Проект 2
2.2 Проект 2/2.1.1.2 Усовершенствовать методы и технологии производства наблюдений и доведения до центров системы данных за состоянием и загрязнением природной среды, живыми и неживыми ресурсами Мирового океана и прибрежных территорий
(ГОИН, ААНИИ, ВНИИГМИ-МЦД, ГГИ, ГГО, ДВНИГМИ, ИГКЭ, НИЦ «Планета», НПО «Тайфун», ЦКБ ГМП Росгидромета, ИКИ РАН, ИВМиМГ СО РАН, ЦНИИ “Гидроприбор” Минэкономразвития России)
2.2.1 Ожидаемый результат по проекту
Решения по развитию производства наблюдений и доведения данных до Центров ЕСИМО. База сведений о состоянии морских наблюдательных сетей и приборном парке России в СРБД ЕСИМО. Комплект конструкторской документации (КД) на образец комплекса «Береговая станция/пост» и результаты его испытания. Результаты стендовых испытаний комплекса НИС «морская метеорология и гидрология». КД на изготовление образца ледовой метеостанции для Арктики. Технико-экономическое обоснование на изготовление ныряющего дрифтера типа АРГО и организацию приборного/метрологического Центра ЕСИМО.
2.2.2 Содержание и характеристика полученных результатов
В 2003 г работы по выполнению задач проекта можно условно сгруппировать по 4 направлениям:
1. Создание технических средств сбора гидрометеорологической и океанографической информации и передачи их в центры сбора, а также средств их поверки;
2. Разработка принципов оптимизации расположения пунктов сбора информации, подготовка предложений по оптимизации пунктов сбора информации (включая морские береговые станции и пункты судовой сети), сбор информации о состоянии морской береговой сети;
3. Разработка нормативной документации по производству наблюдений;
4. Создание баз данных и информационных систем.
2.2.2.1 Создание технических средств сбора гидрометеорологической и океанографической информации и передачи их в центры сбора, а также средств их поверки
В рамках этого направления работами занимались ЦКБ ГМП, ААНИИ, ЦНИИ «Гидроприбор», НИЦ «Планета», ГГИ.
В задачу ЦКБ ГМП входило в 2003 г. введение в опытную эксплуатацию автоматической метеостанции МА-6-3 и гидрологического поста ГРК-1. После довольно длительного периода настройки указанных комплексов (сбой в программном обеспечении МА-6-3 и неудовлетворительная телефонная связь с ГРК-1) удалось запустить их в эксплуатацию, что предполагает не только проведение измерений гидрометеорологических характеристик, но и формирование телеграммы и передачу ее в центры сбора данных. Кроме этого, в ЦКБ ГМП было выполнено технико-экономическое обоснование (ТЭО) на изготовление электронного блока ныряющего дрифтера типа АРГО, а также были сделаны предложения к ТЭО на метрологический полигон в г. Геленджике. По подсчетам ЦКБ ГМП для того, чтобы разработать и наладить выпуск электронного блока АРГО в России необходимо затратить около 10 млн. руб. в течение 4 лет. На организацию метрологического полигона в г. Геленджике (с учетом закупки приборов и оборудования, а также разработку документации) требуется примерно 5,6 млн. руб.
В задачу ААНИИ входило проведение модернизации автоматической ледовой метеостанции АГСМСН-А в связи с тем, что передача данных со станции должна была идти не через систему КУРС, а через ИСЗ «ИНМАРСАТ-С». В результате была разработана электронная схема сопряжения станции с терминалом спутниковой связи ИНМАРСАТ-С для передачи данных кодом КН-01. Электронная схема станции переведена на современную элементную базу, доработаны датчики с целью увеличения их работоспособности в условиях Арктики, откорректировано программное обеспечение, подготовлена техническая документация на станцию и передана на завод «Ленинец» для мелкосерийного производства. Были также выполнены работы по сопряжению эталонных измерительных преобразователей для градуировки океанографических СИ с ПК. Для этого были проведены испытания модулей сопряжения измерительных преобразователей разных производителей с ПК. В результате исследований были выбраны технические средства, обеспечивающие сопряжение с ПК средств измерений с аналоговым выходным сигналом и разработано необходимое программное обеспечение приема и последующей обработки поступающей информации.
