальных территориях повышенного риска (полигоны, хранилища радиоактивных или химических веществ и т.н.) позволяет объективно оценивать их влияние на экологическое загрязнение среды. Кроме того, постоянный экологический мониторинг дает возможность прогнозировать возникновение опасной ситуации и обнаружить ее в самом начале развития событий, что, в свою очередь, позволит вовремя принять правильные управленческие решения в производственном процессе и парировать возникшие нештатные ситуации, сохранить здоровье и жизни людей.
В Федеральном загоне «Об охране атмосферного воздуха» [9] приведены сіедуюііще основные понятия: — атмосферный воздух - жизненно важный компонент окружающей природной среды, представляющий собой естественную смесь газов атмосферы, находящуюся за пределами жилых, производственных к иных помещений;
— вредное (загрязняющее) вещество - химическое или биологическое вещество либо смесь та ких веществ, которые содержатся в атмосферном воздухе и которые и определенных концентрациях оказывают вредное воздействие на здоровье человека и окружающую природную среду;
— загрязнение атмосферного воздуха - поступление в атмосферный воздух или образование в нем вредных (загрязняющих) веществ в концентрациях, превышающих установленные государством гигиенические и экологические нормативы качества атмосферного воздуха;
— вредное физическое воздействие на атмосферный воздух - вредное воздействие шума, вибрации, ионизирующего излучения, температурного и других физических факторов, изме
няющих температурные, энергетические, волновые, радиационные и другие физические свойства атмосфернош воздуха, на здоровье человека и окружающую природную среду;
— трансграничное загрязнение атмосферного воздуха - загрязнение атмосферного воздуха в результате переноса вредных (загрязняющих) веществ, источник которых расположен на территории иностранного государства;
— неблагоприятные метеорологические условия - метеорологические условия, способствующие накоплению вредных (загрязняющих) веществ в приземном слое атмосферного воздуха;
— предельно допустимый уровень физического воздействия на атмосферный воздух - норматив физического воздействия на атмосферный воздух, который отражает предельно допустимый максимальный уровень физического воздействия на атмосферный воздух, при котором отсутствует вредное воздействие на здоровье человека и окружающую природную среду;
— предельно допустимый норматив вредного физического возде Пеший І і а а гм о сферный Боздух -норматив, который устанавливается для каждого источника шумовок», вибрационного, электромагнитного и других физических воздействий на атмосферный воздух и при шшром вредное физическое воздействие от данного и ото всех других источников не приведет к превышению предельно допустимых уровней физических воздействий па атмосферный воздух;
— технический норматив выброса - норматив выброса вредного (загрязняющего) вещества в атмосферный воздух, который устанавливается для передвижных и стационарных источников выбросов, технологических процессов, оборудования и отражает максимально допустимую массу выброса вредного (загрязняющего) вещества в атмосферный воздух в расчете па единицу продукции, мощности пробега транспортных или иных передвижных средств и другие показатели;
— предельно допустимая (критическая) нагрузка - показатель воздействия одного или нескольких вредных (загрязняющих) веществ па окружающую природную среду, превышение которого может привести к вредному воздействию на окружающую природную среду;
— предельно допустимый выброс - норматив предельно допустимого выброса вредного (загрязняющего) вещества в атмосферный воздух, который устанандпвастея для стационарного источника загрязнения атмосферного воздуха с учетом технических нормативов выбросов и фонового загрязнения атмосферного воздуха при условии не прспышения данным источником гигиенических и экологических нормативов качества атмосферного воздуха, предельно допустимых (критических) нагрузок на экологические системы, других :жи:іогпчеекпх нормативов;
— временно согласованный выброс - временный лимит выброса вредного (загрязняющего) вещества в атмосферный воздух, который устанавливается для действующих стационарных источников выбросов с учетом качества атмосферного воздуха и социально-экономических условий развития соответствующей территории в целях поэтапного достижения установленного предельно допустимого выброса;
— мониторинг атмосферного воздуха - система наблюдений за состоянием атмосферного воздуха, его загрязнением и за происходящими в нем природными явлениями, а также оценка и прогноз состояния атмосферного воздуха, его загрязнения;
— охрана атмосферного воздуха - система мер, осуществляемых органами государственной власти Российской Федерации, органами государственной власти субъектов Российской Федерации, органами местного самоуправления, юридическими и физическими лицами в целях улучшения качества атмосферного воздуха и предотвращения его вредного воздействия на здоровье человека и окружающую природную среду;
— гигиенический норматив качества атмосферного воздуха критерий качества атмосферного воздуха, который отражает предельно допустимое максимальное содержание вредных (загрязняющих) веществ в атмосферном воздухе и при котором отсутствует вредное воздействие на здоровье человека;
— экологический норматив качества атмосферного воздуха критерий качества атмосферного воздуха, который отражает предельно допустимое максимальное содержание вредных (загрязняющих) веществ в атмосферном воздухе и при котором отсутствует вредное воздействие на окружающую природную среду;
Анализ современных технических средств мониторинга атмосферного воздуха и их функциональных возможностей
В [17] предложена универсальная схема информационной системы контроля состояния природной среды, пригодная как для системы в целом, так и для любой геофизической службы, входящей в эту систему (гидрометеорологической службы или системы наблюдений загрязнений). Наиболее универсальным подходом к определению структуры системы мониторинга антропогенных изменений природной среды является его разделения на блоки.
