Имитационная система для оценки надежности геоинформационных мониторинговых систем водохозяйственного назначения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Пй ид

- ц

ИНСТИТЯТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

АГАДНАНЯН МИНАС ГРАНТИКОВИЧ

" ИМИТАЦИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОЦЕНКИ НАДЕ1Н0СТИ ГЕОИНФОРМАЦИОНННХ МОНИТОРИНГОВЫХ СИСТЕМ ВОДОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ"

01.04.01 - техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание дченой степени кандидата физико-математических нацк

Москва 1993 г.

Работа выполнена в Институте радиотехники и электроники РАН.

Научный руководитель - чл.-корр. ЙЕН РФ, доктор физико-

матеыатических наук Мкртчян Ф.А.

Официальные оппоненты - академик Меидународной экологической академии, доктор Физико-математических наук, профессор Флеймиан Б.С.

- кандидат физико-математических наук Либерман Б.М,

Ведущая организация: Институт проблем передачи информации РАН

Зацита состоится "11 " февраля 1993 г. в 10 ч. 00 м, на

заседании специализированного совета Д 002.74.03 в Институте радиотехники и электроники РАН по адресу: 103907, г.Москва, ГСП -3, Моховая ул. 11.

С диссертацией монно ознакомиться в библиотеке ИРЗ РАН.

Автореферат разослан " " 1994 г.

Ученый секретарь специализированного

совета, к.ф.-м.н. В.Е.Яуравлев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность теин. Проблема рационального использования водных ресурсов, разработка мероприятий по обеспечении требуемого распределения и контроля расхода воды является вааной государственной задачей. В реализации этих задач большая роль принадлежит современным автоматизированный геоинфорыационныы мониторинговым системам (АГИМС) использующим в настоящее время дистанционные средства сбора информации о земных покровах и акваториях водных бассейнов, которые позволяют оперативно формировать наборы данных о пространственно-временном распределении различных параметров природных объектов и, в частности, о Функционировании водных систем.

Одним из важных аспектов функционирования АГИМС является воз-мокность прогнозирования состояния исследуемой среды и предуп-реядения о нежелательных изменениях ее характеристик. Реализация такой функции возмозна при использовании достаточно широко развитого математического обеспечения, включавшего комплексы математических моделей изучаемых явлений.

Роль водохозяйственных систем на современном этапе непрерывно возрастает, поскольку вода является необходимым ресурсом для развития промыиленности и сельского хозяйства. Однако теоретические основы определения надежности водохозяйственных систем разработаны недостаточно. При определении надежности в системах водохозяйственного назначения наряду с чисто техническими аспектами надежности различных механизмов н систем, определяемыми физическими свойствами, долзны быть учтены природные факторы, имеющие стохастический характер.

Ввиду стохастического характера надежности можно применять методы теории вероятностей и математической статистики при определении всех составляющих факторов надежности, к которым относятся работоспособность, безотказность, интенсивность от-

казов и долговечность систем.

Исследование этих явлений основывается на предпосылке о случайном характере отказов, для предотвращения которых необходимо знание теоретических и практических причин и закономерности их появления и развития.

Исследование причин отказов водохозяйственных систем возмов-но с применением данных дистанционных и контактных измерений с использованием методов мониторинга имитационного моделирования.

Наиболее плодотворным подходом для этой цели является сочетание имитационного моделирования и мониторинга, т.к. модель дает основу для объективного анализа всей получаемой информации и позволяет оперативно планировать необходимые измерения. В этом случае удается во многих ситуациях снять ограничения, связанные с применением только статистических методов, и значительно сократить обьем необходимых измерений.

Следует отметить такие, что эффективное решение вышеуказанных проблем невозмоЕно без широкого внедрения в практику исследований автоматизированных систем сбора, хранения и обработки данных на базе современных ЭВМ.

Б связи со сказанным выше, исследование, проведенное в данной работе, представляется актуальный.

