Informatyka i inteligentne zarządzanie dla potrzeb środowiska do rozwiązywania jego problemów

Pełen tekst

(1)INFORMATYKA I INTELIGENTNE ZARZDZANIE DLA POTRZEB RODOWISKA DO ROZWIZYWANIA JEGO PROBLEMÓW ANDRZEJ STRASZAK, Szkoła Wysza im. Pawła Włodkowica, Płock JAN STUDZISKI Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy Streszczenie W artykule omówiono rozwój i zakres zastosowa informatyki i zarzdzania w inynierii i ochronie rodowiska w Polsce i na wiecie, a take przedstawiono opis systemu informatycznego przygotowanego przez IBS PAN dla MPWiK w Rzeszowie, jako przykład konkretnego zastosowania informatyki rodowiskowej. Słowa kluczowe: informatyka rodowiskowa, inteligentne zarzdzanie, SWD do zarzdzania dystrybucj wody 1. Wprowadzenie Moliwoci obliczeniowe człowieka, którego mózg zawiera 1011-1012 neuronów, a take zespoły rachmistrzów wystarczały ludzkoci do rozwizywania jej problemów do pocztku lat 40tych ubiegłego wieku. Zauwayli to wybitni matematycy: Norbert Wiener i John von Neuman, a take inni uczeni z nauk technicznych. Wiener, bdc jeszcze studentem na praktyce w orodku obliczeniowym artylerii USA, zauwaył to ju w okresie I wojny wiatowej. Genialny matematyk angielski Alan Turing w latach 30-tych ubiegłego wieku udowodnił, e mona zbudowa prost automatyczn maszyn cyfrow do dowolnie złoonych oblicze posiadajc odpowiedni algorytm obliczeniowy. Maszyna cyfrowa Turinga była abstrakcyjna, wic naleało znale jej realizacj techniczn. Okazało si, e odpowiednie elementy techniczne ju zostały wynalezione, lecz były uywane do innych celów. Jednym z takich elementów była elektroniczna lampa próniowa, uywana w odbiornikach i nadajnikach radiowych oraz urzdzeniach radarowych. Dziki wpływom von Neumana w strefach rzdowych i wojskowych oraz dziki wierze Wienera, e uda si zbudowa. automatyczny kalkulator, znacznie szybszy od najlepszego rachmistrza, uzyskano niemałe wówczas rodki finansowe dla artylerii USA do budowy automatu do liczenia torów pocisków. W połowie lat 40-tych ubiegłego stulecia automat był ju gotowy, ale II wojna wiatowa zdyła si skoczy i aby automat nie został eksponatem muzealnym, John von Neuman znalazł nowych klientów: pierwszego w orodku budowy bomb atomowych, drugiego w powstałym 60 lat temu orodku bada naukowych i strategicznych o nazwie RAND Corporation. Komputer dla Rand’u nazwano Johniac. Polskie rodowisko bada systemowych w czasie tegorocznej krajowej konferencji BOS’2008 60-leciu RAND Corporation powica sesj specjaln. rodowisko to, we współpracy z RAND Europe, podjło równie inicjatyw uruchomienia w Polsce orodka RAND Polska, w ramach offsetowych rodków finansowych zwizanych z zakupem myliwców F-16. Pomysł ten nie.

