3D-геомоделирование в исследованиях энергетики: примеры применения и перспективы Текст научной статьи по специальности «Математика»

УДК 004.41: 912

3D-ГЕОМОДЕЛИРОВАНИЕ В ИССЛЕДОВАНИЯХ ЭНЕРГЕТИКИ: ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Л.В.Массель1, Р.А.Иванов2

Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН, 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130.

Описывается возможность применения нового поколения средств и методов визуализации информации 3D-геомоделирования или неогеографии для исследований энергетики. Также дается описание языка разметки геопространственных данных KML и области применения нового подхода для исследований энергетики. Ил. 7. Библиогр. 7 назв.

Ключевые слова: 3D-геомоделирование; неогеография; исследования энергетики; KML.

3D-GEOMODELING IN POWER ENGINEERING STUDIES: APPLICATION EXAMPLES AND PROSPECTS L.V. Massel, R.A. Ivanov

Institute of Power Systems named after L.A. Melentiev SB RAS, 130, Lermontov St., Irkutsk, 664033.

The article deals with the possibility to apply a new generation of tools and methods to visualize data of 3D-geomodeling or neo-geography for power engineering studies. It also describes KML, the markup language of geospatial data, and the application fields of a new approach to the studies in power engineering. 7 figures. 7 sources.

Key words: 3D-geomodeling; neo-geography; power engineering studies; KML.

Первое десятилетие XXI века было ознаменовано появлением географических сервисов (геосервисов), радикально отличающихся от прежних обычных и цифровых географических карт и геоинформационных систем (ГИС). Первыми геосервисами, открытыми для общего пользования в июне 2005 года, явились сервисы Google Maps и Google Earth. Спустя два года количество загрузок геосервисов Google превысило 250 млн. К 2007 году около половины всего населения Голландии регулярно пользовалось сервисами Google для решения тех или иных задач.

Гигантский количественный отрыв новых геосервисов по показателю «количество пользователей» от других географических программ, также широко представленных в Интернете, позволяет говорить о качественном отличии новых продуктов от предшественников либо наличием новых технологий, либо качественно иным подходом к работе с географической информацией.

По сути дела, новые технологии в рассматриваемых геосервисах не используются. Новый подход к работе с геопространственной информацией, получивший название «Situational Awareness», или неогеография, появляется в результате слияния нескольких уже известных технологий [1].

Новые геосервисы предоставляют возможность 3й-геомоделирования - отображения пространственных объектов в трехмерной метрически точной среде, что, в свою очередь, способствует качественно иному восприятию пространственной информации.

Situational Awareness (Ситуационная осведомленность). В основе подхода лежит принцип комплексного, в минимальной степени опосредованного картографическими или иными условностями представления разнородной (общегеографической, навигационной, тактической и т.д.) информации в едином глобальном информационном пространстве в геоцентрической системе координат.

Термин «Ситуационная осведомлённость» является дословным переводом на русский язык англоязычного термина Situational Awareness, обозначающего и характеризующего особое качество систем управления, реализуемое с использованием новых подходов к организации управления вообще.

Согласно классическому определению, принцип Situational Awareness представляет собой «чувственное восприятие элементов обстановки в едином пространственно-временном континууме, осознанное восприятие их значения, а также проецирование их в ближайшее будущее». [Situational Awareness - the perception of elements in the environment within a volume of time and space, the comprehension of their meaning, and the projection of their status in the near future] [2].

При дословном переводе термина Situational Awareness на русский язык утрачивается его истинный смысл и сводится к управлению посредством документально точной, ориентированной на чувственное восприятие, информационной среды, не фрагменти-рованной по пространственному, масштабному, тематическому, ведомственному либо иным признакам.

1Массель Людмила Васильевна, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник, тел.: (3952) 429619, email: [email protected]

Massel Lyudmila, Doctor of technical sciences, Professor, Chief Researcher, tel.: (3952) 429619, e-mail: [email protected]

2Иванов Роман Андреевич, аспирант, тел.: 89501466157, e-mail: [email protected] Ivanov Roman, Postgraduate Student, tel.: 89501466157, e-mail: [email protected]

Создание такой информационной среды, возможное благодаря принципу неогеографии, позволяет решить проблему свободной циркуляции локализованной в пространстве и во времени информации по структурам управления в частности, между ярусами власти.

Неогеография. Термин «неогеография» получил широкое распространение после появления геосервисов Google. История употребления термина "неогеография" в иных значениях прослеживается вплоть до 1920-х годов. Признание среди специалистов термин обрёл после выхода в свет в конце 2006 года книги Эндрю Тёрнера "Введение в Неогеографию" (Introduction to Neogeography) [3].