Цельо диссертационной работы является разработка автоматизированной системы для оценки надеаности геоинформационных мониторинговых систем водохозяйственного назначения с применением методов математической статистики и имитационного моделирования.

Научная новизна.В настоящей работе:

- предловена и обоснована структура автоматизированной геоинформационной мониторинговой системы водохозяйственного назначения;

- впервые получены оценки надеаности водохозяйственных систем на совокупности факторов с различными плотностями распределения ( для трех случайных величин );

- впервые получены оценки надеаности АГИНС на основе теории

потенциальной эффективности

- предложен метод формирования баз данных гидрологических рядов на базе СУБД Fox Pro.

Практическая ценность. Выводы и рекомендации сформулированные в диссертации, а также алгоритмическое и программное обеспечение АГИМС, могут найти практическое применение при обработке данных не только гидрологических рядов, но и для автоматизации экспериментов другого профиля. Средства организации и ведения автоматизированного банка гидрологических данных легко адаптируются к другим приложениям.

Развитая в работе методика обработки гидрологических рядов применена для данных района Болгарии, полученных на основе договора о научно-техническом сотрудничестве между ИРЭ РАН и Институтом электроники БАН (г.София ).

Диссертация выполнялась в соответствии с планами ИРЭ'РАН (НИР "Прогноз", "Процесс" ). а также по НИР "Разработка методики обслуживания, поиска и размещения информации в интегрированной системе баз данных в интересах геофизики, океанологии, экологии, исследования глобальных изменений природной среды, климата и биосферы на основе спутниковых систем", выполненная по заказу Минестерства науки и технической политики РФ.

Основные положения диссертации, выносимые на зациту:

1. Разработанный автоматизированный архив данных (являющийся ядром АГИМС) гидрологических рядов на базе СУБД Fox Pro и результаты тематической обработки гидрологических рядов позволяют получить достоверные оценки надежности водохозяйственных систем.

2. Разработанная методика определения совместного распределения более двух случайных величин имеющих различные плотности распределения позволяющая определить надежность водохозяйственных систем на совокупности разных факторов.

3. Методика получения оценки надежности АГИМС на основе теории потенциальной эффективности сложных систем.

Апробация работы и публикации. Результаты, полученные в диссертации. докладывались на международном симпозиуме " Инженерная экология -91 " (Звенигород, Москва, 1991 г.), на ХЬХП научной сессии, посвященной Дни радио (Москва, 1992 г.), на научно-технической конференции "Биомедицинское и экологическое приборостроение: наука, прмыиленность, рынок" (Рязань, 1992 г.), на международном симпозиуме " Проблемы зкоинформатики " (Звенигород, Москва

1992 г.) и$на международной конференции " Проблемы космического и подспутникового мониторинга территории Казахстана " (Алма-Ата,

1993 г.).

По материалам диссертации опубликовано ? работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы.

СОДЕРЕАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируйся цели работы, излагаются основные защищаемые положения и краткое содержание работы.

В первой главе даются общие характеристики средств автоматизированного геоинформационного мониторинга. Анализируются дистанционные радиофизические методы, которые в настоящее время используются для оценки параметров функционирования природных систем, в частности, водных систем.

Изучение земных ландиафтов, водных систем стало наиболее эффективным с применением летательных аппаратов, оснащенных приборами дистанционного зондирования, способных осуществлять измерения отраженных сигналов и регистрировать собственное излучение.

Среди наиболее актуальных вопросов геоинформационного мониторинга здесь выделяются гидрологические исследования, включающие формирование гидрологических рядов, даннных дру-

гих характеристик земной поверхности и акватории. Организация комплексного и тематического мониторинга требует привлечения разнородных технических средств, сопряаение которых с информационными сетями и базами данных моает репить многие гидроэкологические задачи. При этом спектр этих средств должен охватывать наземные и дистанционные уровни сбора данных.