(2) POLSKIE STOWARZYSZENIE ZARZDZANIA WIEDZ Seria: Studia i Materiały, nr 17, 2008. 159. uzyskał jednak poparcia rzdowej strony polskiej. Gdyby ta zgoda była, dzisiaj RAND Polska mógłby by w pełni gotowy do rozwizania strategicznych problemów Polski. W czasach pierwszych komputerów nikt na wiecie nie miał pomysłu, jak uywa komputerów lub informatyki do problemów rodowiskowych, poniewa nie istniały wówczas takie problemy na wiecie. Powstały one dopiero w latach 60-tych ubiegłego wieku, w czasie gwałtownego uprzemysłowienia Japonii. Problemy niszczenia rodowiska i marnotrawienia zasobów surowcowych planety zainteresowały Klub Rzymski i powstało wtedy pierwsze wykorzystanie komputerów do symulacji długoterminowej dotyczcej spraw rodowiska, gospodarki surowcowej i demografii w skali planety ZIEMIA. Obliczenia wykonano na uczelni amerykaskiej wykorzystujc dorobek MIT w zakresie symulacji opartej na „dynamice systemów”. Komputery w USA w drugiej połowie lat 60-tych ubiegłego wieku mogły dokona symulacji tylko bardzo uproszczonych modeli, tym nie mniej uzyskano bardzo wany wynik – zainteresowano ONZ i cały wiat problemami rodowiska, marnotrawstwa energii i surowców oraz problemami dynamiki rozwoju ludnoci wiata. W 1969 roku odbył si Pierwszy Szczyt wiatowy Problemów rodowiska, na którym podjto wiele wanych działa, w wielu krajach powstały ministerstwa zajmujce si problemami rodowiskowymi. Dziki komputerom mona ju było podj spraw globalnego, kontynentalnego, krajowego, regionalnego i lokalnego zarzdzania rodowiskiem. W przyszłym roku bdzie 40-lecie otrzymania pierwszych rezultatów z zakresu zastosowa informatyki w problematyce rodowiskowej. Zgodnie z obowizujcym w rozwoju informatyki prawem Moore’a, komputery i superkomputery w 2009 roku s nieporównywalne ze swoimi odpowiednikami z 1969 roku. Ograniczeniem zastosowania informatyki w inteligentnym zarzdzaniu rodowiskiem na wszystkich poziomach decyzyjnych nie jest potencjał obliczeniowy hardware’u i software’u informatycznego, ale niedostateczny wysiłek B+R w obszarze finansowym i zatrudnienia w tematyce rodowiskowej. Z wielu tysicy scenariuszy rozwoju wiata na całe obecne stulecie (rand.org) wykonanych na pocztku obecnej dekady wiemy, e jedynie tak zwana klasa scenariuszy pn. Wielkie Przemiany a z tej klasy scenariusz Eco-Wspólnotowy s dostatecznie optymistyczne. Autorzy rozszerzyli klas tych scenariuszy na klas scenariuszy Eco-Info-TechnoWspólnotowych, co podkrela niezbdn rol zaawansowanej informatyki, jak ma ona do spełnienia w 21 wieku, oraz podkrela konieczno niezbdnego umasowienia proekologicznych technologii w energetyce, przemyle i usługach, a take w rolnictwie i medycynie. Warunkiem koniecznym rozwoju a nie samobójstwa ludzkoci jest zwikszenie nakładów na badania naukowe i rozwój (B+R) w skali wiata do rzdu 5 do 6 procent PSB w połowie 21 wieku z zastosowaniem ich w istotnej czci, jako „dopalacza” rozwoju według scenariusza Eco-InfoTechno-Wspólnotowego. W latach 2010-2030 wiatowe nakłady B+R powinny osign co najmniej 3 procent PSB a wic tyle, ile wynosi jeden z celów Strategii Lizboskiej UE na rok 2010. Problem zmian klimatycznych wiata wymaga bardzo intensywnych bada naukowych i symulacji komputerowych wraz z wyznaczeniem trendów globalnego ocieplenia, wie si z tym problem zmniejszenia marnotrawstwa zdolnoci i pracy, w tym szczególnie pracy twórczej, zmniejszenia marnotrawstwa zasobów finansowych, wiedzy technologicznej i naukowej oraz zmniejszenia marnotrawstwa spowodowanego złym zarzdzaniem. Wymaga to radykalnych przemian o charakterze wspólnotowym..