Согласно российскому определению [1, 4, 5], неогеография - это новое поколение средств и методов работы с геопространственной информацией, отличающееся от предыдущих (карт и ГИС) тремя основными признаками:

• использованием географических систем координат, а не картографических проекций;

• применением растрового, а не векторного представления географической информации в качестве основного;

• использованием открытых гипертекстовых форматов представления геоданных.

Основой принципа неогеографии является отказ от использования механизма картографических проекций. Вместо этого информация хранится не в виде проекции её на что бы то ни было, а в геоцентрической системе координат, гарантирующей уникальность её локализации без ущерба для детальности. Это, разумеется, не означает отказа от карт или от картографической информации. Карты и картографические продукты могут входить в новые информационные среды в качестве одного из их элементов. При этом обеспечивается естественное представление трёхмерного пространства без утраты метрической достоверности, поскольку средства измерения интегрированы в интерфейс управления.

Основным носителем информации в геосервисах выступают данные дистанционного зондирования (космические и аэроснимки) позволяющие формировать образ местности в очень широком диапазоне

масштабов. Они служат при этом контекстом, с помощью которого пользователи могут создавать собственные, трёхмерные и четырёхмерные (динамические трёхмерные) модели событий, процессов и объектов.

Существует несколько подходов к созданию геопространственных данных. Одним из них является загрузка в геосервис файла в формате KML.

Язык разметки геопространственных данных KML. KML (Keyhole Markup Language - язык разметки Keyhole) - язык разметки на основе XML, разработанный компанией «Keyhole» и служащий для представления трёхмерных геопространственных данных. KML-файлы обычно распространяются в формате KMZ, являющемся результатом сжатия KML-файлов ZIP-способом.

Для каждого объекта задаются основные геоинформационные свойства (широта, долгота, высота, привязка к рельефу или поверхности Земли), краткое описание объекта, рекомендуемый ракурс наблюдения отмеченного на карте места, то есть рекомендуемые высота, азимут и угол наклона «виртуальной камеры».

Объекты внутри KML-файла можно организовать в иерархические структуры папок и подпапок, чтобы было удобнее совместно включать и отключать отображения взаимосвязанных групп объектов.

KML-файл может содержать ссылки (в URL-форме) на другие файлы в формате KML или KMZ, расположенные где-либо в сети Интернет, и задавать условия и регулярность загрузки и отображения данных из этих внешних источников.

Начиная с четвертой версии, Google Earth вводит четвертое измерение - время, то есть объекты можно отображать только в определенный момент времени или на определенное время (диапазон) [6].

Объекты KML

KML-файл определяет один или несколько объектов. Этими объектами могут быть:

1. Метка (Point)

Метка может быть точкой для обозначения различных объектов (рис. 1,а), а также может содержать информацию об объекте или местности (рис. 1,б). Информация может быть различного типа -текст, изображение, график, таблица, видеофайл и др.

а б

Рис. 1. Метка «Ново-Иркутская ТЭЦ» (а); информация о выработке электроэнергии и отпуске тепла в

метке «Ново-Иркутская ТЭЦ» (б)

Пример описания метки в KML:

<Placemark id="НовоИркутскаяТЭЦ"> //объект - Метка

^^^Ново-Иркутская ТЭ^^^^ //имя объекта

<description>Россия, Иркутская область, Иркутский район

<![CDATA[<img src="nitec.JPG"width="350"> <img src="nitec2.JPG" width="350" >]]> //Описание объекта

</description>

<Point> //координаты метки

<coordinates>104.2029668095965,52.245257626150 9,0</coordinates> </Point> </Placemark>

2. Сегментированная линия (LineString) Представляет собой набор точек (широта,

долгота, высота) и соединяет их в порядке их следования в файле KML. Для каждой линии задается стиль, который описывает ее характеристики: толщина, цвет, прозрачность (рис. 2,а). Также для линии можно настроить характеристики отображения, такие как зависимость от рельефа, сглаживание углов, соединение с поверхностью Земли и др. (рис. 2,б).

3. Многоугольник (LinearRing) Представляет собой массив точек (широта,

долгота, высота), замкнутый и залитый цветом (рис. 3,а). Настраивается привязка к рельефу, цвет, прозрачность. На рис. 3,б изображен объемный многоугольник. Каждая из вершин многоугольника может иметь разную высоту для обеспечения

трехмерности и отображения различных поверхностей.