В главе раскрывается специфика и особенности геоинформационного мониторинга как объекта автоматизации. Выделены основные функции геоинформационного мониторинга:

- сбор и экспресс-анализ данных;

- первичная обработка данных с приведением этих данных к некоторым стандартным формам;

- компьютерное картирование;

- тематическая (вторичная) обработка данных, включающая различные математические и статистические методы для определения типовых характеристик исследуемого обьекта;

- прогноз состояния изучаемого обьекта на основе интерпретации полученной информации с использованием развитых математических методов.

Исходя из такого функционального разбиения геоинформационного мониторинга сформирована обобщенная схема АГИМС. Показано, что автоматизация геоинформационного мониторинга на всех эта- щ

пах представляет исследователям возмоаности значительно сокращать сроки проведения исследований и повышать эффективность геоинформационного мониторинга.

В соответствии с разработанной в диссертации обощенной схемы Функионально полная АГИМС долана включать следующие части: автоматизированный комплекс сбора информации, подсистему первичной обработки информации, подсистему тематической обработки информации, подсистему прогнозирования состояния изучаемого обьекта и автоматизированный банк данных.

Значительное место уделено вопросам проектирования АГИМС. Разработку программного обеспечения автоматизированного банка

данных (АБД) следует осуществлять с использованием стандартной системы управления базой данных С СУБД).

В конце главы проанализированы возможности применения радиофизических методов с целью определения надеаности водохозяйственных систем. В частности, показана возможность обнаружения подземной утечки воды из сооружений гидрохозяймственного назначения" на основе СВЧ-радиометрических измерений.

Вторая глава посвящена проблемам комплексного определения на-девности геоинформационных мониторинговых систем водохозяйственного назначения. При этом показана вавная роль имитационного моделирования водохозяйственных систем. Для этой цели необходимо разрабатывать модели искусственных гидрологических рядов со статистическими характеристиками, близкими к исходным. Этот подход дает возможность адекватного воспроизведения основных стохастических закономерностей, как годового стока и оросительного водопотребления, так и их внутригодового распределения.

Согласно современным концепциям, в теории регулирования стока используются композиционные методы и методы статистических проверок (метод Монте-Карло).

Применение композиционных методов ограничено из-за значительного ослокнения математического аппарата для случаев рассмотрения более двух водохранилищ. При слоеных водохозяйственных системах практически единственной возможностью регулирования стока является метод Монте-Карло. При этом ряды стока и водопотребления моделируются на основе их статистических параметров, функции распределения, математического аппарата нормальной корреляции и иироком использовании компьютерных методов. В результате статистической обработки реализации трансформированного стока получаются кривые обеспеченности сбросовых водных масс, наполнения водохранилища, выпущенных водных масс и т.д..

Для описания стока и орасительного водопотребления, выбраны три функции распределения: трехпараметрическое гамма-распределение, лог-нормальное распределение и распределение Джонсона.

Исходя из этого, при разработке компьютерных имитационных моделей основанных на методе Монте-Карло можно опираться на три вышеуказанных распределения.

Существенным при моделировании гидрологических рядов является генерирование рядов во внутригодовом разрезе. В начале генерированные годовые ряды разделяются на периоды и каждый из них охватывает значение для каждого пункта. Для каждого периода отдельно проводится статистический анализ на основе вычисленных средних значений И, коэффициента вариации Су и коэффициента асимметрии Сд .

Важное место программного пакета составляет стохастический анализ моделированных внутригодовых рядов для каждого пункта.

Далее определяется надежность комплексной водохозяйственной системы, где доминирующим является надежность водоисточника, т.к. от его надежности зависит надежность всех элементов орасительной системы.

В качестве водоисточника чаще всего используется поверхностный сток, характер которого определяется составлением гидрологических рядов. Определены статистические характеристики гидрологических рядов. Обычно гидрологическим рядам соответствуют несимметрические кривые распределения. Чаще всего используется.распределение Пирсона 3-ого рода.

Параметры распределения стока и его годового значения не являются достаточными для определения надежности, особенно при неравномерном внутригодовом распределении.

