Розробка інформаційної технології нелінійної робастної сплайн-обробки даних в системі моніторингу

 

Для двовимірної сплайн-регресії застосовані робастні алгоритми: обчислення зсуву з модифікованими залишками, метричне вінзорування даних, репараметризація моделі, обчислення зсуву з модифікованими вагами.

У четвертому розділі наведено реалізацію обчислювальних схем сплайн-регресійного аналізу у вигляді програмних процедур, які були включені до програмного середовища рішення задач кореляційного та регресійного аналізу REGRS. За своєю структурою вона належить до підсистем загального призначення обробки статистичних даних та відновлення залежностей.

Структурно підсистема містить:

обчислювальні процедури одновимірного та багатовимірного регресійного та сплайн-регресійного аналізу;

розвинений програмний інтерфейс, який дозволяє здійснити керування обчислювальним процесом, управління вводом та виводом інформації;

організацію обчислювального процесу, який базується на формуванні вирішальних правил для автоматичного вибору найбільш адекватної моделі, зберігання моделей у базі знань в аналітичному й табличному вигляді з метою подальшого аналізу.

Підсистема не є жорстко прив’язаною до даних – можлива обробка статистичних масивів будь-якої природи, наприклад з галузей: аерокосмічної техніки, соціометрії, економіки, картографування, екології.

Програмне середовище REGRS складається із блоків: створення, імпорт і ведення даних; статистична обробка даних; виведення результатів.

База даних організована у вигляді набору DBF-файлів, зібраних в ієрархічну структуру, що дозволяє систематизувати накопичену інформацію та прискорити пошук необхідних даних. Швидкість переходу від однієї задачі до іншої, звертання до баз забезпечується структурою програмного середовища. При управлінні знаннями організовано взаємодію між базою знань та програмними засобами.

Блок роботи з даними призначений для ведення баз даних: створення, наповнення, коригування даних; передбачена конвертація баз даних із однієї структури в іншу. Окрім цього, реалізовано зберігання даних у бінарних і текстових файлах паралельної структури.

У програмному середовищі інтерфейс користувача представлений ієрархічним меню, організацією вводу даних та вихідними формами. Для виводу результатів розроблені вихідні форми у вигляді таблиць та графіків. Виведення інформації здійснюється на екран, на принтер та в базу знань.

Програмне середовище реалізовано в системах моніторингу. Приведено застосування системи REGRS для адекватного відновлення залежностей у задачах гідрохімічного моніторингу техногенних регіонів, зокрема для вирішення задач екологічного моніторингу в зоні дії гірничорудних підприємств Кривбасу. В зоні дії ГЗК існує мережа гідроспостережних свердловин. На основі матеріалів Саксаганської гідрогеологічної партії Міністерства промислової політики України сформовані бази даних, які містять результати спостережень за рівнями розташування та за хімічним складом води у свердловинах.

На основі накопиченої інформації проведені дослідження та визначені основні тенденції техногенної метаморфізації природних вод. Відновлені одновимірні (у точках спостережень і за гідрогеологічними профілями) та багатовимірні (по площах) регресійні моделі вмісту макрокомпонентів (хлор-іону, сульфат-іону, мінералізації) у пробах води із свердловин. Побудовані поліноміальні сплайн-регресійні моделі (рис. 1) дозволяють враховувати точку структурної зміни при оцінці рівня вмісту макрокомпонентів при віддаленні від хвостосховища, де починається вплив промислового майданчика.

У технологічному циклі збагачення руд на ПівнГЗК використовуються як води хвостосховища, так і води промислового майданчика. Таким чином, промисловий майданчик є другим джерелом формування гідрохімічних типів підземних вод. Далі за профілем спостерігається незначне підвищення вмісту макрокомпонентів у підземних водах, що може бути пов’язано з впливом комунальної мережі на території житломасиву.

Програмне середовище REGRS дозволяє будувати трьохвимірне відображення поверхонь відновлених моделей. При цьому здійснюється автоматичне прив’язування трьохвимірної карти до схем місцевості та топографічних карт, які зберігаються в графічних файлах поширених форматів (pcx, bmp та ін.), крім того, реалізується відображення поверхонь з прив’язкою до місцевості.

На основі одержаних моделей стає можливим рішення задач кількісної оцінки рівнів підземних вод. На карті ізоліній відтворена лінія склеювання поверхонь, яка є місцем найвищого положення п’єзометричного рівня підземних вод, показані напрямки руху вод від високих відміток до більш низьких. Наявність структурних змін на ділянці поверхні обумовлена тим, що в результаті експлуатації промислового майданчика ГЗК утворився “купол” розтікання грунтових вод, причому потік і лінії розділу поширюються в північно-східному та південно-східному напрямках.

Аналіз одержаних моделей дозволяє характеризувати вузли склеювання поверхневих моделей як зміну джерела впливу на хімічний склад підземних вод на ділянці або виділення декількох джерел. Порівняння декількох моделей, побудованих на різних гідрогеологічних ділянках, дає можливість оцінити ступінь техногенного впливу на природні води. Крім цього, одержані моделі включені в базу знань про стан природного середовища в районах гірничовидобувної промисловості, що є основою для прийняття рішень, метою яких є поліпшення екологічної ситуації на території ГЗК.

Застосування згладжуючих сплайн-регресій при побудові гідрохімічних карт дозволяє вирішувати такі задачі:

найбільш адекватно відтворювати реальну гідрохімічну ситуацію на досліджуваній території для оцінки екологічної ситуації;

визначати оптимальну гідрорежимну мережу спостережень та періодичність пробування;

оцінювати за допомогою моделей та карт, побудованих на різні дати, мінливість гідрохімічної ситуації та формувати блок баз знань у розробленій автоматизованій інформаційно-картографічній системі.

 

1. Необхідність підвищення адекватності відновлення залежностей у системах автоматизованої обробки статистичних даних, у тому числі в системах моніторингу, обумовила розробку відповідного інформаційного забезпечення, в основу якого покладено обчислювальні процедури, що базуються на сплайн-перетвореннях. Проведений аналіз дозволив визначити та обгрунтувати задачі та