Компьютерные сети и системы/2. Кибернетика и системная инженерия

Магистр Джумига М.Е.

Херсонский государственный технический университет, Украина

Исследование беспроводных технологий компьютерных систем для работы с гидрометеорологическими системами

Гидрометеорология является междисциплинарной наукой, образованной на стыке метеорологии и гидрологии, изучающей процессы, относящиеся как к атмосферному, так и к гидрологическому режиму Земли. Объектом изучения гидрометеорологии является гидрометеорологическая система, которая относится к классу больших систем – по географическим размерам и суперсложных систем – по онтологическому и гносеологическому признаку. Как и все естественные системы является динамической системой – система, состояние которой изменяется во времени под воздействием определённых причинно-следственных связей.

Результат оценки состояния гидрометеорологической системы Земли обычно представляется в виде агрегированных состояний. Например, в виде оценок погоды и климата.

В гидрометеорологической системе климат является статистической характеристикой состояния атмосферы, построенной на результатах многолетних наблюдений и являющихся математическим ожиданием (средним значением) многомерного значения состояния системы, как минимум для промежутка времени в один год. Погода – текущая реализация состояния атмосферы, являющейся составной частью гидрометеорологической системы Земли, как системы с неопределённостью.

Оценка состояния гидрометеорологической системы представляется в виде результатов наблюдения метеорологических величин и поискового прогноза – прогноз, содержанием которого является определение возможных состояний объекта прогноза в будущем. В отличие от поискового прогноза существует нормативный прогноз – прогноз, содержанием которого является определение путей и сроков достижения возможных состояний объекта прогнозирования в будущем, принимаемых в качестве цели.

С системных позиций изучение гидрометеорологической системы требует привлечение многих моделей, теорий, научных дисциплин, компьютерного оборудования, организации междисциплинарных исследований и реализации установки на глубокий учёт неопределённостей вероятностного и не вероятностного характера. Неопределённость связана как с упрощениями и несовершенством моделей в теоретических построениях при изучении гидрометеорологических объектов, систем и процессов, так и с наблюдательной сетью, обеспечивающей поступление гидрометеорологических данных для определения состояния системы.

Возникшие в последнее время новые сети связи, инновации в области системы прогнозирования и современные технологии (Интернет, беспроводная связь, прогнозирование на основе цифровых баз данных, рабочие станции следующего поколения, системы прогнозирования текущей погоды) позволяют повысить качество метеорологического обслуживания населения (МОН). Эти инновации позволяют национальным гидрометеорологическим службам (НГМС) предоставлять гидрометеорологические прогнозы и предупреждения в разнообразных форматах (графических, цифровых) помимо традиционной текстовой продукции. Кроме того, эти инновации могут расширить возможности НГМС в области предоставления обслуживания. Прогнозирование на основе баз цифровых данных и рабочие станции нового поколения, наряду с новыми и появляющимися системами информационных технологий (ИТ) и их применениями, содействуют распространению МОН и предоставлению обслуживания.

Состав функциональных устройств информационных систем (ИС), образующих информационный тракт системы для передачи гидрометеорологических данных, обеспечивает функции сбора, предварительной обработки, представления, передачи и обработки информации. Блок-схема ИС представлена на рис. 1.

Рис 1 - Система для передачи гидрометеорологических данных

С момента возникновения Интернета НГМС использовали его, в той или иной степени. Хотя почти все НГМС имеют свою Web-страницу в Интернете, распространение информации и предоставление обслуживания разных НГМС сильно отличаются.

Интернет позволяет НГМС представлять гидрометеорологические прогнозы, предупреждения и климатическую информацию заказчикам, партнерам и населению в графическом и цифровом форматах, что в противном случае было бы невозможно. Он также позволяет расширить диапазон и увеличить объем обслуживания. Например, Министерство охраны окружающей среды Канады разработало Web- сайт в Интернете исключительно для средств массовой информации, благодаря которому данные могут удовлетворять их специфическим потребностям. В другом примере НМС осуществила инициативу для авиации под названием «Совместный продукт прогнозов конвективных явлений» в сотрудничестве с авиационным сообществом. Эта инициатива основана на оценке. которая показала, что связанные с погодой задержки рейсов из-за конвективной активности приносят наибольший ущерб Гражданской авиации США.