4. Изображение (GroundOverlay)

Определяется положение изображения на

поверхности Земли, а также его масштаб (рис. 4,а). Также можно разместить изображение на экране, не перемещающееся вместе с картой, например, логотип (рис. 4,б);

5. Модель

Трёхмерную модель можно задать двумя способами: заданием высоты плоских фигур (вытягиванием) и ссылкой на полноценную модель в формате Collada. Полноценная 3й-модель создается в программе трехмерного моделирования, например Google SketchUp. На рис. 5,а и 5,б представлены модели ГЭС и ТЭЦ, созданные в САПР Google SketchUp.

Исходя из вышесказанного, геосервисы являются новым, развивающимся инструментальным средством визуализации, дополняющим ГИС-технологии. Вместе они представляют собой одну из частей интегрированной интерактивной интеллектуальной информационно-аналитической системы (4i-system). Основные преимущества геосервисов - трехмерное всеракурс-ное отображение информации и единая среда создания, редактирования и обмена геопространственной информацией.

Перспективы применения 3D-геомоделиро-вания для исследований энергетики. В исследованиях энергетики, как и в любых научных исследованиях, оперирующих геопространственными данными, необходима визуализация информации. Большинство энергетических объектов, процессов и величин можно

а б

Рис. 2. Сегментированные линии различной толщины (а); линии, огибающие рельеф (б)

а б

Рис. 3. Многоугольник на поверхности земли (а); трехмерный многоугольник (б)

а б

Рис 4. Наложенное на поверхность Земли изображение извержения вулкана Этна в 2001 г. (а); логотип ИСЭМ в правом верхнем углу экрана находится постоянно (б)

а б

Рис. 5. Модель ГЭС на реке Иркут в районе порога Бык (а); модель ТЭЦ (б)

отразить, используя принципы неогеографии. На данный момент выявлено несколько областей энергетики, для которых целесообразно применять новую технологию (неогеографию).

Гидроэнергетика

• Среднесрочное прогнозирование гидроэнергетического потенциала:

■ оценка паводков,

■ риск опасных ситуаций,

■ моделирование площадей затопления новых и изменение уровней существующих водохранилищ.

• Оценка уровней бьефов:

■ уточнение уровней водохранилищ,

■ мониторинг уровня.

• Чрезвычайные ситуации (ЧС) на объектах:

■ моделирование ЧС с заданными условиями,

■ выявление компенсирующих мер.

Гидроэнергетика является очень перспективной

областью для неогеографии, т.к обладает большим количеством «красивых» (с точки зрения визуализации) задач, но существуют трудности в получении исходных данных и возникают проблемы прогнозирования из-за неоднозначности и неопределенности информации. На рис. 6 изображен демонстрационный прототип ГЭС на реке Иркут в районе порога Бык и смоделированное водохранилище.

Экология

При исследованиях антропогенного воздействия на природную среду объектов энергетики возникает необходимость визуализировать:

• для энергетических объектов региона или субъекта РФ - установленное оборудование, степень

улавливания вредных примесей, расчетные выбросы в атмосферу и сбросы в водные объекты;

• ранжирование территории по степени загрязнения различными примесями в зависимости от высоты труб, времени года, розы ветров и т.д.;

• перечень возможных природоохранных мероприятий с техническими и стоимостными показателями;

• последствия в экологической ситуации при внедрении того или иного природоохранного мероприятия.

На рис. 7 изображен демонстрационный прототип трехмерной модели ранжирования территории по степени загрязнения от выбросов Ново - Иркутской ТЭЦ.

Возобновляемые источники энергии

Для визуализации информации по возобновляемым природным энергоресурсам:

• на уровне регионов и субъектов РФ - отображение валового и технического потенциала ветро-, гидро-, гелиоэнергетических, геотермальных ресурсов и их основных показателей (средней скорости ветра, прихода солнечной радиации, скорости течения, расхода воды и температуры пароводяной смеси);

• по сети гидрометеостанций - детальная информация для расчета возможной выработки электро-и теплоэнергии (вероятностное распределение скорости ветра, изменение прихода солнечной радиации, расхода воды по месяцам в течение года);

• по возобновляемым источникам энергии - типы, рабочие характеристики, вывод результатов расчета выработки электро- и теплоэнергии, стоимостные показатели;

Рис. 6. Демонстрационный прототип плотины и области затопления

Рис.7. Ранжирование территории по степени загрязнения от выбросов ТЭЦ

• по потребителям - электрическая и тепловая нагрузка, характеристики существующих энергоисточников, цены на топливо для технико-экономического сравнения вариантов обеспечения потребности в электро- и теплоэнергии.