(3) 160. Andrzej Straszak, Jan Studziski Informatyka i inteligentne zarzdzanie dla potrzeb rodowiska do rozwizywania jego problemów. 2. Stan bada rodowiskowych w Polsce i na wiecie Zacztki zastosowa informatyki w ochronie rodowiska, jako odrbnego kierunku bada naukowych, mona wiza z połow lat 80-tych ubiegłego wieku. W 1987 roku grupa naukowców niemieckich rozpoczła cykl konferencji pod nazw Umweltinformatik i Informatik für den Umweltschutz. Ze wzrostem udziału w nich naukowców z poza krajów niemieckojzycznych zaczto organizowa konferencj pod angielskojzyczn nazw Informatics for Environmental Protection, z przyjtym skrótem EviroInfo. XXI konferencja z tego cyklu odbyła si w 2007 roku w Warszawie, zorganizowana przez Instytut Bada Systemowych PAN we współpracy z niemieck Gesellschaft für Informatik. W konferencji warszawskiej aktywny udział wził dr Haliniak – Główny Inspektor Ochrony rodowiska w Polsce, dla którego IBS PAN opracował ekspertyz z zakresu wykorzystania modeli matematyczno-systemowych w obszarze zarzdzania rodowiskiem.. Rys. 1. Umiejscowienie modeli matematyczno-systemowych w rozwinitej Strategii Lizboskiej Obecne wyniki otrzymywane w zakresie inynierii i techniki rodowiskowej oraz informatyki i zarzdzania rodowiskiem nie s jeszcze satysfakcjonujce. Niezbdna jest całkowita cyfryzacja sektora rodowiska w obszarze pozyskiwania i archiwizowania danych oraz wizualizacji informacji i wiedzy. Problematyka rodowiska wymaga szerokiego i głbokiego wsparcia badawczego ze strony wszystkich technologii inynierskich i bio-inynierskich. Inteligentne zarzdzanie, jako dominujce w 21 wieku, musi przede wszystkim by wdraane do praktyki..

(4) POLSKIE STOWARZYSZENIE ZARZDZANIA WIEDZ Seria: Studia i Materiały, nr 17, 2008. 161. Rys. 2. Umiejscowienie modeli matematyczno-systemowych w programie ramowym FP7 ICT W Polsce w niedostatecznym stopniu wykorzystuje si naukowców z bada systemowych, informatyki, zinformatyzowanego zarzdzania i monitorowania oraz optymalizacji do rozwizywania coraz waniejszych i coraz bardziej złoonych wielodyscyplinarnych problemów operacyjnych, strategicznych i wynikajcych z foresightu oraz backsightu. Wród kilku programów foresightowych rzdu Wielkiej Brytanii obecnie opracowywanych, jest jeden dotyczcy rodowiska. Jest to program o bardzo szerokim zakresie i dalekim, bo a 50-letnim horyzoncie czasowym. Ma on zbada , w jakim zakresie kształtowanie rodowiska Wielkiej Brytanii bdzie wymagało pomocy technik zarzdzania do uzyskania niezbdnych przekształce w cigu nastpujcych piciu dekad. Program jest trzy-ministerialny, kierowany zespołowo przez trzech sekretarzy stanu, a mianowicie z Ministerstwa Mieszkalnictwa, Planowania Wspólnot i Lokalnego Samorzdu, Ministerstwa rodowiska, ywnoci i Spraw Wsi oraz Ministerstwa Gospodarki i Biznesu. Projekt podlega nadzorowi Wysokiej Rady Koordynacyjnej. Jest on interdyscyplinarny i dotyczy rozwoju naukowego i technicznego w nadchodzcych dekadach. Problematyka zaawansowanej informatyki i zarzdzania dla potrzeb rodowiska jest pod szczególn trosk Unii Europejskiej. Społeczestwo UE, w tym społeczestwo polskie, realizuje ambitny zamiar tworzenia innowacyjnych informacyjnych społeczestw wiedzy z proekologicznymi gospodarkami opartymi na wiedzy. Unia Europejska wysuwa si obecnie na wiatowego lidera masowej walki z CO2, w tym przez wykorzystanie modeli matematycznosystemowych oraz zaawansowanej informatyki, w szczególnoci informatyki inteligentnej..