Рис. 5. Скриншот программы сопряжения с ПК
В ЦНИИ «Гидроприбор» в 2003 г. был изготовлен один комплект бортовой системы управления (БСУ) и проведены его лабораторные испытания, в ходе которых проведены проверки работы БСУ в соответствии с заданным алгоритмом и работоспособности системы всплытия-погружения (СВП), а также определены параметры работы СВП, которые подтвердили работоспособность СВП с БСУ.
В ГГИ проводились работы по автоматизации процесса поверки океанографических средств измерений в гидравлическом лотке для измерителей течения. В рамках этих работ было разработано программное обеспечение в виде модульной системы, которая позволяет пользователю вводить временные и постоянные изменения в программу управления процесса поверки. Эта программное обеспечение позволяет также стабилизировать скорость водного потока в различных измерительных точках. В дальнейшем предполагается оформить это программное обеспечение в виде руководства пользователя с прилагаемым диском с самим матобеспечением.
Объектом исследований НИЦ «Планета» является информационно-технологическая унификация спутниковой системы передачи информации о Мировом океане с действующими и перспективными спутниковыми гидрометеорологическими системами с использованием современных информационных технологий. Основной задачей в 2003 г. являлось проведение опытной эксплуатации 1-ой очереди и доработка комплекса технических и программно-математических средств космической системы сбора и доведения до центров ЕСИМО и включения в СРБД ЕСИМО данных о состоянии морской среды и прибрежных территорий с платформ наблюдений. В рамках темы проведена опытная эксплуатация 1-й очереди системы в составе передающих модулей «Терминал-ГМ» и приемного центра в филиале НИЦ «Планета» (г.Долгопрудный) с антенной ПК-7 при работе через КА «Метеосат-7», собран статистический материал и проведен анализ качества передачи информации, проведена разработка и экспериментальная проверка технических предложений по модернизации передающих радиотерминалов для работы системы с перспективными КА «Электро-2» и «Метеор-М». Выяснилось, что на качество передачи сообщений, понижение которого выражается в потере групп знаков в телеграмме, оказывают влияние неудачное размещение терминалов (неблагоприятный рельеф местности, затенение зданиями и др. сооружениями, радиопомехи), нестабильность электропитания на местах, отсутствие надлежащих компьютеров, недостаточная квалификация операторов, зависимость, в ряде случаев, работы радиотерминалов от экстремальных погодных условий (ветровые нагрузки, температурные градиенты), недостаточная электромагнитная совместимость элементов радиотерминала (приемника GPS, системы электропитания, компьютера и т.д.), имеющийся периодический, в течение суток, уход КА «Метеосат-7» от фиксированной точки стояния на ± 20′, что ухудшает энергетические характеристики радиолинии «радиотерминал ® КА ® Центр приема» и особенно сказывается на работе радиотерминалов, расположенных на краю зоны радиовидимости КА «Метеосат-7». Предложения по доработке радитерминалов заключаются в увеличении мощность передатчиков и улучшения согласования передающего модуля с антенной посредством соединяющего их высокочастотного кабеля.
Рис. 6. Структурная схема каналов связи ССПД первой очереди
2.2.2.2 Разработка принципов оптимизации расположения пунктов сбора информации, подготовка предложений по оптимизации пунктов сбора информации (включая морские береговые станции и пункты судовой сети), сбор информации о состоянии морской береговой сети
В рамках второго из указанных направлений работами занимались следующие организации: ГОИН, ААНИИ, ИГКЭ, ДВНИГМИ.