Нефтегазовая отрасль

Возможно отражение информации по размещению на территории месторождений углеводородов с указанием запасов и добывных возможностей, различных вариантов трасс нефте- и газопроводов, вариантов размещения газоперерабатывающих и газохимических заводов и потребностей различных регионов в их продукции (сжиженный газ, пропан-бутан, полиэтилен и т.п.), а также потребности энергетических объектов в природном газе. Возможно приложение и к

решению задач газификации: протяженность газопроводов - отводов до населенных пунктов, определение цены газа в различных точках магистрального газопровода, с учетом транспортной составляющей [7].

Не менее важна визуализация информации при решении задач транспортировки энергетических ресурсов:

• возможные маршруты доставки разных видов топлива (уголь, нефтепродукты) от различных топливных баз с выводом результатов расчета цены у потребителя с учетом транспортных затрат;

• возможные варианты прокладки линий электропередачи, газопровода, дорог и т.п.;

• расчетные показатели стоимости транспортировки ресурсов для обеспечения экономической выгоды.

Выводы. Неогеография (Эй-геомоделирование) -новая перспективная технология визуализации разнородной информации, характеризующаяся следующим:

• легко интегрируется с традиционными ГИС-технологиями;

• существуют и развиваются инструментальные средства разработки и обмена геопространственной информацией;

Библиографический список

1. Ерёмченко Е.Н. Неогеография: особенности и возможно- 4. Материалы сти // Материалы конференции «Неогеография XXI-2009» IX Международного Форума «Высокие технологии XXI века». Москва, апрель 2008. М., 2008.

2. Mica R.EndsIey, Daniel J. Garland. Situation awareness: analysis and measurement / Lawrence Erlbaum Associates, 2000, ISBN 0805821Э41, 9780805821Э45.

3. Andrew Turner. Introduction to Neogeography / O'Reilly Media, 2006, ISBN 10: 0-596-2995-3| ISBN 1Э: 9780596529956.

• инструментарий вызывает интерес у специалистов-энергетиков.

Рассмотрена на практических примерах возможность применения Эй-геомоделирования для решения задач в нескольких областях энергетики, таких как: гидроэнергетика, экология, возобновляемые источники энергии, нефтегазовая отрасль, задачи транспортировки ресурсов. Для всех этих областей сформированы основные задачи и пути их решения.

портала «Неогеография» -http://www.neogeography.ru.

5. Материалы портала «Протвино» - http://www.vProtvino.ru.

6. Справочное руководство KML -http://www.code.google.com/apis/kml/documentation/

7. Ivanov R.A., Massel L.V. Possibility of application of situational awareness in energy research / CSIT 2010, proceedings vol.1, ISBN 9785422100859.

УДК 004.832.34

ОЦЕНКА УГРОЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ РЕГИОНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ «НЕЧЕТКОЙ» КАРТЫ РИСКОВ

В.А.Силич1, М.П.Силич2

1Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30.

2Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40.

Предлагается метод экспертной оценки угроз энергетической безопасности региона с использованием «нечеткой» карты рисков. Метод позволяет определить интегральную оценку с учетом вероятности наступления неблагоприятного события, создающего угрозу энергетической безопасности, и последствий наступления данного события в условиях отсутствия достоверных данных. Ил. 5. Табл. 2. Библиогр. 7 назв.

Ключевые слова: угрозы; энергетическая безопасность; карта рисков; нечеткий вывод.

ASSESSMENT OF THREATS TO REGIONAL ENERGY SAFETY WITH THE USE OF A "FUZZY" RISK MAP V.A.Silich, M.P.Silich

National Research Tomsk Polytechnic University, 30, Lenin Av., Tomsk, 634050.

Tomsk State University of Control Systems and Radio Electronics, 40, Lenin Av., Tomsk, 634050.

The authors propose the method for the expert assessment of threats to regional energy safety with the use of a "fuzzy" risk map. The method allows to determine the integral evaluation, taking into account the probability of an adverse event that creates the threat to energy safety, and the consequences of this event under the absence of reliable data. 5 figures. 2 tables. 7 sources.

Key words: threats; energy safety; map of risks; fuzzy inference.

Введение. Актуальность проблемы энергетической безопасности (ЭБ) обусловлена важной ролью, которую играет топливно-энергетический комплекс в

экономике страны, а также нарастанием количества угроз ущерба безопасности. Под энергетической безопасностью будем понимать состояние защищенности

1Силич Виктор Алексеевич, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой оптимизации систем управления, тел.: (3822)420760, e-mail: [email protected]

Silich Victor, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Control System Optimization, tel.: (3822)420760, e-mail: [email protected]

2Силич Мария Петровна, доктор технических наук, профессор кафедры автоматизации обработки информации, тел. (3822) 701591, e-mail: [email protected].

Silich Maria, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Automation of Information Processing, tel.: (3822) 701591, e-mail: [email protected]