(5) 162. Andrzej Straszak, Jan Studziski Informatyka i inteligentne zarzdzanie dla potrzeb rodowiska do rozwizywania jego problemów. Rys. 3. Umiejscowienie modeli matematyczno-systemowych w polskiej czci SEIS zgodnie z dyrektyw INSPIRE Unia Europejska tworzy Jednolit Przestrze Informacyjn (SEIS), w jej ramach Jednolit Przestrze Informacyjn rodowiska (SISE) a take Jednolit Przestrze Dzielenia si Danymi, Informacj i Wiedz w zakresie rodowiska. W rezultacie zmian klimatycznych obywatele UE i ich rodowisko stoj przed seri zmian o wielkim ryzyku, takich jak poary lasów, powodzie, sztormy, trzsienia ziemi, erupcja wulkanów itp. Liczba ofiar i strat ekonomicznych w wyniku klsk zwiksza si a zasig klsk nie respektuje granic krajowych. W wyniku tego rzdy, róne instytucje obrony cywilnej i słuby ds. zdarze niezwykłych zale coraz wicej od zintegrowanych systemów informacyjnych, do których zwracaj si o pomoc w rónych fazach Ryzyka i Zarzdzania Kryzysowego, w warunkach złoonych, transgranicznych wielowymiarowych scenariuszy ryzyka. Dziki ostatnim osigniciom technologii ICT (Information and Communication Technology) powstaj ogromne strumienie cyfrowej informacji i komunikacji. W Unii Europejskiej Społeczestwo Informacyjne jest w punkcie zwrotnym. Wejcie w ycie wiosn 2007 roku dyrektywy INSPIRE take jest takim punktem zwrotnym. Infrastruktura dla Przestrzennej Informacji w Unii Europejskiej (INSPIRE) ma by tak zaprojektowana, aby wspomaga tworzenie odpowiednich polityk, które maj bezporedni lub poredni zwizek z zarzdzaniem rodowiskiem. DG Information Society zaproponowało tworzenie zintegrowanej i dynamicznej przestrzeni dla zarzdzania rodowiskowego, SEIS. Dla Polski oznacza to budow.

(6) POLSKIE STOWARZYSZENIE ZARZDZANIA WIEDZ Seria: Studia i Materiały, nr 17, 2008. 163. matematyczno-systemowych modeli wspierajcych polsk cz SISE. Na rys. 1 pokazano umiejscowienie modeli matematyczno-systemowych z rozwinitej Strategii Lizboskiej.. Rys. 4. Umiejscowienie modeli matematyczno-systemowych w projektach redukcji ryzyka rodowiskowego Na rys. 2 przedstawiono umiejscowienie modeli matematyczno-systemowych w Siódmym Programie Ramowym (FP7) w obszarze ICT dotyczcym Zarzdzania rodowiskowego i Sprawnoci Energetycznej. Na rys. 3 umiejscowiono modele matematyczno-systemowe w polskiej czci SEIS, zgodnie z dyrektyw INSPIRE. Rys. 4 obrazuje główne obszary zastosowa ICT dla zrównowaonego rozwoju. 3. CASE STUDY: Komputerowy system wspomagania decyzji zarzdzaniu miejsk sieci wodocigow Instytut Bada Systemowych PAN od kilkunastu lat specjalizuje si problematyce inynierii i ochrony rodowiska. Jednym z rozwizywanych zagadnie w tym obszarze jest komputeryzacja miejskiego przedsibiorstw wodocigowego. Przedsibiorstwo takie, aby zapewni sprawn dystrybucj wody do odbiorców, prowadzi kompleksowe działania w zakresie utrzymania dobrego stanu technicznego sieci dystrybucji wody, zapewnienia właciwych warunków cinienia,.

