Опыт организации автоматизированной информационной системы, как условие обеспечения экологической безопасности урбанизированных территорий (на примере г.Томска)

Воробьев С. Н. ,

Евдокимов А. В. ,

Аносова Н. В. ,

Урбановский В. А. ,

Базанов В. А. ,

Горина Н. В.

В соответствии с существующим природоохранным законодательством государство в лице органов законодательной, исполнительной и судебной властей признается гарантом безопасности человека с его конституционными правами на здоровую окружающую среду. Обеспечение экологической безопасности (ЭБ) высоко урбанизированных территорий представляет одну из основных проблем в сфере природоохранной деятельности, поскольку на фоне окружающего природного фона города отличаются самыми высокими значениями загрязнения всех компонентов окружающей среды и наибольшими уровнями ее деградации. Идея признания ЭБ, «стержнем» природоохранной деятельности государства еще не получила юридического оформления, однако некоторые ее принципы и положения в разном объеме в том или ином виде присутствуют в различных законодательных документах (В законах РФ «О безопасности», 1992 г., Об охране окружающей среды, 1993 г. и др.).

На современном этапе формирование ЭБ реализуется в основном в трех направлениях:

  1. В практической деятельности природоохранных органов и хозяйствующих субъектов, специальных спасательных служб МЧС и д.р.
  2. В совершенствовании нормативно-правовой базы.
  3. Как междисциплинарная область экологических знаний об изменениях состояния окружающей среды.

Для решения проблем ЭБ, требуется системный подход. При этом необходимо руководствоваться не только природоохранными нормативными документами, но и санитарно-гигиеническими, административными и др. Однако, как показывает опыт, в России это осуществить непросто, поскольку основным препятствием является ведомственная разобщенность природоохранительных служб и сложившаяся практика организации природоохранной деятельности по принципу «тушения пожара», нежели по предотвращению его.

Для решения важнейших задач управления ЭБ не вызывает сомнений необходимость своевременного обеспечения органов управления достоверной и возможно более полной информацией о состоянии природной среды. Практическая ценность таких сведений в большой степени зависит от того, насколько своевременно они поступают в распоряжение руководства, каким образом организован к ним доступ, и в какой мере они соответствуют действительности. Это результаты инвентаризации природных условий и ресурсов, выявление и оценка неблагоприятных природных явлений и негативных последствий воздействия человека на природу, меры по целенаправленному улучшению окружающей среды и воспроизводству естественных богатств, прогнозы их будущего состояния и развития. Данные могут различаться по назначению (для пропаганды и агитации, планирования, проектирования, управления, обучения и т. д.), а также и иметь в виду различные группы потребителей. Но, прежде всего, данные о состоянии окружающей среды предназначены для практических действий: организации рационального природопользования, выбора вариантов развития территории, выявления «конфликтных» зон.

Разумеется, при разработке таких проблем должны, прежде всего, широко привлекаться отраслевые отчетные материалы организаций, имеющих непосредственное отношение к вопросам охраны и управления природными ресурсами области. Именно в таких организациях собраны и систематизированы наиболее полные сведения о состоянии территории (Рис.1). Однако есть несколько существенных препятствий для их использования – ограничение ведомственными рамками доступа к этим материалам и скорость обмена информацией между заинтересованными учреждениями.

В результате, с одной стороны для принятия решений существует явно выраженный недостаток информации о современном состоянии и изменении природной среды, биологических и земельных ресурсов. С другой стороны, многими научными и производственными организациями проводятся исследования в области изучения состояния окружающей среды, но разрозненность и разномасштабность отчетных материалов, отсутствие единой системы их сбора и хранения не позволяет получать сопоставимые для различных ведомств результаты и эффективно их использовать.

В связи с этим возникла необходимость создания специализированной экологической информационной системы (ЭИС), которая будет объединять с помощью коммуникационных и программных средств находящиеся в разных адресах экологические данные в единое информационное пространство (Рис 2).

ЭИС должна содержать актуальную информацию: специализированные банки данных о состоянии природной среды и природных ресурсов, средства их обработки и одновременно поддерживаться заинтересованными организациями.