Хотя на надежность влияют многочисленные и разнообразные случайные факторы, она все не имеет стохастический характер. Это дает основание применить аппарат теории вероятностей и математической статистики при математическом определении всех составляющих факторов надежности, к которым относятся работоспособность, безотказность, интесивность отказов, длговечность и ремонтопригодность систем.

На основе статистических данных вероятность безотказной работы

определяется следующий образом:

где Pit) статистическая оценка вероятности безотказной работы, N -количество обьектов в начале эксперимента, n(t) -количество обьектов, отказавших за время t. В случае большой величины N статистическая оценка практически совпадает с вероятностью безотказной работы.

В общем случае наденность водохозяйственных систем определяется как результат совместного действия постепенных и внезапных отказов. Общая вероятность вычисляется так

В

где Р„Ш -безотказность на Фоне постепенных отказов; Рйси -безотказность на фоне внезапных отказов.

Одним из центральных мест диссертационной работы является раздел определения надеаности на совокупности факторов с различными плотностями распределения'.

Факторы, содействующие безотказной работе системы группируются в совокупность ft, а Факторы, содействующие отказу системы - в группу В с соответствующими плотностями распределений fЛ С А) и ffl(B). Тогда надевность можно определить как

н=Ги>)[

а

Когда ft и В зависимы, то надеяность —¡i

где f(ñ,B) -плотность совместного распределения случайных величин А и В.

Для различных плотностей распределения двух случайных величин А и В в работе [Статьев Н., 1986 г.] получены значения надеаности.

В диссертационной работе впервые получены значения надежности для трех случайных величин имеющих разные плотности распределения (при разных сочетаниях следующих распределений: нормальном, экспоненциальном, Вейбула, лог-нормальном, Гамма-распределении, распределении Лапласа, распределении Парето и др.).

Далее в гл.2 рассматриваются вопросы применения теории потенциальной эффективности при оценке надежности мониторинговых систем водохозяйственного назначения. При этом считается, что оцениваемая система состоит из п элементов (блоков), каждый из которых в свою очередь имеет по п^ (1 = 1,п) подэлемента.

Рассматривается множество всех возможных состояний (Ыс.,,сд.....са) оцениваемой системы й, характеризующих состояния нормального функционирования и отказа ее элементов.

Разбивается множество на две части Е и Еа= - Е. Считается, что система нормально функционирует в данный момент, если (1 £г Е и отказывает, если (16 Е0.

Получены оценки нормального функционирования системы для следующих случаев:

1. Система (элемент) нормально функционирует тогда и только тогда, когда нормально Функционируют все ее элементы (подэле-менты). Зтому случаю соответствует их последовательное соединение.

2. Система (элемент) отказывает тогда и только тогда, когда отказывают все элементы (подэлементы). Зтому соответствует их параллельное соединение.

3. Подэлементы системы соединены паралельно, а элементы последовательно.

4. Подэлементы соединены последовательно,а элементы параллельно.

5. Система нормально функционирует тогда и только тогда,когда . нормально функционируют более чем ш элементов. Другими словами,

в множество Е входят все состояния (1=(с^ , ...,сл) системы й, для

п.

которых

В третьей главе дается общая характеристика данных геоинформационного мониторинга. При этом отмечается роль имитационного моделирования как ваннейиего средства объединения формальных и неформальных методов анализа экспериментальной информации.

Система сбора и обработки информации в геоинформационном мониторинге с позиции общего системного анализа представляет собой струк туру, объединяющую ЭВМ различных классов, банки данных и развитое проблемно-ориентированное математическое обеспечение. Создание такой системы требует разработки формализованного описания потоков информации, а также развития единой методики ее обработки,

В системе сбора и обработки информации одно из центральных мест занимает создание автоматизированного банка данных (АБД) удовлетворяющего следующим требованиям:

- рассчитан на организации хранения большого и непрерывно увеличивающегося обьема данных;

- рассчитан на интегрированное использование, а не на одно приложение;

- должен содержать сведения о структуре записи данных на носителях;

- должны быть средства, обеспечивающие интерактивный режим работы с ним.

