|
Чесноков Віктор ІгоровичФакультет: Комп'ютерних наук та технологійКафедра: Автоматизованих систем управління Специальнiсть: Iнформаційні управляючі системи та технології Тема магістерської роботи: Розробка комп'ютерної системи планування гідрофізичного експерименту Науковий керівник: доцент Світлична Вікторія Антонівна |
Реферат
на тему магістерської роботи
ЗМІСТ
• 2. МЕТА І ЗАВДАННЯ РОЗРОБКИ І ДОСЛІДЖЕННЯ
• 4. ПЕРЕГЛЯД ДОСЛІДЖЕНЬ І РОЗРОБОК ПО ТЕМІ
• 5. ПРОБЛЕМИ, НЕВИРІШЕНИМ ПИТАННЯ ТА ШЛЯХИ ВИРІШЕННЯ
• 6. РОЗРОБКА ОБ'ЄКТНОI МОДЕЛІ
Основним завданням океанологічних досліджень є вивчення просторово-часової мінливості сукупності параметрів Світового океану. Мінливість полів океанографічних характеристик у просторі вивчається з різною зондувальною апаратурою, яка встановлюється на надводних і підводних кораблях, підводних апаратах. Дистанційні вимірювальні прилади, що використовують різні діапазони електромагнітного спектру, встановлюються на літаках і штучних супутниках Землі
Для визначення стану і структури водного середовища необхідно знати значення її параметрів. Водне середовище характеризують такі величини: температура, тиск, солоність, щільність, електропровідність, швидкість.
Основними вимірюваними параметрами є швидкість, температура і електропровідність води. Щільність і солоність можуть бути отримані аналітичним шляхом. Їх зміни в просторі і в часі породжують багато фізико-географічних відмінностей між окремими частинами океану. Ці варіації породжують шарувату структуру водного середовища.
За ступенем зміни параметрів водного середовища розрізняють:
Ламінарна течія — течія, при якій рідина рухається шарами без перемішування та пульсацій (тобто без швидких змін швидкості і тиску).
Турбулентні течії — хаотичні невпорядковані пульсації океанологічних характеристик (швидкості, тиску, щільності, температури і солоності води) щодо деякого їх середнього значення, обумовлені вихровими рухами води, різними за тривалістю і масштабами. Вихори виникають в результаті динамічної нестійкості основного енергонесущего руху (хвиль, течії, конвекції), потім руйнуються, передаючи енергію більш дрібним вихорам, і т. д. аж до молекулярного рівня. Горизонтальному розподілу турбулентності також властиво чергування локальних ділянок зі слабкою і з інтенсивною турбулентністю, обумовленої перекиданням поверхневих і внутрішніх хвиль. Великомасштабна турбулентність в океані у відомому сенсі подібна віхреобразним рухам в атмосфері типу циклонів і антициклонів. Вона проявляється у вигляді майже горизонтальних вихорів.
Для подальшого вивчення та освоєння океану, людині необхідно постійно отримувати дані про його структуру та стан, щоб виявити наявні закономірності. Однак вимірювання параметрів , що характеризують стан водного середовища, досить важка і дорога операція. Тому однією з основних завдань є побудова найбільш ефективних алгоритмів і методів для вимірювання параметрів водного середовища. Випробування ефективності методів найбільш зручно і вигідно проводити на моделі тієї області, у якій проходять вимірювання.
Для вимірювання параметрів водного середовища передбачається використовувати зондуючи системи, що встановлюються на суднах. Вони складаються з:
- набору вимірювальних датчиків;
- двигуна, що використовується для занурення системи на різну глибину;
- АЦП;
- контролер,що керуює складовими частинами системи ;
- БД для зберігання отриманих результатів.
Використання подібної зондувальної системи є досить дорогою операцією, тому важливим завданням є добірка оптимальних конфігурацій системи для даних умов.
Метою моєї роботи є створення комп'ютерної системи, що моделює структуру вказаного району, з існуючих даних, і дозволяє вирішити наступні завдання:
1) Підбір оптимальних конфігурацій вимірювального пристрою
2) Пошук оптимального шляху корабля.
У вигляді вимірюваного параметра обрана — температура.
Параметри, які використовуються для конфігурації вимірювального пристрою:
1) Кількість датчиків;
2) Відстань між датчиками;
3) Швидкість і дискретність двигуна;
4) Відстань між точками вимірювання.
Основні завдання, які необхідно вирішити для реалізації даної підсистеми:
1) Розробка моделі зміни параметрів водного середовища
2) Розробка бази даних для зберігання результатів вимірювань, необхідних для планування експериментів.
3) Розробка об'єктної моделі вимірювання параметрів водного середовища.
4) Реалізація алгоритмів побудови оптимального маршруту вимірювального судна, а також підбору параметрів вимірювальної системи.
Існуючі системи планування гідрофізичного експерименту орієнтовані на вимірювання у вертикальному напрямку.
