ПРОЕКТИРОВАНИЕ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО ХРАНИЛИЩА ДАННЫХ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ

Полный текст

С целью предупреждения чрезвычайных ситуаций (ЧС) природного и техногенного характера в органах управления МЧС России ежедневно обрабатывается большое количество данных ведомственных систем мониторинга и донесений аварийно-спасательных формирований. Активно внедряются системы инст- рументального мониторинга, позволяющие отслежи- вать в режиме реального времени изменения парамет- ров окружающей среды и динамику характеристик техногенных объектов. Повышение эффективности использования ин- формационных ресурсов, расширение сфер монито- ринга состояния территориальной безопасности и оперативность решения аналитических задач требуют консолидации мониторинговых данных, автоматиза- ции поступления и организации доступа к ведомст- венным ресурсам, сокращения времени на поиск и обработку данных. Применение технологии хранилищ данных (Data Warehouses) позволяет разрешить про- блемы, связанные с обеспечением доступности, со- гласованности и хранения гетерогенных данных, а также оперативности выполнения аналитических за- просов. В данной статье рассмотрена задача проектирова- ния специализированного хранилища данных, созда- ваемого в рамках разработки программного комплек- са информационно-аналитической поддержки Центра мониторинга и прогнозирования чрезвычайных си- туаций (ЦМП ЧС) Главного управления (ГУ) МЧС России по Красноярскому краю; определены основ- ные задачи и выявлены проблемы интеграции мони- торинговых данных; сформированы требования и со- став хранилища данных; предложена структура, объе- диняющая исторические данные и оперативную ин- формацию. Интеграция данных на основе консолиди- рованного хранилища мониторинга ЧС обеспечит формирование единого информационного простран- ства краевой системы мониторинга и прогнозирова- ния ЧС природного и техногенного характера. Краевая система мониторинга и прогнозирова- ния ЧС. Функционирование краевой системы мони- торинга и прогнозирования (СМП) ЧС, организаци- онное руководство ее деятельностью обеспечивает Главное управление МЧС России по Красноярскому краю при взаимодействии с территориальными служ- бами (учреждениями) и организациями федеральных органов исполнительной власти, органов исполни- тельной власти Красноярского края, органов местного самоуправления муниципальных образований Крас- ноярского края, а также организациями, в функции которых входят вопросы мониторинга, лабораторного контроля и прогнозирования источников чрезвычай- ных ситуаций природного и техногенного характера на территории Красноярского края (см. рисунок). *Работа выполнена при финансовой поддержке гранта ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009−2013 годы» (ГК № 02.740.11.0621 от 29 марта 2010 г.). 14 Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева Схема информационного взаимодействия участников системы мониторинга и прогнозирования ЧС Согласно Приказу МЧС России от 4 марта 2011 г. № 94 «Об утверждения положения о функциональной подсистеме мониторинга, лабораторного контроля и прогнозирования чрезвычайных ситуаций единой го- сударственной системы предупреждения и ликвида- ции чрезвычайных ситуаций» и Постановлению Пра- вительства Красноярского края от 9 февраля 2011 г. № 80-п «Об утверждении положения о краевой под- системе мониторинга, лабораторного контроля и про- гнозирования чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера на территории Краснояр- ского края», методическое руководство и координа- цию деятельности в рамках краевой системы монито- ринга и прогнозирования ЧС осуществляет Центр мониторинга и прогнозирования чрезвычайных си- туаций природного и техногенного характера ГУ МЧС России по Красноярскому краю. Основными задачами ЦМП ЧС являются: − организация и ведение работ по мониторингу источников ЧС, лабораторному контролю и прогно- зированию ЧС; − сбор, обработка и анализ информации об источ- никах чрезвычайных ситуаций и показателях риска возникновения чрезвычайных ситуаций; − подготовка и доведение прогнозной информации о возможных чрезвычайных ситуациях и их последст- виях; − контроль источников чрезвычайных ситуаций через системы мониторинга; − организация проведения оперативных радиомет- рических, радиохимических, химических и других анализов объектов окружающей среды, продовольст- вия, питьевой воды, пищевого и фуражного сырья; − разработка типовых сценариев возникновения и развития чрезвычайных ситуаций и оценка риска их возникновения; − информационное обеспечение организаций и уч- реждений СМП ЧС прогнозными данными и реко- мендациями в области предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций; − создание специализированных геоинформацион- ных систем, банка данных по источникам чрезвычай- ных ситуаций и других информационных продуктов; − обеспечение постоянной готовности сил и средств, предназначенных для осуществления мони- торинга, лабораторного контроля и прогнозирования чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. На сегодняшний день в органах МЧС России по Красноярскому краю функционирует несколько авто- матизированных систем. Для поддержки принятия решений по предупреждению и ликвидации ЧС раз- работан программный комплекс ЭСПЛА-ПРО [1], работающий в двух режимах: в оперативном режиме комплекс моделирует обстановку, отображает зону ЧС на карте, формирует рекомендации по проведе- нию спасательных работ и отчеты по формам МЧС; в повседневном режиме проводятся обработка резуль- татов мониторинга и анализ полученных данных средствами геоинформационного моделирования и технологии OLAP. Для анализа данных мониторинга чрезвычайных ситуаций на территории Сибирского федерального округа создана система OLAP-GIS [2]. Чтобы формализовать разнородные потоки мони- торинговых данных и обеспечить их эффективное использование для комплексного оперативного ана- лиза обстановки, необходимо создать централизован- ные информационные ресурсы краевой системы мо- ниторинга и прогнозирования ЧС. Интеграция ин- формации на основе консолидированного хранилища данных мониторинга ЧС обеспечит формирование единого информационного пространства системы мо- ниторинга и прогнозирования ЧС природного и тех- ногенного характера. Задачи и проблемы проектирования специали- зированного хранилища данных мониторинга ЧС. Хранилище данных (ХД) представляет собой пред- метно-ориентированный, интегрированный, поддер- живающий хронологию, неизменчивый набор данных, организованный с целью поддержки управления [3]. 