Наблюдения за состоянием окружающей природной среды должны включать наблюдения за источниками и факторами антропогенного воздействия (в том числе источниками загрязнений, излучений и т.п.). Построение прогноза, с одной стороны, подразумевает знание закономерностей изменений состояния природной среды, наличие схемы и возможностей численного расчета, с другой - направленность прогноза в значительной степени должна определять структуру и состав наблюдательной сети (обратная связь).
В [17] приведена классификация систем (подсистем) мониторинга. С точки зрения системного подхода, мониторинг подразделяют па: медико-биологический (состояние здоровья человека), экологический и климатический.
В работе [18] предложена классификация мониторинга на биоэкологический (санитарно-гигиенический); геоэкологический (наблюдения за изменением природных экосистем); биосферный (наблюдения за параметрами биосферы в глобальном масштабе).
В [19] рассмотрены формы мониторинга, которые подразделяются в зависимости от уровня и масштабов наблюдений. Локальный мониторинг-наблюдение и контроль за окружающей средой в масштабе отдельно взятого участка местности; региональный - в масштабе более крупном - региона; национальный - в пределах целого государства; глобальный - в масштабах континента или даже целой планеты.
В [20] рассмотрены основные принципы построения систем экологического мониторинг реального времени. К ним относятся:
— принцип обработки информации в реальном времени;
— принцип приоритета интегральной оценки состояния окружающей среды;
— принцип непрерывности интегральной оценки состояния окружающей среды, предполагает временную и пространственную непрерывность получаемой информации;
— принцип соблюдения минимально необходимых затрат на ведение мониторинга окружающей среды;
— принцип направленности мониторинговых исследований, то есть включение в работу дополнительных подсистем сбора и обработки частной информации (биологической климатической, физической и т.д.),
— принцип единого унифицированного представления информации. Такая система разработана на основе опыта работы служб мониторинга по международной программе. Использование этой системы позволяет легко вводить новые подсистемы мониторинга и изменять программу сбора информации;
— принцип управления на основе анализа потока событий, то есть обработка информации принятия решений в режиме реального времени.
В [21] рассмотрена Национальная система мониторинга, которая опирается на существующую в Госкомгидромете России информационную систему получения, обработки подготовки и представления информации. Она построена по иерархическому принципу и состоит из нескольких уровней:
— первый уровень - станции наблюдения;
— второй уровень - территориальные и региональные центры, где обобщают и анализируют материалы, а также составляют местные прогнозы и дают оценку состояния атмосферы по территории этих центров; — третий (высший) уровень - Гидрометцентр и другие головные организации, которые разрабатывают прогнозы и определяют состояние атмосферы в национальном и глобальном масштабах. Вся сообщаемая и передаваемая информация о загрязнении по степени срочности делится натрії категории:
1. Экстренная информация содержит сведения о резких изменениях уровня загрязнения. Эту информацию немедленно сообщают местным органам для безотлагательного принятия мер и Госкомгидромет России, который оперативно проводит анализ и передаёт его результаты в центральные органы.
2. Оперативная информация охватывает месячный период наблюдений. Анализ данных проводится на местах, его результаты передают в НИИ, которые после дополнительного сопоставления направляют их в Госкомгидромет России, который извещает центральные органы о текущей обстановке и тенденциях загрязнения окружающей среды.
3. Режимная информация охватывает годовой период наблюдений, содержит анализ причин и последствий загрязнения и служит для разработки общегосударственной политики в данной области, для составления долгосрочных (20-30 лет) прогнозов развития народного хозяйства.