Другими словами необходимо разработать технологию управления корпоративными знаниями на основе современных информационных технологий. Это значит, что заинтересованные пользователи получат единый, общий инструмент по извлечению и транспортировке знаний, связанных с решением конкретных проблем, что в свою очередь позволит существенно снизить затраты рабочего времени на выборку и обработку необходимой информации.

ЭИС во временном аспекте нам представляется развивающимся образованием по составу, количеству данных и принципам их организованности. Эта система должна быть постоянно действующей, легко обновляющейся техническими и программными средствами и легко интегрируемой в другие информационные системы. Пример блока «Водные объекты» представлен на рисунке 3.

Результатом работы такой системы является выработка наиболее предпочтительных сценариев управления и контроля над экологической ситуацией города для принятия решений в этой области. Важнейшим условием существования ЭИС неизбежно должна быть теснейшая связь с различными службами Мэрии и организациями города.

Практическая работа по организации ЭИС на территории г. Томска была инициирована Государственным комитетом экологии г. Томска и начата в 1995г. на договорных началах с НИИ биологии и биофизики и НПО «Сибгеоинформатика». В последующие годы работа выполнялась преимущественно силами НИИ биологии и биофизики. Дальнейшее развитие системы осуществлялось в рамках выполнения гранта Администрации Томской области «Разработка базовой компьютерной информационной системы состояния природных ресурсов и окружающей природной среды Томской области» (договор № НИР-2-98 от 18 декабря 1998 г.). В настоящее время работы выполняются в соответствии с «Экологической программой г.Томска», в рамках раздела Экологическая карта города.

Анализ изучаемой предметной области показал, что для достижения поставленной цели – организации автоматизированной информационной системы на базе ЭВМ необходимо, решить два блока задач.

Первый блок. Учитывая наличие у ряда организаций стандартных хранилищ данных (библиотек документов, баз данных), разработать инструмент для создания и ведения единой базы данных в сети Интернет. Предполагается, что такое техническое решение не потребует существенных затрат на дополнительное администрирование и хранение данных.

Второй блок. Учитывая слабую автоматизацию информационных потоков, создать ГИС «Экологическая карта состояния природных ресурсов и окружающей среды, используя обобщенную и первичную информацию поступающую в государственный и муниципальный Комитеты экологии г.Томска.

В настоящий момент эти блоки существуют независимо друг от друга. Их стыковка будет осуществлена в последующем. Первый блок позволяет объединять и анализировать разнородные первичные материалы различных ведомств, организаций, готовить данные для их использования во втором блоке.

Для выполнения первого блока задач в качестве основы был выбран некоммерческий продукт СУБД POSTGRES95. Выбор средства доступа к базам данных во многом определяется не только эффективностью того или иного механизма, но также и наилучшим его сопряжением с соответствующей СУБД.

В настоящее время разработано достаточно много коммерческих СУБД, например, Informix, Oracle и др. Все они отвечают различным специфическим требованиям. Фирмы производители предлагают различную гамму программных продуктов СУБД и расширяющих модулей для их состыковки с сетью (Intranet, Internet web технологии).

Однако следует учесть очень высокую стоимость коммерческих баз данных. Например: Informix Dynamic Server 7.x – 13.000$ (лицензия для 5 пользователей); Oracle 8 server - 25.000$ (лицензия для 8 пользователей). Расширение количества пользователей до 25, 50 и более возможно за счёт еще большего увеличения стоимости лицензии. Дополнительные расширяющие WEB модули так же имеют высокую стоимость.

Кроме того, все коммерческие программные продукты СУБД и расширяющих модулей, как правило, не позволяют вносить в них необходимые конечным пользователям изменения. Любое задуманное расширение возможности программного продукта ведут к обращению в фирму разработчика, а соответственно, потере времени и средств.

В то же время, существует широкий набор свободно распространяемых продуктов, которые часто оказываются не менее эффективными, но из-за «неизвестности» не достаточно широко используются. Одним из таких некоммерческих продуктов является СУБД POSTGRES95, которая устанавливается на большинстве существующих платформ.