(7) 164. Andrzej Straszak, Jan Studziski Informatyka i inteligentne zarzdzanie dla potrzeb rodowiska do rozwizywania jego problemów. BRANOWA BAZA DANYCH BBD. Wariant stanu rzeczywistego i warianty do symulacji stanów awaryjnych. Aplikacja WT Aplikacja OT Aplikacja AW Aplikacja GW Inne aplikacje biurowe. MODEL OBLICZENIOWY hydrauliczny sieci wodocigowej. OPTYMALIZACJA. MONITORING. GEOMEDIA (edytor graficzny) PPD – PASZPORTOWA BAZA DANYCH SIECI WODOCGOWEJ. (po konwersji). DANE Z GEODEZJI. przepływu i jakoci wody w sieci oraz dbania o optymaln rozbudow sieci wodocigowej w zwizku ze stałym zwikszaniem jej zakresu terytorialnego. Aby to zrealizowa , rozpoczto przed kilku laty opracowywanie i wdraanie w MPWiK w Rzeszowie komputerowego systemu wspomagania decyzji operatorskich dla miejskiej sieci wodocigowej (rys. 5). System ten jest przykładem zastosowa nowoczesnych technik i technologii informatycznych w inynierii rodowiska a take przykładem bada aplikacyjnych na rzecz gospodarki prowadzonych w instytutach PAN.. STEROWANIE sieci wodocigow. Rys. 5. Schemat tworzonego systemu informatycznego wspomagania decyzji dla MPWiK w Rzeszowie Jako podstawowe załoenie działania systemu przyjto jego prac w oparciu o map numeryczn. Jest to obecnie najnowoczeniejszy sposób zarzdzania sieciami (wodocigowymi, gazowymi, elektrycznymi czy nawet przemysłowymi). Na bazie mapy numerycznej współpracuj ze sob inne moduły pomocne w zarzdzaniu biecym bd w planowaniu (rozwoju/modernizacji) sieci wodocigowej: system monitoringu, modele hydrauliczne, algorytmy optymalizacji, sterowania itp. Wprowadzenie tego systemu zarzdzania sieci wodocigow dało niewymierne korzyci, w ogólnoci poprzez: - znaczne skrócenie czasu wyszukiwania informacji o sieciach - zwikszenie szczegółowoci i wiarygodnoci informacji odczytywanej z mapy numerycznej - wzrost jakoci wiadczonych usług - zwikszenie wiedzy na temat zachowa sieci wodocigowej dziki systemowi monitoringu i szybsz reakcj na monity o stanach alarmowych - posiadanie dodatkowej wiedzy z programu oblicze hydraulicznych na temat cinie i przepływów w wzłach i odcinkach sieci wodocigowej..

(8) POLSKIE STOWARZYSZENIE ZARZDZANIA WIEDZ Seria: Studia i Materiały, nr 17, 2008. 165. Dla usprawnienia systemu zarzdzania i analizowania sieci wodocigowej włczono do niego równie moduły funkcyjne o charakterze zarzdczym: • sprzony z map program do obsługi wydawanych i przegldanych Warunków Technicznych • sprzony z map program do Odbiorów Technicznych • oparty o map program do obsługi Awarii sieci wodocigowo-kanalizacyjnej • sprzony z map program do obsługi Działu Ochrony rodowiska • aplikacja do obsługi planowanych przegldów eksploatacyjnych sieci wodocigowej (ewidencja, planowanie i raportowanie). Korzyci z wdroenia pokazanego systemu s wielorakie. Samo istnienie komputerowej, szybko dostpnej Branowej Bazy Danych stanowi wygod i właciwy komfort pracy dla pracowników wodocigów. Wiksza czytelno i dokładno mapy numerycznej w porównaniu z jednokolorow kopi mapy zasadniczej oraz bezporednio dostpna informacja opisowa o poszczególnych elementach sieci s bardzo cenne i niezbdne do sprawnego wydawania warunków technicznych, dla potrzeb opracowania projektów modernizacji i remontów sieci wodocigowej oraz dla biecej eksploatacji. W powizaniu z modułami WT, OT, PE, AW oraz informacjami opisowymi o klientach – odbiorcach wody z programu billingowego, uzyskuje si sprawny System Obsługi Klienta i Zarzdzania Technicznego. Poprzez rozbudowanie systemu monitoringu oraz wprowadzenie modelu hydraulicznego sieci wodocigowej i przeprowadzanie za jego pomoc rónych symulacji zyskuje si moliwo : • poznania rozkładów cinie we wszystkich wzłach sieci oraz przepływów i prdkoci przepływu we wszystkich przewodach sieci • ułatwie w zakresie wydawania warunków technicznych oraz projektowania nowych obrbów sieci wodocigowej • opracowywania wariantowych scenariuszy pracy sieci w warunkach ekstremalnych • sprawniejszego organizowania prac przy usuwaniu awarii. Aktualna informacja o stanie sieci na podstawie biecych pomiarów systemu monitorowania w newralgicznych punktach sieci: pozwala pozna biece zachowania sieci, oceni stabilno jej pracy i łatwiej j eksploatowa. daje natychmiastow informacje o powanych stanach awaryjnych sieci pozwala wychwyci trendy dobowe i tygodniowe oraz zachowania sieci w monitorowanych punktach pomaga w wyszukiwaniu i eliminowaniu nieszczelnoci sieci. Model hydrauliczny słuy równie do analizy wydajnoci sieci pod ktem: planowanej rozbudowy zmian zwizanych z dystrybucj wody zwikszonych rozbiorów wody modernizacji sieci. Generowanie za pomoc modelu obliczeniowego sieci wodocigowej rónych wariantów pracy sieci w warunkach ekstremalnych i awaryjnych pozwala zawczasu zaplanowa procedury minimalizujce skutki społeczne i ekonomiczne analizowanych zjawisk oraz umoliwia ustalenie.