Наряду с сетью станций наблюдения, находящихся в районах, подверженных антропогенному воздействию, в состав общегосударственной службы входят базовые и региональные станции для проведения фоновых наблюдений в районах, куда компоненты загрязнители попадают только вследствие их глобального распространения (базовые станции), а также в промежуточных районах, куда эти вещества поступают путём местных миграционных процессов (региональные станции).
Сеть фоновых станций национальной системы мониторинга является частью глобальной системы мониторинга окружающей среды (ГСМОС). Определить глобальное состояние биосферы можно на основе международного сотрудничества; и эта часть ГСМОС относится к сфере международных проектов, координируемых комитетом ЮНЕП.
В национальном масштабе посты наблюдения за уровнем загрязнения атмосферного воздуха подразделяются на три основные категории.
1. Стационарные посты служат для систематических и длительных наблюдений. Это специальные павильоны, оснащённые необходимыми приборами и аппаратурой для отбора проб воздуха, непрерывной регистрации концентрации вредных микрокомпонентов в атмосфере и определения метеопараметров.
2. Маршрутные (мобильные) посты служат для постоянных наблюдений. Отбор проб воздуха и метеорологические измерения на этих постах проводятся с помощью передвижной лаборатории на автомашине.
3. Передвижные (подфакельные) посты служат для разовых наблюдений под газовыми факелами и выбираются каждый раз в зависимости от режима ветра на различных расстояниях от источника загрязнения.
Выбору местоположения постов наблюдения и контроля должно предшествовать проведение соответствующего комплексного регионального эксперимента по исследованию загрязнения воздушного бассейна.
Проблемы преобразования АСК в АСЭМ
Существующие автоматизированные системы контроля (АСК) качества атмосферного воздуха, например, АКСМ «Атмосфера» в г.Новомосковскс Тульской области [76], создавались достаточно давно по современным меркам. За 5 -7 лет своего существования подобные системы достаточно сильно устарели, т.к. при их создании использовались технические решения, разработанные еще до их создания. В настоящее время возникла необходимость добавить новые функции этим АСК и преобразовать их в автоматизированные системы экологического мониторинга (АСЭМ), для того, чтобы не только собирать информацию об атмосферном воздухе, но и оперативно анализировать ее, определять источники загрязнения, строить пропюзы развития ситуации распространения и т.п. В недалеком будущем в эти системы будут добавлены управляющие функции, чтобы «Лица Принимающие Решения» (ЛПР) могли оперативно влиять па состояние атмосферного воздуха.
Для преобразования АСК в АСЭМ необходимо изменить их структуру таким образом, чтобы, используя современные информационные технологии, добиться решения новых задач, возникающих на современном этапе.
1. Обеспечение надежной и бесперебойной связи между постами и центрами сбора информации.
2. Обеспечение достаточной пропускной способности для передачи увеличивающихся информационных потоков, т.к. возможна передача не только символьной (текстовой), но и мультимедиа (например, визуальной) информации между постами и центрами сбора.
3. Обеспечение удаленного доступа к АСМ соответствующих лиц, принимающих решения, для получения актуальной информации о состоянии окружающей среды для экстренного оповещения, если необходимо, и т.п.
4. Повышение защищенности собственно постов сбора, т.к. они могут располагаться в удаленных и труднопроходимых местах.
5. Использование дополнительной информации (вне системы экологического мониторинга) о состоянии атмосферы и климатических условиях (температуры, давления, силы и направлении ветра, влажности и т.п.), для повышения точности прогнозирования состояния атмосферы и определения источников загрязнения.
6. Использование новых информационных технологий для решения перечисленных задач на уже существующем компьютерном оборудовании, которое очень быстро морально устаревает.
7. Использование разнородных и, может быть, многоплатформенных пакетов (для MS DOS, MS Windows разных версий, UNIX, и т.п. операционных систем) ПО, которое уже разработано и применяется на практике в различных региональных системах.
Сложность разработки новой оптимальной структуры АСЭМ на основе АСК обусловлена тем, что информационная модель, задача которой уточнить реальную ситуацию, должна составляться по уже существующей структуре АСК, которая не предусматривает иерархическое наращивание уровней без существенных программно-аппаратных преобразований, а не на стадии проектирования АСК.
Кроме того, многие CASE-системы, использующиеся в подобных системах контроля, работают только с двухуровневыми моделями (логической моделью данных и физической моделью данных), не придерживая трехуровневую модель, где моделью верхнего уровня является концептуальная информационная модель.