СУБД POSTGRES95 поддерживает темпоральную модель хранения и доступа к данным. То есть, для любого объекта данных, созданного в момент времени t1 и уничтоженного в момент времени t2, в БД сохраняются и доступны пользователям все его состояния во временном интервале (t1,t2). Обычные же БД хранят мгновенный снимок модели предметной области, и любое изменение в момент времени t некоторого объекта приводит к недоступности этого объекта в предыдущий момент времени. Хотя, на самом деле, в большинстве развитых СУБД предыдущее состояние объекта сохраняется в журнале изменений, но осуществления доступа со стороны пользователя нет.

В связи с этим, в POSTGRES95 предусмотрен механизм журнализации изменений, откатов транзакций и восстановления БД после сбоя. Особенность системы управления памятью заключается в том, что в POSTGRES95 не ведется обычная журнализация и мгновенно обеспечивается корректное состояние БД с утратой состояния в оперативной памяти. Язык запросов СУБД POSTGRES95 (POSTQUEL) – является вариантом нового стандарта языка SQL-3.

POSTQUEL поддерживает два типа функций: SQL-функций и функции, написанные на языке программирования, например, на Си. Кроме функций, пользователь может создавать свои агрегаты и операторы. POSTGRES95 позволяет легко вводить новые структуры, используя не физическую, а логическую модель хранения данных.

В системных каталогах POSTGRES95, в отличие от стандартных реляционных систем, хранится информация не только об отношениях и атрибутах, но также и информация о типах, функциях, методах доступа и т.п.

Для осуществления доступа к базам данных POSTGRES95 из World Wide Web можно использовать любые механизмы – CGI, FastCGI, API, Java.

Кроме того, может быть использовано достаточно простое, удобное в обращении средство построения интерактивных приложений «Common Gataway Interface», которое не требует никакого дополнительного программного обеспечения и достаточно просто в применении Web-сервера Apache. Таким образом, в качестве основы информационной системы нами выбрана СУБД POSTGRES95.

Опыт организации автоматизированной информационной системы, как условие обеспечения экологической безопасности урбанизированных территорий (на примере г.Томска)

Воробьев С. Н. ,

Евдокимов А. В. ,

Аносова Н. В. ,

Урбановский В. А. ,

Базанов В. А. ,

Горина Н. В.

В соответствии с существующим природоохранным законодательством государство в лице органов законодательной, исполнительной и судебной властей признается гарантом безопасности человека с его конституционными правами на здоровую окружающую среду. Обеспечение экологической безопасности (ЭБ) высоко урбанизированных территорий представляет одну из основных проблем в сфере природоохранной деятельности, поскольку на фоне окружающего природного фона города отличаются самыми высокими значениями загрязнения всех компонентов окружающей среды и наибольшими уровнями ее деградации. Идея признания ЭБ, «стержнем» природоохранной деятельности государства еще не получила юридического оформления, однако некоторые ее принципы и положения в разном объеме в том или ином виде присутствуют в различных законодательных документах (В законах РФ «О безопасности», 1992 г., Об охране окружающей среды, 1993 г. и др.).

На современном этапе формирование ЭБ реализуется в основном в трех направлениях:

  1. В практической деятельности природоохранных органов и хозяйствующих субъектов, специальных спасательных служб МЧС и д.р.
  2. В совершенствовании нормативно-правовой базы.
  3. Как междисциплинарная область экологических знаний об изменениях состояния окружающей среды.

Для решения проблем ЭБ, требуется системный подход. При этом необходимо руководствоваться не только природоохранными нормативными документами, но и санитарно-гигиеническими, административными и др. Однако, как показывает опыт, в России это осуществить непросто, поскольку основным препятствием является ведомственная разобщенность природоохранительных служб и сложившаяся практика организации природоохранной деятельности по принципу «тушения пожара», нежели по предотвращению его.