Бурное развитие Интернета, наряду с новыми компьютерными и телекоммуникационными технологиями, привело к распространению систем ИТ и их более широкому применению. Эволюция в области интеграции распространения МОН и предоставления обслуживания непосредственно связана с информационными системами (рис 2), технологии беспроводной связи, географические информационные системы (ГИС), Глобальная система определения местоположения (ГСОМ), сети мобильной связи). Эти инновации позволяют НГМС предоставлять прогнозы погоды и предупреждения в разнообразных новых форматах (цифровой, ZML, САР) для удовлетворения потребностей заказчиков в более точной информации об окружающей среде. Кроме того, эти новые технологии дают возможность дальнейшей интеграции функций распространения МОН и предоставления обслуживания. Другие развивающиеся возможности (PodCasts/VodCasts) также позволяют расширить предоставление обслуживания в рамках МОН.

Не обошли стороной и беспроводные технологии в гидрометеорологии. Беспроводные метеостанции (WWSs - Wireless-Weather-Stations) моuen измерять количество осадков, температуры и других климатических данных в отдаленных или горных районах и не требуют регулярного технического обслуживания квалифицированного персонала. Данные, собранные с помощью датчиков передается с помощью радиоволн или телефонных сетей (ТСОП) в компьютер или сервер для хранения и анализа. Есть множество марок и моделей WWSs. Например, WeatherHawk 916 имеет отдельные датчики для измерения ветра (его скорости и направления), температуры воздуха, относительной влажности, атмосферного давления, солнечного излучения, и осадков. Программное обеспечение (например, Virtual Weather Station) реализовывает легкий интерфейс между WWSs и ПК и обеспечивает прямую трансляцию данных о погоде в режиме реального времени. Большинство WWMs может передавать информацию по радиоволнам на расстоянии более одной миле, хотя некоторые компании говорят, что эту технологию можно усовершенствовать для передачи данных на 7 или 8 миль с большей антенной или за счет использования бустера станций. Некоторые WWMs могут представлять информацию с помощью мобильного интернета или веб – приложений.

В будущем технический прогресс для целей МОН будет особенно заметен в области радиолокационного дистанционного зондирования. Радарные системы следующего поколения (радар с двойной поляризацией, радар с фазированной антенной решеткой) расширяют возможности обнаружения неблагоприятных метеорологических явлений, повышают качество оценок осадков и метеорологических предупреждений в зимний период и увеличивают заблаговременность прогнозирования опасных метеорологических явлений, включая торнадо, сильные осадки и бурные паводки.

Радары с двойной поляризацией передают импульсы радиоволн, которые имеют как горизонтальное, так и вертикальное направление. Дополнительная информация от вертикальных импульсов значительно повысит качество прогнозов и предупреждений в отношении самых разных опасных явлений погоды, включая сильные осадки и опасные явления погоды в зимний период. В отличие от ныне действующих радаров WSR-88D (которые передают один пучок энергии за раз, принимают отраженную энергию, затем механически изменяется ориентация антенны и обследуется еще одна небольшая часть атмосферы) радиолокационная система с фазированной антенной решеткой использует множество излучаемых одновременно разнонаправленных пучков при неизменной ориентации антенны. Это позволяет проводить полное сканирование всей атмосферы примерно за 30 сек., по сравнению с 6-7 мин. у радара WSR-88D. Кроме того, эта радиолокационная система обладает возможностями радара с двойной поляризацией.