Разработкой принципов оптимизации размещения морских береговых гидрометпостов занимался ГОИН. Предполагается, что решение этой задачи может быть достигнуто с позиции системного подхода, учитывающего в комплексе, как наблюдаемые на МГП параметры среды, так и экономические факторы, связанные с материальным обеспечением планируемой сети наблюдений, которые входят в постановку задачи в виде внешних параметров. Для этого была специально создана итерационная технология поиска оптимизационного решения. Она основана на анализе пространственно- временной изменчивости поля информационной энтропии, несущей в себе интегральную информацию о всех регистрируемых на МГП данных наблюдений. В процессе разработки этой технологии использовалась идеология и аппарат теории оптимального управления, методов распознавания образов, методов решения некорректных задач, методов экспертных оценок. Применение разработанной технологии позволяет получать рекомендации к пространственному распределению пунктов наблюдений, полученные в результате минимизации пространственно-временной изменчивости функции информационной энтропии. Поиск искомого решения осуществляется, исходя из материальных средств, выделяемых на обеспечение работ морской сети наблюдений.
В ААНИИ был сделан обзор различных схем оптимизации для арктической сети морских береговых гидрометстанций. Выяснилось, что оптимизация размещения, в том числе и районирование, осложнено тем, что результаты прибрежных наблюдений обладают невысокой репрезентативностью. Возможность распространения результатов прибрежных наблюдений за уровнем, температурой и отчасти соленостью воды на мористые районы акватории представляется достижимой, если выявлена кинематическая картина циркуляции моря и четко заданы временные масштабы идентификации гидрологических процессов.
Для обоснования выбора рациональной сети наблюдений требуется формирование единого методологического подхода, ориентированного на достижение результата только в области мониторинга климата и в условиях конкретной кинематической модели моря, связывающей в единую циркуляционную систему все акватории и все элементы режима, на базе использования более широкого спектра математического аппарата, который приведет к объективным и правомерным решениям
Принципы статистического районирования с помощью модели наблюдательной сети (МНС) ГГО, оказались применимы только для акватории Карского моря, в центральной части которого имеются островные полярные станции и пункты наблюдений, распределенные более или менее равномерно по пространству. Далее возникает неопределенность в объективности процедур оптимизации применительно к морским гидрологическим наблюдениям.
Поэтому статус морской гидрологической сети возможно определить только на уровне субминимальной сети. В состав такой сети включены 49 п/ст. Даже эта сеть не достижима на современном этапе и многие районы арктических морей не освещаются наблюдениями.
Рис. 7. Пространственное распределение полярных станций
на акватории арктических морей
— полярные станции (П\ст) первой очереди восстановления
— полярные станции реконструкции сети.
ИГКЭ выработал концепцию оптимального развития наблюдательной сети комплексного экологического мониторинга морской среды и на ее основе разработал принципы оптимизации гидробиологических наблюдений. Основные принципы заключаются в том, что должны быть выделены наиболее важные, с точки зрения антропогенного изменения, контролируемые акватории, которые подлежат первоочередному наблюдению, изучению и анализу. Внутри этих морских объектов устанавливается рациональное распределение пунктов гидробиологических наблюдений и работ, входящих в опорную и локальную (вспомогательную) сеть. Построение сети наблюдений должно основываться на принципе получения с заданной дискретностью и точностью параметров экологического состояния моря или его районов.
Выбор стратегии гидробиологических осуществляется исходя из необходимости получения репрезентативной информации с максимально возможной (при данном уровне материального обеспечения) адекватностью, отражающей состояние исследуемых параметров экосистемы. Обеспечение статистической надежности и сравнимости получаемых данных особенно важно в связи с существенной пространственно-временной изменчивостью морских экосистем.
Оптимальная стратегия отбора проб должна отвечать следующим критериям:
• максимально возможной частоте станций в районах высоких градиентов экологических параметров (гидрологические фронты и т.п.);
• проведению работ с учетом суточной и сезонной изменчивости (для сравнимости результатов, отбор проб в одни и те же биологические сезоны);
• сокращению времени выполнения станций во избежание значительного смещения оценок пространственного распределения параметров в связи с дрейфом судна.
