Регистрация / Вход
Прислать материал

Экомониторинг отравляющих веществ с помощью инфокоммуникационных технологий и терагерцовой спектроскопии

Сведения об участнике
ФИО
Гусев Александр Алексеевич
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный университет"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Информационные технологии и вычислительные системы
Раздел области наук
Информационные технологии
Тема
Экомониторинг отравляющих веществ с помощью инфокоммуникационных технологий и терагерцовой спектроскопии
Резюме
Актуальность проекта заключается в необходимости разработки новых инструментов экомониторинга сельскохозяйственных территорий с применением высоковоспроизводимых методик идентификации токсических веществ в пробах, с возможностью компьютерной обработки данных мониторинга и поддержки принятия управленческих решений.
Разрабатываемый инструмент должен иметь вид программного комплекса, способного взаимодействовать с первичными данными терагерцовой спектроскопии почвенных проб и осуществлять поддержку принятия управленческих решений на основе встроенной математической модели динамики загрязнителей.
Ключевые слова
терагерцовая спектроскопия, инфокоммуникационные технологии, математическое моделирование, поддержка принятия управленческих решений
Цели и задачи
целью проекта является разработка программного комплекса хранения и обработки данных экомониторинга в целях поддержки принятия управленческих решений
Задачи проекта
1) получение методики мониторинга и идентификации токсических веществ на основе терагерцовой спектроскопии с высокой степенью воспроизводимости;
2) создание компьютерной базы знаний спектральных характеристик токсических веществ;
3) создание и алгоритмизация математической модели динамики загрязнений;
4) создание программного модуля поддержки принятия управленческих решений по ликвидации загрязнений на основе разработанной модели
Введение

В настоящее время для определения наличия токсичных веществ в пробах используют такие методы как тонкослойную и газожидкостную хроматографию, ультрафиолетовую, инфракрасную и атомно-абсорбционную спектрометрию, масс-спектрометрию и хромас-спектрометрию. Однако основным недостатком перечисленных методик является необходимость выделения токсического вещества из пробы с последующей очисткой экстракта, а также различные методы обработки пробы в зависимости от объекта анализа. Предлагаемый нами метод позволяет обойти вышеперечисленные проблемы.
Для обработки данных исследования и подддержки принятия решений необходимо создание компьютерных моделей динамики загрязнителей, для чего будут применяться методы системологии. 

Методы и материалы

Технические требования к разрабатываемой методики терагерцовой спектроскопии:

  • Чувствительность метода в пределах 0,1 – 1 мг/кг
  • Точность не менее ± 20 %
  • Воспроизводимость метода не менее 90%

Технические характеристики терагерцового спектрометра Tera K15, используемого при проведении измерений спектральных характеристик проб:

  • Спектральный диапазон – 3 ТГц
  • Динамический диапазон – 60 дБ
  • Диапазон сканирования ОЛЗ по времени – 300 фс
  • Спектральное разрешение – 5 ГГц
  • Напряжение смещения фотопроводящей антенны – 0..±20 В
  • Частота модуляции напряжения смещения фотопроводящей антенны – 100 Гц-100 кГц
  • Напряжение сети – 110/230 В

Анализ данных мониторинга будет производиться с применением методов системологии. 

Системология – научное направление, ставящее своей целью формализацию семантики и логики общесистемных понятий для определения иерархической классификации систем, позволяющую на основе этой классификации и параллельно с ней строить классификацию системных задач и методов их решения на компьютере, не зависящих от конкретной предметной области.

Центральное место в работах Дж.Клира, Б.С. Флейшмана, П.К. Анохина, А.И.Кухтенко, Р.Калман, П.Фалб и других представителей направления занимают описания систем с поведением и структурированных систем, которыми через процедуры абстрагирования между эпистемологическими уровнями представления данных моделируются системы реального мира, с целью, в том числе, предсказания их развития, выделения и управления факторами, влияющими на него. 

Описание и обсуждение результатов

К настоящему моменту коллективом авторов созданы:

  • Программа принятия управленческих решений «AimDSS» (рис.1), выступающая основой модуля прогнозирования загрязнений и поддержки принятия управленческих решений (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2016610899).
  • База данных спектральных характеристик токсических веществ (защита ВКР Щербина А.С., 2015 г., кафедра оптоэлектроники, КубГУ) (рис.2).
  • Мобильная геоинформационная система (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015618041), предназначенная для отображений загрязненных областейна картах местности (рис.3).

В результате реализации предлагаемого проекта будет создан единый программный комплекс обработки данных терагерцовой спектроскопии грунтовых проб в целях проведения экомониторинга, с возможностью наглядной интерпретации результатов исследования и поддержки принятия управленческих решений.

Рис 1. Программа принятия управленческих решений AimDSS

Рис. 2. База данных спектральных характеристик

Рис. 3. Мобильная геоинформационная система

Помимо вывода локальных участковзагрязнений нами будет предусмотрено построений изолиний концентрации загрязняющих веществ на участке местности (рис.4) на основе опытных данных и на основе расчета с использованием математической модели динамики загрязнений. При построении кривых будут применяться методы сплайн-аппроксимации. Густота линий будет возрастать в направлении градиента концентрации вещества в почве.

Рис 4. Проект отображения изолиний концентрации загрязняющих веществ.

Для корректировки модели будут использоваться методики ГИС-моделирования по данным трехмерного лазерного сканирования кафедры геоинформатики ФГБОУ ВО «КубГУ».

Программный комплекс анализа данных экомониторинга находится в стадии разработки, однако, его реализация позволит сделать результаты терагерцовой спектроскопии наглядными и пригодными для поддержки принятия управленческих решений по хозяйственному использованию территорий, согласно следующей структурной схеме информационного процесса (рис.5):



Рис 5. Структурная схема информационного процесса

Используемые источники
1. Гусев А.А. Реализация некоторых методов системологии в компьютерной поддержке принятия управленческих решений / Гусев А.А. // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. – Краснодар: КубГАУ, 2014. – №09(103). – IDA [article ID]: 1031409075. – Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2014/09/pdf/75.pdf, 1,188 у.п.л.
2. Клир Дж. Системология. Автоматизация решения системных задач. - М.:Радио и связь, 1990. - 544 с.
3. Bentsion Fleishman, Fundaments of Systemology, Lulu.com, New York, 2007
4. Калман Р., Фалб П., Арбиб М. Очерки по математической теории систем. Пер. с англ. / Под ред. Я. 3. Цыпкина. Предисл. Э. Л. Наппельбаума. Изд. 2-е, стереотипное. — М.: Едито-риал УРСС, 2004. - 400 с.
Information about the project
Surname Name
Gusev Alexander
Project title
Environmental monitoring for toxic substances using information and communication technologies and terahertz spectroscopy
Summary of the project
The relevance of the project is in the need to develop new instruments of environmental monitoring of agricultural lands with highly reproducible methods of identification of toxic substances in the samples, with the possibility of computer processing of monitoring data for decision support.
The tool being developed must have the form of a software package, capable of interacting with the primary data of terahertz spectroscopy of soil samples and decision support based on the built-in mathematical models of the dynamics of pollutants.
Keywords
terahertz spectroscopy, decision support systems, mathematical modeling