Преимущества радаров с фазированной антенной решеткой для целей МОН обширны и значительны. Они позволят НГМС выпускать более качественные и своевременные предупреждения об опасных метеорологических явлениях, включая возможность выпуска графически отформатированных предупреждений о торнадо с заблаговременностью до 30 мин. и более, и повысить заблаговременность предупреждений о бурных паводках и прогнозов обледенения для авиации.

Заключение

Появление новых инновационных и технологически усовершенствованных систем прогнозирования и сетей связи дают НГМС потрясающие возможности повысить качество обслуживания населения и успешно объединить распространение и предоставление обслуживания. Распространение и предоставление обслуживания для целей МОН будет в значительной мере зависеть от развития и применения этих систем. Прогнозирование на основе баз цифровых данных дает одну из наиболее потрясающих возможностей успешного объединения распространения и предоставления прогнозов заказчикам НГМС, партнерам и населению. Признавая тот факт, что цифровое прогнозирование находится на стадии формирования, а новые телекоммуникационные технологии еще только появляются, НГМС тем не менее следует идти в ногу со временем и учитывать появление этого развивающегося метода прогнозирования.

Прогностические рабочие станции следующего поколения, такие как WWSs, учитывают перспективность новых методов, которые позволят усваивать огромные объемы данных наблюдений и выходной продукции, включая новые методы визуализации и обработки информации. Они помогут синоптикам анализировать и интерпретировать данные. Эти рабочие станции окажут большую помощь в подготовке прогнозов и принятии решений относительно гидрометеорологических явлений со значительными последствиями. Кроме того, эти рабочие станции, вероятно, будут развиваться и включать усовершенствованные системы прогнозирования текущей погоды, которые будут объединять данные в реальном времени и выходные данные, что позволит предоставлять прогностическую информацию с заблаговременностью 6 часов, при этом они помогут быстро получать и распространять прогностическую продукцию.

Системы информационных технологий и их применение, включая XML, CAP и RSS, позволят НГМС использовать современнейшие телекоммуникационные сети, включая широкополосные, беспроводные и мобильные системы, для повышения качества метеорологического обслуживания населения. В сочетании с возможностями ГИС и ГСОМ, НГМС могут удовлетворить потребности заказчиков и партнеров в точных, детальных и предназначенных для конкретной местности прогнозах и предупреждениях.

В совокупности эти усилия позволят НГМС усовершенствовать инновационную и эффективную программу МОН, которая содействует технологическим достижениям для создания единого процесса распространения, обслуживания и предоставления прогнозов и предупреждений и поддержки решений в отношении опасных явлений, который наилучшим образом будет удовлетворять потребности пользователей.

Литература:

1. Инновации и новые технологии, направленные на улучшение метеорологического обслуживания http://meteo.gov.ua/ua/33075/zmi/articles/read/8

2. Методологические основы прогнозирования http://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=705528

3. Анализ современных беспроводных технологий http://www.studfiles.ru/preview/6367221/

4. Александр Гусев: Современные проблемы ИТ в гидрометеорологии не в недостатке информации, а в умении быстро ее обрабатывать http://doc.cnews.ru/reviews/free/gov2006/int/meteorf/

5. Системы сбора гидрометеорологических данных http://studopedia.ru/11_163910_sistemi-sbora-gidrometeorologicheskih-dannih.html

6. Гидрометеорологические компьютерные системы https://refdb.ru/look/2788921-p3.html

7. Берлянт А.М. Геоинформационное картографирование. М.: МГУ, РАЕН, 1997

8. Вязилов Е.Д. Информационные ресурсы о состоянии природной среды. М.: Эдиториал УРСС, 2001, 309 с.

9. Кошкаров А.В., Тикунов B.C. Геоинформатика. - М.: «Картгео-центр», 1993.

10. Майкл Н., Де Мерс Геоинформационные системы. Основы. М.: Дата+, 1999.

11. Образовательная программа по Гидрометеорологии https://refdb.ru/look/2788921-pall.html