На основании обзора физико-географических условий морей, распределения пунктов наблюдений за гидробиологическими параметрами сделаны выводы о достаточности сети наблюдений на каждом конкретном море, участвующем в рассмотрении.
Данные о состоянии сети на арктических и дальневосточных морях представлены в отчетах ААНИИ и ДВНИГМИ. Говорится, что программа наблюдений выполняется на 60-70% вследствие отсутствия полного штата наблюдателей, износа оборудования и приборов или его отсутствия вообще. Даются предложения по приборному переоснащению морской береговой сети, в частности, автоматическими измерительными комплексами.
2.2.2.3 Разработка нормативной документации по производству наблюдений
Разработкой нормативной документации занимались ГГО, ГОИН и НПО «Тайфун».
В ГГО была разработана окончательная редакция «Наставления гидрометеорологическим станциям и постам. Вып.9. Гидрометеорологические наблюдения на морских станциях. Ч.2. Гидрометеорологические наблюдения на судовых станциях, производимые штатными наблюдателями. Книга 1. Общие методические требования к организации и обеспечению гидрометеорологических, океанографических и актинометрических наблюдений на судах».
В ГОИНе был разработан проект развития нормативно-методической базы, основной целью которого является построение единой унифицированной нормативно-правовой базы ЕСИМО в рамках существующего законодательного и нормативного поля.
Основные направления развития НМД состоят в следующем:
— разработка новых и подготовка к пересмотру существующих нормативно-правовых документов, регламентирующих организацию мониторинга морской среды, в том числе общие требования.
— разработка НМД регламентирующих принципы классификации водных объектов по степени техногенной нагрузки, экологической безопасности, регулярности мониторинга и контролируемых параметров.
— разработка НМД регламентирующих организацию мониторинга при работах шельфе.
— разработка региональных НМД по организации экологического мониторинга морской среды для обеспечения интересов исполнительной власти субъектов Федерации прибрежных районов, населения и предприятий, в соответствии с законом о техническом регулировании и вытекающих из него принципов экологической безопасности.
— разработка методов, способов, технических средств наблюдения состояния параметров морской среды.
— разработка и дополнение существующих ГОСТ и других нормативных документов регламентирующих терминологию при производстве наблюдений за состоянием и загрязнением природной среды живыми и неживыми ресурсами Мирового океана и прибрежных территорий.
Нормативно-методические документы (НМД), как разрабатываемые вновь, так и подлежащие пересмотру, должны находиться внутри существующего правового поля, в том числе и с учетом международных договоров и соглашений.
В НПО «Тайфун» составлен список приоритетных загрязняющих веществ, подлежащих контролю при совершенствовании системы мониторинга поверхностных и морских вод, а также донных отложений (см. табл. 3).
Таблица 3
Список приоритетных загрязняющих веществ
|
Ингредиент |
Вода рек |
Донные отложения рек |
Вода морей |
Донные отложения морей |
|
Бериллий |
+ |
+ |
— |
+ |
|
Марганец |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
Кобальт |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
Литий |
+ |
+ |
— |
+ |
|
Кадмий |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
Селен |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
Мышьяк |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
Свинец |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
Хром общий |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
Цианиды |
+ |
— |
— |
+ |
|
Медь |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
Ртуть |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
Цинк |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
Нитриты |
+ |
— |
— |
— |
|
Нитраты |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
Сульфаты |
+ |
+ |
— |
— |
|
Хлориды |
+ |
+ |
— |
— |
|
ПАВ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
Нефтепродукты |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
ДДТ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
ДДЕ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
ГХЦГ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
Полихлорированные бифенлы |
+ |
+ |
+ |
+ |
2.2.2.4 Создание баз данных и информационных систем
В рамках четвертого направления принимали участие ВНИИГМИ-МЦД, ААНИИ.