Система, що розробляється моделює вимірювання в горизонтальній площині. На відміну від вертикальної структури океану, де ламінарні шари змінюють турбулентні, межі даних шарів в горизонтальній площині мають невизначену форму, що ускладнює вимірювання. Тому оптимізація вимірів по горизонталі є більш складним завданням.
З огляду на багатопараметричний і мінливий характер фізичних процесів, що протікають в океані, сучасний гідрофізичний експеримент вимагає, як правило, комплексного підходу. В даний час на озброєнні океанологів знаходиться великий арсенал різного роду виконання зондуючих, буксируються автономних багатоканальних вимірювальних гідрофізичних систем. Залежно від параметрів, що вимірюються розрізняють: гідрофізичні, гідрохімічні, гідробіологічні та інші зонди. За способами застосування системи діляться на вертикально-зондуючих, горизонтально-зондуюче і розміщуються на підводних апаратах, буях. Однак у більшості випадків вони неодмінно оснащуються каналами вимірювання основних гідрофізичних параметрів - температури, питомої або відносною електричної провідності і гідростатичного тиску (глибини).
Останнім часом, у зв'язку з досягненнями в областях тонкоплівкової мікроконтактной, напівпровідникової технологій та розробкою відповідних вимірювальних перетворювачі, системи починають оснащуватися каналами вимірювання не тільки середніх значень параметрів, а й їх пульсаційних значень. Таким чином, сучасні гідрофізичні системи здатні реєструвати розподіл середніх і пульсаційних значень температур, питомої електричної провідності, за якими розраховуються солоність, щільність, швидкість звуку у воді, у просторових масштабах тонкої структури і мікроструктури.
Розглянемо ряд систем, що відображають сучасний стан розвитку зондової океанографічної техніки. Вимірювання температури розподілів, солоності і гідростатичного тиску проводяться за допомогою СТД-зондів, буйкові і дрейфуючій станцій. На підставі отриманих даних будуються гідрофізичні моделі
1) NLOM —Navy Layered Ocean model,з роздільною здатністю близько 1 \ 16 градуси призначена для оперативного аналізу та прогнозу основних гідрофізичних полів океану з роздільною здатністю синоптичної просторово-часового масштабу.2) NCOM —Navy Coastal Ocean model запущена в оперативний режим наприкінці 2002р., призначена для більш детального опису прибережних, мілководних і слабостратіфіцірованних районів.
3) MODASNRLPOM —система з вельми розвиненим математичним і програмним забезпеченням, що дозволяє швидко, протягом декількох годин перенастроювати систему на будь-який заданий морський регіон з урахуванням специфічної термогідродінамікі розглянутого району. Концепція цієї системи - за кілька годин виконати аналіз і дати прогноз на 2 дні для різних районів Світового океану незалежно від того чи є в районі спостереження in-situ або інші спостереження безпосередньо в цікавому районі. Концепція MODAS-NRLPOM виразно спрямована на вирішення завдань військового флоту в першу чергу.
Описані системи, як і ряд подібних їм, моделюють стан структури водного середовища на підставі наявних емпіричних даних. Вони аналізують ці дані, надаю різну необхідну графічну та аналітичну інформацію. Як вказувалося вище, дані виходять зі стаціонарних і дрейфуючій буйкові станцій, а також в результаті спеціальних дослідницьких експедицій з буксированим зондуюче комплексами. Останній варіант є як найбільш ефективним, так і найбільш дорогим. Головною проблемою при отриманні даних є оптимальне використання зондуючих систем під час експедиції. Рішенням даної проблеми може бути вибір оптимальної конфігурації вимірювальної системи, а також маршруту дослідного судна на підставі наявних даних. Для цього необхідно побудувати модель структури водного середовища в районі проведення досліджень і вибрати для даної моделі найбільш ефективний сценарій дослідження.
Основним завданням є побудова найбільш оптимального шляху вимірювальної системи за вартістю. Для пошуку такого маршрута нам необхідно побудувати модель вимірювальної системи та її взаємодії з водним середовищем. Модель водного середовища представлена поліномом отриманим за допомогою чисельного аналізу. Вона будується на основі відомих даних в певних точках. Кожне вимірювання характеризується часом, тому апроксимуючої поліном враховує цю характеристику. За допомогою отриманого полінома вимірювальна система може отримати значення обраного параметра в тих точках в яких не було реальних даних. Моделюючи дослідження при різних конфігураціях вимірювальної системи і різних маршрутах прямування вимірювального судна, ми одержуємо набори виміряних даних, порівнюючи які можемо визначити найбільш оптимальні маршрут судна та конфігурації системи
Малюнок 1 — Модель вимірювальної системи
Опишемо компоненти моделі:1) Датчик — характеризується інерційністю і типом вимірюваного параметру. Головною функцією є отримання поточного значення. Для цього датчик викликає функцію Розрахувати () у класу Модель середовища.
2) Панель датчиків — містить певну кількість датчиків. Кількість і відстань між датчиками є параметрами оптимізації системи. У ході моделювання вимірювань панель по черзі опитує всі датчики, або відповідають за вимірюваний параметр .