Для решения важнейших задач управления ЭБ не вызывает сомнений необходимость своевременного обеспечения органов управления достоверной и возможно более полной информацией о состоянии природной среды. Практическая ценность таких сведений в большой степени зависит от того, насколько своевременно они поступают в распоряжение руководства, каким образом организован к ним доступ, и в какой мере они соответствуют действительности. Это результаты инвентаризации природных условий и ресурсов, выявление и оценка неблагоприятных природных явлений и негативных последствий воздействия человека на природу, меры по целенаправленному улучшению окружающей среды и воспроизводству естественных богатств, прогнозы их будущего состояния и развития. Данные могут различаться по назначению (для пропаганды и агитации, планирования, проектирования, управления, обучения и т. д.), а также и иметь в виду различные группы потребителей. Но, прежде всего, данные о состоянии окружающей среды предназначены для практических действий: организации рационального природопользования, выбора вариантов развития территории, выявления «конфликтных» зон.

Разумеется, при разработке таких проблем должны, прежде всего, широко привлекаться отраслевые отчетные материалы организаций, имеющих непосредственное отношение к вопросам охраны и управления природными ресурсами области. Именно в таких организациях собраны и систематизированы наиболее полные сведения о состоянии территории (Рис.1). Однако есть несколько существенных препятствий для их использования – ограничение ведомственными рамками доступа к этим материалам и скорость обмена информацией между заинтересованными учреждениями.

В результате, с одной стороны для принятия решений существует явно выраженный недостаток информации о современном состоянии и изменении природной среды, биологических и земельных ресурсов. С другой стороны, многими научными и производственными организациями проводятся исследования в области изучения состояния окружающей среды, но разрозненность и разномасштабность отчетных материалов, отсутствие единой системы их сбора и хранения не позволяет получать сопоставимые для различных ведомств результаты и эффективно их использовать.

В связи с этим возникла необходимость создания специализированной экологической информационной системы (ЭИС), которая будет объединять с помощью коммуникационных и программных средств находящиеся в разных адресах экологические данные в единое информационное пространство (Рис 2).

ЭИС должна содержать актуальную информацию: специализированные банки данных о состоянии природной среды и природных ресурсов, средства их обработки и одновременно поддерживаться заинтересованными организациями.

Другими словами необходимо разработать технологию управления корпоративными знаниями на основе современных информационных технологий. Это значит, что заинтересованные пользователи получат единый, общий инструмент по извлечению и транспортировке знаний, связанных с решением конкретных проблем, что в свою очередь позволит существенно снизить затраты рабочего времени на выборку и обработку необходимой информации.

ЭИС во временном аспекте нам представляется развивающимся образованием по составу, количеству данных и принципам их организованности. Эта система должна быть постоянно действующей, легко обновляющейся техническими и программными средствами и легко интегрируемой в другие информационные системы. Пример блока «Водные объекты» представлен на рисунке 3.

Результатом работы такой системы является выработка наиболее предпочтительных сценариев управления и контроля над экологической ситуацией города для принятия решений в этой области. Важнейшим условием существования ЭИС неизбежно должна быть теснейшая связь с различными службами Мэрии и организациями города.

Практическая работа по организации ЭИС на территории г. Томска была инициирована Государственным комитетом экологии г. Томска и начата в 1995г. на договорных началах с НИИ биологии и биофизики и НПО «Сибгеоинформатика». В последующие годы работа выполнялась преимущественно силами НИИ биологии и биофизики. Дальнейшее развитие системы осуществлялось в рамках выполнения гранта Администрации Томской области «Разработка базовой компьютерной информационной системы состояния природных ресурсов и окружающей природной среды Томской области» (договор № НИР-2-98 от 18 декабря 1998 г.). В настоящее время работы выполняются в соответствии с «Экологической программой г.Томска», в рамках раздела Экологическая карта города.

Анализ изучаемой предметной области показал, что для достижения поставленной цели – организации автоматизированной информационной системы на базе ЭВМ необходимо, решить два блока задач.

Первый блок. Учитывая наличие у ряда организаций стандартных хранилищ данных (библиотек документов, баз данных), разработать инструмент для создания и ведения единой базы данных в сети Интернет. Предполагается, что такое техническое решение не потребует существенных затрат на дополнительное администрирование и хранение данных.