Показано, что при проектировании АБД целесообразно применять концепции баз данных. Разработку программного обеспечения АБД следует осуществлять с использованием стандартной системы управления базой данных (СУБД).

Далее проведен сравнительный анализ наиболее употребительных систем СУБД и даны предложения по их использованию.

Показано, что АГИМС водохозяйсвенного назначения наиболее подходящим является СУБД Fox Pro.

* Четвертая глава посвящена вопросам применения СУБД Fox Pro для организации архива данных водохозяйственного назначения, алгоритмам и компьютерным программам статистической обработки гидрологических рядов для конкретного региона.

Приводится конкретная информационная структура подсистем первичной и тематической обработки гидрологических рядов.

Далее для конкретного региона на основе многолетних наблюдений создана информационная база данных гидрологических рядов, которые получены по гидрометрическим наблюдениям в определенных пунктах водотока.

Получены статистические характеристики этих рядов, определены экспериментальные функции распределения. Проведен подробный анализ этих результатов с учетом параметров надеаности, В заклпчении сформулированы основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Предлоаена обобщенная схема и структура автоматизированной геоинформационной мониторинговой системы (АГИМС) водохозяйственного назначения, ядром которой является атоматизированный банк данных.

2. Показана принципиальная возмоаность использования методов имитационного моделирования для оценки надеаности мониторинговых систем водохозяйственного назначения.

3. Разработана методика определения надеаности на совокупности факторов с различными плотностями распределения. Впервые получены значения надеаности для трех случайши величин йыевщих разные плотности распределения.

4. Получены оценки надеаности АГИМС на основе теории потенциальной эффективности. "

5. Осуществлен синтез архива данных водохозяйственного назначения (гидрологических рядов) на базе СУБД Fox Pro.

5. Получены результаты тематической обработки гидрологических рядов, определены экспериментальные функции распределения этих рядов, являющиеся основой для определения надеаности водохозяйственных систем.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Агаджанян М.Г. Об одном подходе оценки надежности геоинформационных мониторинговых систем. Материалы международного симпозиума "Инженерная экология - 91". Москва. 1991 г. с.298-302.

2. йгадяанян М.Г., Мкртчян Ф.Й., Статьев Н. Стохастические методы оценки надежности водохозяйственных систем. Материалы международного симпозиума "Инженерная экология - 91". Москва, 1991 г.

с. 243-248.

3. Агаджанян М.Г. Обобщенная оценка надежности геоинформационных мониторинговых систем (ГИМС). Материалы международного симпозиума "Проблемы экоинформатики". Москва, 1992.

4. Агаджанян М.Г., Мкртчян Ф.А., Статьев Н. Некоторые проблемы определения параметров водохозяйственных систем. Материалы международного симпозиума "Проблемы экоинформатики". Москва, 1932 г.

5>. Агадианян М.Г., Мкртчян Ф.А. Оценивание надежности геоинформационных мониторинговых систем по теории потенциальной эффективности ХИШ Научная сессия, посвященная дни радио. Тезисы докладов. Москва, 1992 г., с.52-53.

6. Агадванян М.Г., Мкртчян Ф.А. Надежность автоматизированных гео-инфориационных мониторинговых систем. Научно-техническая конференция "Биомедицинское и экологическое приборостроение: Наука, проыыыленность, рынок". Тезисы докладов. Рязань, 1992 г., с.55.

?. йгадяанян Н.Г., Мкртчян Ф.Й., Статьев Н. Информационная база данных для оценки надежности автоматизированных геоинформационных мониторинговых систем водохозяйственного назначения. Материалы мегдународной конференции "Проблемы космического и подспутникового мониторинга территорий Казахстана". Алма-Ата, 1993 г.

Подписано в печать 04.01.1994 г. Формат 60x84 1/16.

Объем 0,93 усл.п.л. Тираж 100 экз. Ротапринт ИРЭ РАН. Зак.З-94.