Также преобразование АСК в АСЭМ осложняют следующие обстоятельства:
- структурная сложность системы (многоуровневая иерархическая структура организации) и территориальная распределенность;
- функциональная сложность (многоуровневая иерархия и большое количество функций, выполняемых смежными организациями; сложные взаимосвязи между ними);
- информационная сложность (большое количество источников и потребителей информации (министерства и ведомства, местные органы власти, организации-партнеры), разнообразные формы и форматы представления информации, сложная информационная модель объекта -большое количество информационных сущностей и сложные взаимосвязи между ними), сложная технология прохождения документов;
- сложная динамика поведения, обусловленная высокой изменчивостью внешней среды (изменения в законодательных и нормативных актах, нестабильность экономики и политики) и внутренней среды (структурные реорганизации, текучесть кадров).
Исходя из вышеизложенного можно сделать вывод о целесообразности разработки на основе системного анализа методики преобразования АСК в типовую АСЭМ. Это позволит создавать автоматизированные системы экологического мониторинга различной степени унифицировашюсти, высокой технической сложности, определяемых наличием совокупности тесно взаимодействующих компонентов (подсистем), имеющих свои локальные задачи и цели функционирования (транзакцион-ных приложений, предъявляющих повышенные требования к надежности, безопасности и производительности, и приложений аналитической обработки (систем поддержки принятия решений), использующих нерегламентированные запросы к данным большого объема).
Такие системы имеют большое количество и высокую стоимость унаследованных приложений (существующего прикладного ПО), функционирующих в различной среде (персональные компьютеры, мипикомпьютеры, мэйнфреймы), обладают необходимостью интеграции унаследованных и вновь разрабатываемых приложений; большое количество локальных объектов внедрения, территориально распределенную и неоднородную среду функционирования (СУБД, операционные системы, аппаратные платформы); большое количество внешних взаимодействующих систем различных организаций с различными форматами обмена информацией.
Отсутствие методики преобразования АСК в АСЭМ, а также разработка новых АСЭМ затруднены, т.к. для них характерны:
- нечеткая и неполная формулировка требований к ПО;
- недостаточное вовлечение пользователей в работу над разработкой;
- отсутствие необходимых ресурсов;
- неудовлетворительное планирование и отсутствие грамотного управления разработкой;
- частое изменение требований и спецификаций;
- новизна и несовершенство используемой технологии;
- недостаточная поддержка со стороны высшего руководства;
- недостаточно высокая квалификация разработчиков, отсутствие необходимого опыта. Под моделью АСЭМ в общем случае понимается формализованное описание системы АСЭМ на определенном уровне абстракции. Каждая модель определяет конкретный аспект системы, использует набор диаграмм и документов заданного формата, а также отражает точку зрения и является объектом деятельности различных людей с конкретными интересами, ролями или задачами.
Графические (визуальные) модели представляют собой средства для визуализации, описания, проектирования и документирования архитектуры системы. Разработка модели АСЭМ в такой же мере необходима, как и наличие проекта при строительстве большого здания. Это утверждение справедливо как в случае разработки новой системы, так и при преобразовании АСК в АСЭМ, в составе которых также могут иметься собственные средства моделирования. Хорошие модели являются основой взаимодействия участников проекта и гарантируют корректность архитектуры. Поскольку сложность систем повышается, важно располагать хорошими методами моделирования. Хотя имеется много других факторов, от которых зависит успех проекта, но наличие строгого стандарта языка моделирования является весьма существенным.
Методы объектно-ориентированного анализа и проектирования АСЭМ
Концептуальной основой объектно-ориентированного анализа и проектирования ООАП является объектная модель. Ее основные принципы (абстрагирование, инкапсуляция, модульность и иерархия) и понятия (объект, класс, атрибут, операция, интерфейс и др.) наиболее четко сформулированы Гради Бучем в его фундаментальной книге [78] и последующих работах.
Основная идея, лежащая в основе объектно-ориентированного подхода такова: система представляется в виде множества самостоятельных сущностей (объектов), взаимодействующих друг с другом. Каждая сущность сама отвечает за хранение информации, необходимой для ее жизни, и, кроме того, она имеет (реализует) свое собственное поведение.
В [79] так определяются этапы объектно-ориентированного подхода к разработке ПО:
Объектно-ориентированный анализ (analysis) - способ анализа, изучающий требования к системе с точки зрения будущих классов и объектов, основываясь на словаре предметной области.
Объектно-ориентированное проектирование (design) - способ проектирования, включающий в себя описание процесса объектно-ориентированной декомпозиции и объектно-ориентированную нотацию для описания различных моделей системы (логической и физической, статической и динамической).