Во ВНИИГМИ-МЦД были сформированы массивы исходных и расчетных данных прибрежных наблюдений по району Баренцева моря. При этом массив среднемесячных и экстремальных за месяц значений параметров имеет многофайловую структуру. В один информационный файл включены расчетные данные одного параметра за весь период наблюдений.
В ААНИИ ведутся работы по созданию информационной системы, которая позволит более эффективно контролировать ход выполнения программ наблюдений и средствами наблюдений, поступлением оперативной и режимной информации в региональный центр. Комплекс сведения о составе и состоянии морской наблюдательной сети, необходимый для работы технологии по каждому пункту наблюдений содержится в специальной базе данных. В этой системе можно получать информацию по различным аспектам работы полярных станций: состав сети наблюдений, описание программ, приборного оснащения, мест и условий установки технических средств, штатном составе, наличии рядов гидрологических наблюдений, их качестве и т.д., реализовано автоматизированное получение и прохождение наблюденных данных в форме оперативных сводок (море, уровень, климат) по каналам связи при возможной степени их интеграции, получение интегрированной справки о состоянии и составе базы данных, поиск информации по заданным ключам и создание рабочих файлов, обработка выбранной информации, вывод таблиц, графиков, визуализация результатов.
Для реализации задач выбрана современная СУБД VISUAL FoxPro, в приложении которой определены несколько первоочередных задач:
разработка состава и структуры базы данных, которая включает информацию по различным аспектам работы полярных станций: состав сети наблюдений, описание программ, приборного оснащения, мест и условий установки технических средств, штатном составе, наличии рядов гидрологических наблюдений, их качестве и т.д.;
разработка средств интерфейса базы данных с подсистемами сбора, мониторинга и архивации, которая предполагает автоматизированное получение и прохождение наблюденных данных в форме оперативных сводок (море, уровень, климат) по каналам связи при возможной степени их интеграции;
разработка программных средств реализации чисто пользовательских задач, включая интерфейс пользователя, предназначенных для получения интегрированной справки о состоянии и составе базы данных, поиска информации по заданным ключам и создания рабочих файлов, обработки выбранной информации, вывода таблиц, графиков, визуализации результатов.
Статистическая обработка данных и графика реализованы через файловый интерфейс со стандартными пакетами. Работа пользователя основана на разветвленной многоуровневой системе меню.
В 2003 г. подготовлена первая версия бюллетеня о поступлении оперативной информации с п/ст в службу автоматизированной системы передачи данных (САСПД) ААНИИ для осуществления в будущем мониторинга выполнения наблюдательных программ.
К настоящему времени в базе присутствуют ряды среднесуточных данных по температуре, солености и уровню моря по 17 п/ст Карского моря с начала наблюдений в 30-ые годы до 80-ых годов 20 в. Осуществляется наращивание рядов из ЕДМ ГВК, что связано со значительными трудностями, которые объясняются многолетней задолженностью в обработке данных в УГМС, а также низким качеством данных. Подготовлены электронные карты некоторых районов западной Арктики.
Рис. 8. Информационный модуль автоматизированной технологии
научно-методического руководства системой наблюдений
в Арктике и Антарктике
Рис. 9. Архитектура интегрированной информационной технологии
для Арктики
2.2.3 Использование и внедрение полученных результатов
Полученные результаты будут использованы для создания макета информационной системы мониторинга Мирового океана в рамках в 1-ой очереди ЕСИМО, а также в ходе дальнейшей разработки в качестве основы для создания наблюдательной системы в рамках 2-ой очереди ЕСИМО.
2.2.4 Оценка соответствия полученных результатов
Полученные результаты соответствуют ТЗ и календарному плану выполнения проекта.
2.2.5 Проблемы и трудности
Запаздывание финансирования и его недостаток, что отразилось при форс-мажорных обстоятельствах при запуске комплекса «Береговая станция-пост».