3) Двигун — головним властивістю є діскретність кроку, від чого залежить щільність вимірів. З його допомогою здійснюється занурення на задану глибину.
4) ОЗП — запам'ятовуючий пристрій, який зберігає дані отримані від датчиків до збереження їх у БД. Пов'язано з АЦП і отримує від нього дискретні значення параметра.
5) АЦП — аналаго - цифровий перетворювач. Для зменшення тимчасової затримки між датчиками в ході одного циклу вимірювань дані записує в ОЗП. Звідки в подальшому вони потрапляють в БД.
6) Контролер —керує діями вимірювальної системи. Дії системи можуть бути представлені наступною діаграмою.
(анімация: об'єм — 145 Кб; розмір — 744x566; кількість кадрів — 4; затримка між кадрами — 2с; затримка між першим та останнім кадрами — 1.8 с; кількість циклів повторення — 4)
7) Модель середовища — модель водного середовища головним завданням якої є повернення значення параметра водного середовища в заданій точці. Модель будується на основі існуючих даних. Для точок в яких значення параметрів невідомо застосовується апроксимація методом чотиривимірного чисельного аналізу. Опишемо принцип даного методу.Існує дві принципово різні схеми чотиривимірного аналізу:
- Дискретна, що передбачає побудову діагностичних полів лише для синоптичних термінів спостережень. У цьому відношенні вона не відрізняється від існуючих методик об'єктивного аналізу. Відмінність же полягає в тому, що при побудові кожного діагностичного поля, поряд з даними спостережень, що відносяться до розглянутого терміну, використовується також асіноптіческая інформація, що відноситься до інших, більш ранніх моментів часу.
- Найбільш логічною є інша безперервна схема чотиривимірного аналізу, в рамках якої кожне спостережуване значення (синоптичне або асіноптичне) засвоюється відповідно до того часу, до якого це спостереження належить. Це засвоєння полягає у зміні результатів чисельного прогнозу для моменту часу, відповідного спостереженню , що надійшло. Інакше кажучи, кожен результат спостереження вводиться в чисельну прогностичну модель, яка діє безперервно.
Розглянемо, наприклад, один з підходів рішення задачі чотиривимірного аналізу - поліноміальний. Метод поліноміальної інтерполяції узагальнюється наступним чином. При поданні поля скалярного аргументу, наприклад температури, геопотенціала, тиску та інших, у вигляді якого-небудь полінома час t розглядається в якості однієї з незалежних змінних. Так, при використанні полінома другого порядку на площині приймається, що
Коефіцієнти aj (j = 0,1,2 ,..., 9), як і раніше, знаходяться з умови мінімуму
де індекс i показує положення точки на площині, а індекс s — момент часу, тобто підсумовування поширюється на всі точки на площині і на всі моменти часу. Значення ваговій функції pis може бути вибрано з яких-небудь додаткових міркувань (у простому випадку pis = 1). Далі, згідно з методом найменших квадратів, складається нормальна система рівнянь для визначення коефіцієнтів aj (j = 0, 1, 2, ..., 9).
8) БД — база даних, в якій зберігаються дані попередніх та поточного вимірювання. На основі попередніх даних відбувається початкова ініціалізація системи
Малюнок 3 — схема БД для зберігання отриманих при вимірюваннях даних
Результати роботи системи дозволять будувати найбільш оптимальні маршрути вимірювань, а також вибирати кращі параметри вимірювальної системи. Це дасть можливість охоплювати великі території під час експедиції, а також здобувати більш якісні дані.
На даному етапі була розроблена об'єктна модель системи вимірювання гідрофізичних параметрів, а також база даних для збереження результатів вимірів. На наступному етапі необхідно реалізувати вибір оптимального маршруту вимірювальної системи в заданій області.
1. Семенов Е.В. Состояние и развитие гидродинамических моделей океана в интересах ВМФ. Москва, 2008
2. Аргучинцева A.A. Методы статистической обработки и анализа гидрофизических наблюдений. Иркутск, 2007
3. Зори А.А.,Коренев В.Д., Хламов М.Г. Методы, средства, системы измерения и контроля параметров водных сред. Донецк, 2000
4. Леоненков А.В. Нечеткое моделирование Matlab и fuzzyTECH , Петербург 2005 — 736 с
6. American College of hiberbaric medicine.
[Электронный ресурс] — Режим доступа: http://www.hyperbaricmedicine.org
5. Портал океанологии
[Электронный ресурс] — Режим доступа: http://www.oceanographers.ru
6. Элементы нечеткой логики.
[Электронный ресурс] — Режим доступа: http://www.fuzzyfly.chat.ru/
7. Математические модели гидрофизики водоемов.
[Электронный ресурс] — Режим доступа: http://www.mathnet.ru/php/getFT.phtml?jrnid=mm&paperid=1372&what=fullt&option_lang=rus
© 2010 ДонНТУ
Чесноков Віктор Ігорович