(9) 166. Andrzej Straszak, Jan Studziski Informatyka i inteligentne zarzdzanie dla potrzeb rodowiska do rozwizywania jego problemów. niezbdnych zachowa w przypadku awaryjnej pracy sieci, na przykład w przypadku awarii pompowni, awarii głównej magistrali, przedawkowania chloru na zbiornikach, zatrucia wody itp. Prace zwizane z cigł rozbudow pokazanego systemu s kontynuowane i stopniowo rozszerzane na inne obiekty przedsibiorstwa wodocigowego, takie jak sie kanalizacyjna i oczyszczalnia cieków. 4. Zakoczenie Przyszło informatyki, w tym e-infrastruktury, umoliwia umasowienie wirtualnych laboratoriów dla potrzeb rodowiska naturalnego, nawet dla Polski lokalnej, w tym take dla Polskiej ciany Wschodniej (rys. 6).. Rys. 6. Wirtualne laboratorium rodowiska naturalnego (ródło: Stroiski, Wglarz, 2008).

(10) POLSKIE STOWARZYSZENIE ZARZDZANIA WIEDZ Seria: Studia i Materiały, nr 17, 2008. 167. Bibliografia 1. 2.. 3.. 4.. Studzinski J., Straszak A. (red.): Ekspertyza w zakresie wykorzystywania modeli matematyczno-systemowych w zakresie zarzdzania rodowiskiem. IBS PAN, Warszawa 2007. Karczmarska D., Studzinski J.: Raport kocowy z realizacji projektu celowego MNiI nr 6 T11 2004C/06302 pn. Komputerowy system wspomagania decyzji operatora i projektanta sieci wodocigowej w Rzeszowie, IBS PAN, Warszawa 2007. Bogdan L., Straszak A., Studzinski J. (2007): Systems intergrated Eco-Info-Techno solutions for Poland. In: O. Hryniewicz, J. Studzinski, M. Romaniuk (eds.) Environmental Informatics and Systems Research, EnviroInfo’2007 Conference, Warsaw, 12-14 September 2007, Vol. 1, Shaker Verlag Aachen, 351-360, Aachen 2007. Straszak A., Studzinski J. (2008): Informatics and inteligent management within global highly informatized humanity world and global marked economy based on knowledge. Konferencja KSW’2008, Bydgoszcz-Ciechocinek 2008. INFORMATICS AND INTELLIGENT MANAGEMENT FOR SOLVING ENVIRONMENTAL PROBLEMS Summary In the paper the development and applications of informatics and intelligent management in the environmental engineering and environmental protection in Poland and in the world are discussed. As a practical example of such application an information system for the management of the waterworks in Rzeszow is presented.. Keywords: environmental informatics, intelligent management, computer aided decisions making systems, water supplying and distribution systems. Andrzej Straszak1,2,4 Jan Studziski3 1 Szkoła Wysza im. Pawła Włodkowica, Płock 2 Wysza Szkoła Informacji Stosowanej i Zarzdzania, Warszawa 3 Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy 4 Instytut Bada Systemowych, Warszawa.

(11)