Объектно-ориентированное программирование - это метод реализации, в основе которого лежит идея представления программной системы в виде набора взаимодействующих объектов, каждый из которых является экземпляром некоторого класса, а классы объединены в иерархию наследования.
Порядок их применения таков: сначала проводится объектно-ориентированный анализ, затем проектирование, а после этого - реализация (то есть программирование).
Кроме перечисленных этапов, принято еще выделять этап тестирования и отладки, следующий за реализацией и этап сопровождения, который в большинстве случаев является самым долговременным и дорогостоящим.
Преимущества объектно-ориентированного подхода: сокращение числа возможных ошибок и повторное использование. Предполагается какой-либо вариант многократного использования уже существующего проекта или его части в новом проекте. Повторное использование можно разделить на две категории:
1. повторное использование существующего кода для решения модифицированной задачи.
2. повторное использование и для решения других задач в данной предметной области. В обоих случаях объектно-ориентирован ный подход дает преимущества. За счет использования классов легко модифицировать существующие элементы без изменения уже готовых.
Недостатки объектно-ориентнровашюго подхода: усложнение методологии и сложность реализации. Применение объектно-ориентированного подхода требует введения дополнительных способов представления информации о предметной области и методов ее анализа. Так язык UML включает более 100 различных условных обозначений. Для успешного использования подобного механизма требуется наличие определенного уровня квалификации у специалистов.
Объектно-ориентированные проекты и их программная реализация на объектно-ориентированном языке, требуют больших временных затрат и приводят к построению более сложной и требовательной к ресурсам программы, нежели классические методы, которые могут оказаться более эффективными для некоторых задач.
Методология объектно-ориентированного анализа (ООА) предложена Йорденом [80] для проектирования больших систем. Автор считает, что данная методология позволяет более адекватно отобразить предметную область в системе и обеспечить более надежный и перестраиваемый проект за счет основных свойств: инкапсуляция, наследование, полиморфизм.
ООА состоит из пяти главных шагов:
1. определение предметной области,
2. определение объектов предметной области,
3. определение структуры объектов за счет создания отношений «состоит-из» и «является»,
4. определение атрибутов объектов,
5. определение сервиса объектов (методов поведения) и взаимодействий за счет посылки сообщений между объектами.
Соответственно ООА - модель состоит из пяти основных компонент:
1. схемы предметной области,
2. схемы объектов,
3. схемы структуры,
4. схемы атрибутов,
5. схемы методов.
Гради Буч сформулировал главное достоинство объектно-ориентированного подхода (ООП) следующим образом: объектно-ориентированные системы более открыты и легче поддаются внесению изменений, поскольку их конструкция базируется на устойчивых формах. Это дает возможность системе развиваться постепенно и не приводит к полной ее переработке даже в случае существенных изменений исходных требований.
Буч отметил также ряд следующих преимуществ ООП: — объектная декомпозиция дает возможность создавать программные системы меньшего размера путем использования общих механизмов, обеспечивающих необходимую экономию выразительных средств. Использование ООП существенно повышает уровень унификации разработки и пригодность для повторного использования не только ПО, но и проектов, что в конце концов ведет к сборочному созданию ПО. Системы зачастую получаются более компактными, чем их не объектно-ориентированные эквиваленты, что означает не только уменьшение объема программного кода, но и удешевление проекта за счет использования предыдущих разработок;
— объектная декомпозиция уменьшает риск создания сложных систем ПО, так как она предполагает эволюционный путь развития системы на базе относительно небольших подсистем. Процесс интеграции системы растягивается на все время разработки, а не превращается в единовременное событие;
— объектная модель вполне естественна, поскольку в первую очередь ориентирована на человеческое восприятие мира, а не на компьютерную реализацию;
— объектная модель позволяет в полной мере использовать выразительные возможности объектных и объектно-ориентированных языков программирования.
К недостаткам ООП относятся некоторое снижение производительности функционирования ПО (которое, однако, по мере роста производительности компьютеров становится все менее заметным) и высокие начальные затраты. Объектная декомпозиция существенно отличается от функциональной, поэтому переход на новую технологию связан как с преодолением психологических трудностей, так и дополнительными финансовыми затратами. При переходе от структурного подхода к объектному, как при всякой смене технологии, необходимо вкладывать деньги в приобретение новых инструментальных средств. Здесь следует учесть расходы на обучение методу, инструментальным средствам и языку программирования. Для некоторых организаций эти обстоятельства могут стать серьезными препятствиями.