Второй блок. Учитывая слабую автоматизацию информационных потоков, создать ГИС «Экологическая карта состояния природных ресурсов и окружающей среды, используя обобщенную и первичную информацию поступающую в государственный и муниципальный Комитеты экологии г.Томска.

В настоящий момент эти блоки существуют независимо друг от друга. Их стыковка будет осуществлена в последующем. Первый блок позволяет объединять и анализировать разнородные первичные материалы различных ведомств, организаций, готовить данные для их использования во втором блоке.

Для выполнения первого блока задач в качестве основы был выбран некоммерческий продукт СУБД POSTGRES95. Выбор средства доступа к базам данных во многом определяется не только эффективностью того или иного механизма, но также и наилучшим его сопряжением с соответствующей СУБД.

В настоящее время разработано достаточно много коммерческих СУБД, например, Informix, Oracle и др. Все они отвечают различным специфическим требованиям. Фирмы производители предлагают различную гамму программных продуктов СУБД и расширяющих модулей для их состыковки с сетью (Intranet, Internet web технологии).

Однако следует учесть очень высокую стоимость коммерческих баз данных. Например: Informix Dynamic Server 7.x – 13.000$ (лицензия для 5 пользователей); Oracle 8 server - 25.000$ (лицензия для 8 пользователей). Расширение количества пользователей до 25, 50 и более возможно за счёт еще большего увеличения стоимости лицензии. Дополнительные расширяющие WEB модули так же имеют высокую стоимость.

Кроме того, все коммерческие программные продукты СУБД и расширяющих модулей, как правило, не позволяют вносить в них необходимые конечным пользователям изменения. Любое задуманное расширение возможности программного продукта ведут к обращению в фирму разработчика, а соответственно, потере времени и средств.

В то же время, существует широкий набор свободно распространяемых продуктов, которые часто оказываются не менее эффективными, но из-за «неизвестности» не достаточно широко используются. Одним из таких некоммерческих продуктов является СУБД POSTGRES95, которая устанавливается на большинстве существующих платформ.

СУБД POSTGRES95 поддерживает темпоральную модель хранения и доступа к данным. То есть, для любого объекта данных, созданного в момент времени t1 и уничтоженного в момент времени t2, в БД сохраняются и доступны пользователям все его состояния во временном интервале (t1,t2). Обычные же БД хранят мгновенный снимок модели предметной области, и любое изменение в момент времени t некоторого объекта приводит к недоступности этого объекта в предыдущий момент времени. Хотя, на самом деле, в большинстве развитых СУБД предыдущее состояние объекта сохраняется в журнале изменений, но осуществления доступа со стороны пользователя нет.

В связи с этим, в POSTGRES95 предусмотрен механизм журнализации изменений, откатов транзакций и восстановления БД после сбоя. Особенность системы управления памятью заключается в том, что в POSTGRES95 не ведется обычная журнализация и мгновенно обеспечивается корректное состояние БД с утратой состояния в оперативной памяти. Язык запросов СУБД POSTGRES95 (POSTQUEL) – является вариантом нового стандарта языка SQL-3.

POSTQUEL поддерживает два типа функций: SQL-функций и функции, написанные на языке программирования, например, на Си. Кроме функций, пользователь может создавать свои агрегаты и операторы. POSTGRES95 позволяет легко вводить новые структуры, используя не физическую, а логическую модель хранения данных.

В системных каталогах POSTGRES95, в отличие от стандартных реляционных систем, хранится информация не только об отношениях и атрибутах, но также и информация о типах, функциях, методах доступа и т.п.

Для осуществления доступа к базам данных POSTGRES95 из World Wide Web можно использовать любые механизмы – CGI, FastCGI, API, Java.

Кроме того, может быть использовано достаточно простое, удобное в обращении средство построения интерактивных приложений «Common Gataway Interface», которое не требует никакого дополнительного программного обеспечения и достаточно просто в применении Web-сервера Apache. Таким образом, в качестве основы информационной системы нами выбрана СУБД POSTGRES95.