4.Проблемы программной реализации прикладных моделей

Прикладные модели, используемые для прогноза загрязнения атмосферы и оценки его последствий, представляют собой эмпирически установленные довольно громоздкие наборы правил, справочных данных, табличных и функциональных зависимостей. Наиболее полные из моделей включают в себя также алгоритмы численного решения уравнений в частных производных, требующие задания начальных и граничных условий, которые приходится доопределять в соответствии с анализируемыми ситуациями.

Круг решаемых задач и характер представления входной и выходной информации разнообразны. Поэтому программный блок расчетных моделей информационно-аналитической системы экологических служб должен быть снабжен средствами управления заданием начальных и граничных условий, средствами управления обменом информацией с базами данных, средствами графического представления результатов расчетов и справочной подсистемой. Должна быть предусмотрена возможность автоматического выбора модели и задания начальных и граничных условий для типичных ситуаций, которые будут определены в процессе опытной эксплуатации системы.

В настоящем учебном пособии мы определим только специфические проблемы, возникающие при разработке комплекса программ для вычислительного моделирования загрязнения атмосферы, а затем, в последующих пособиях, обсудим пути и информационные технологии их решения.

1. Самостоятельная и непростая задача: получить удовлетворяющую пользователя точность реализации трехмерных нестационарных моделей в

96

условиях ограниченности вычислительных ресурсов. Потребуется использование и разработка высокоэффективных численных методов.

2. Высокая специфичность численных моделей предъявляет определенные требования и к организации пользовательского интерфейса. Его сложно описать в "бытовых" терминах. Поэтому разработчики должны идти от моделирования типичных ситуаций, практических требований к точности приближения и реальных вычислительных ресурсов ПЭВМ пользователя, и информационной системы. Для облегчения работы с комплексом численных моделей необходимо организовать несколько видов диалога.

По умолчанию решаются типичные задачи. Для них заранее определены модели, методы, начальные условия и параметры. Через меню предопределена последовательность действий. Контекстные подсказки и возможность безбоязненно "поиграть" некоторыми параметрами позволяют освоить работу с комплексом.

Диалог со специалистом-экологом организуется в терминах, привычных пользователю. Определяются модели, методы, начальные условия и параметры. Необходимое доопределение, в зависимости от желания пользователя, производится либо по умолчанию, либо по умолчанию с возможностью коррекции. Если желания пользователя выходят за рамки возможностей метода или комплекса, то должны быть обозначены рамки с указанием возможности или невозможности их преодоления.

Диалог с пользователем-профессионалом в области вычислительной математики должен обеспечить доступ к библиотеке прикладных программ и возможность составления проекта собственного задания и подключения собственных модулей. Следует иметь в виду, что программной реализацией численных моделей и интерфейса могут заниматься разные люди. Поэтому такой подход облегчит разработку комплекса и обеспечит условия расширения его возможностей.

97

Таким образом, предстоит разработать систему многоуровневого меню, позволяющего пользователю (в зависимости от стоящей перед ним задачи, уровня его квалификации и степени подробности входной информации) с минимальными потерями личного времени достичь желаемого результата. Должна быть предусмотрена возможность подготовки типовых проектов заданий и их запуска одной командой, минуя всю последовательность операций выбора меню за исключением тех, которые принципиально требуют вмешательства оператора.

3.Комплексу предстоит обрабатывать огромные массивы разнородной информации по источникам загрязнения атмосферы промышленными

итранспортными объектами. Этот вид работ удобнее реализовывать на программных языках типа FoxPro, FoxBase, Clipper. Расчетные модели программируют на языках иного типа - С++, FORTRAN, Pascal, Delphi, Assembler. В этой связи потребуются специальные усилия на разработку и создание программных средств, обеспечивающих обмен информацией между базами данных (БД) и расчетными моделями.

4.Результаты большинства расчетных моделей представлены в виде двумерных распределений, которые для повышения информативности желательно совмещать с картами местности. Для решения этой задачи потребуется разработка и создание программ, обеспечивающих связь блока расчетных моделей с блоком графического представления результатов расчетов и картографическими базами данных.

Стандартные программные средства, обычно используемые для графического представления численной информации, в нашем случае не применимы. Во-первых, эти мощные программные комплексы требуют квалифицированного обращения, во-вторых, зачастую нужна лишь часть их возможностей. Поэтому предстоит разработать и создать программные средства, обеспечивающие графическое представление многомерных ре-

98

зультатов расчетов в максимально простом и информативном виде. Интерфейс должен быть простым и удобным.

5. Особо нужно отметить, что точно определить количество и качество моделей, входящих в комплекс, принципиально невозможно из-за проблемного характера решаемых задач и постоянно развивающихся средств их решения (имеются в виду методические, аппаратные и программные средства). Поэтому целесообразно выбирать такие технологии программирования, которые позволили бы в ситуации нестрого формализованной постановки задачи создавать наборы функционально независимых модулей, предназначенных для ее решения. Такие модули (задания начальных данных, расчеты по математическим моделям, обработка результатов) сами являлись бы записями – элементами базы данных. Наиболее целесообразным подходом для реализации БД с такими свойствами является объектно-ориентированный подход к программированию.

Например, в базе данных начальных условий для задач математического моделирования вариантами данных могут являться заданные таблично экспериментальные значения, определяемые стандартными математическими функциями функциональные зависимости, наборы измеренных аналоговым способом кривых в графическом представлении. Для выполнения конкретного расчета по одной из моделей, образующих в свою очередь собственную базу данных, из БД начальных условий выбирается один ее элемент (запись) со всеми необходимыми параметрами. При этом совершенно неважно, в каком из вышеперечисленных видов введены данные этой записи, – хранящиеся вместе с ними процедуры обработки обеспечат всей необходимой информацией запросы расчетного блока. Если используются модели разной степени точности (одномерные, двумерные, трехмерные), требующие начальные условия разного типа, то в этом случае иерархия объектов ООБД позволит эффективно реализовать базу данных:

99

одномерный случай может выступить в роли "родителя", свойства которого наследуются в двумерном, и т.д.

Поскольку комплекс предназначен для работы в информационноаналитической системе природоохранных служб, то результаты расчетов будут использоваться в экспертных системах и системах поддержки принятия решения. Поэтому его программная реализация должна быть согласована с принципами программной организации системы в целом. Программные комплексы такого класса не создаются одномоментно и предназначены для продолжительной эксплуатации.

Аналитические и прогностические системы для решения задач управления территорией сложны, их постоянно совершенствуют, модифицируют или дорабатывают для конкретных условий. Время создания информационных систем рассматриваемого масштаба и сложности существенно превышает время жизни инструментальных программных и аппаратных средств. Для их создания требуются усилия различных людей, разговаривающих на разных профессиональных языках. В этой связи хотелось бы наряду с автоматизмом управления сложностью (например декомпозиции) иметь механизм поддержки эволюции информационной системы. С нашей точки зрения, при разработке информационных систем такого уровня сложности должен существовать регулярный (не автоматический) механизм перехода от одной системы понятий к другой и переходы от простых (очевидных) теорий к более сложным, изощренным. Это можно сделать, например, с использованием языка Forth на базе общего тезауруса, включающего в качестве своих слов как «атомы действия» (подпрограммы), так и «атомы данных» (структуры БД). Такой подход обеспечивает поддержку эволюционного механизма, позволяющего проследить эволюцию теорий и их реализации в рамках модели информационной системы и ввести в контекст ее проекта любого человека, не являющегося исходно разработчиком модели. Так можно выполнить реальную передачу идеоло-

100