15 Математика, механика, информатика Под предметной ориентированностью понимается наличие данных, характеризующих конкретную про- блемную область. Интегрированность подразумевает объединение исходных данных из различных источ- ников, при этом данные проверяются, очищаются и приводятся к единому виду. Данные в хранилище все- гда связаны с определенным периодом времени, что хронологически упорядочивает информацию. Неиз- менчивость набора данных характеризуется тем, что данные, помещенные в хранилище, в дальнейшем не корректируются и не изменяются. Специализированные хранилища данных содержат информацию, предназначенную для одной или не- скольких задач предметной области, и могут быть подмножествами корпоративного хранилища данных или служить основой для более общего хранилища данных. Процесс проектирования хранилищ данных, как и классическое проектирование баз данных, включает в себя последовательное выполнение этапов концеп- туального, логического и физического проектирова- ния [4]. Данные в хранилище могут быть организова- ны различными способами с помощью таких совре- менных технологий, как OLAP (On-Line Analytical Processing) и интеллектуального анализа данных (Data Mining) [5; 6]. Для оптимальной организации данных требуется тщательное исследование информационных потоков, состава собираемых данных и алгоритмов их обработки. Специализированное хранилище данных монито- ринга ЧС должно соответствовать следующим требо- ваниям: – обеспечивать решение информационно-аналити- ческих функциональных задач ЦМП ЧС; – обеспечивать информационный обмен между ор- ганизациями и учреждениями системы мониторинга и прогнозирования ЧС, сбор и накопление монито- ринговых данных; – обеспечивать информационную интеграцию мо- ниторинговых данных, поступающих от взаимодейст- вующих структур; – обеспечивать создание единых справочников и классификаторов. Информационное наполнение ХД мониторинга ЧС должно: – давать однозначное представление информации на основе единой системы классификации и кодиро- вания; – использовать принцип унификации при органи- зации данных для их ввода, хранения и аналитической обработки; – предоставлять возможность для поэтапного на- ращивания количественного и качественного состава данных. В состав информационного обеспечения специа- лизированного хранилища данных входят следующие элементы: – информационная база – исторические данные и оперативная информация; – система классификации и кодирования инфор- мации – единые справочники и классификаторы; – унифицированные формы статистической и опе- ративной отчетности. Информационная база данных представляет собой совокупность данных и массивов отчетных докумен- тов с информацией, используемой в процессе работы ЦМП ЧС и должна содержать следующие виды ин- формации: – оперативную информацию – информацию, кото- рая часто используется и часто изменяется; – условно-постоянную информацию – информа- цию, которая часто используется и редко изменяется; – архивную информацию – информацию, которая редко используется и не изменяется. Оперативная информация должна включать в себя данные по объектам жилищно-коммунального хозяй- ства (ЖКХ) и энергосистем, метеорологические, гид- рологические, сейсмические, радиационные данные, а также данные, поступающие от системы инструмен- тального мониторинга. Элементами условно-постоянной информации яв- ляются: – унифицированные формы статистической и опе- ративной отчетности, предназначенные для определе- ния состава и формы представления информации по мониторингу; – нормативно-справочная информация; – классификаторы и справочники. Система классификации и кодирования включает в себя: – общероссийские и краевые классификаторы; – отраслевые и ведомственные справочники; – системные справочники. Состав и содержание справочной информации должны обеспечивать автоматизацию функциональ- ных задач ЦМП ЧС. Помимо согласования данных, собранных из различных внутренних и внешних ис- точников, необходимо отслеживать поступление дан- ных и обеспечивать их достоверность. В результате исследования деятельности ЦМП ЧС и анализа взаимодействия участников СМП выявлены следующие основные проблемы интеграции данных: – значительный объем и разнородный состав данных; – наличие структурированных, частично структу- рированных и неструктурированных данных; – большое количество внешних источников посту- пления данных; – распределенная структура межведомственного взаимодействия; – разные периоды поступления данных; – отсутствие положений и регламентов о порядке информационного обмена между взаимодействую- щими структурами в рамках краевой системы мони- торинга и прогнозирования ЧС. Все эти проблемы требуют как технических, так и организационных решений, оказывающих сущест- венное влияние на процесс автоматизации поступле- ния ведомственных ресурсов и доступа к ним и вы- полнение поставленных задач. 16 Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева Состав информации специализированного хра- нилища данных мониторинга ЧС. Одной из перво- очередных задач проектирования специализированно- го хранилища данных является определение состава информации, что позволит систематизировать данные предметной области, сформировать структуру их хра- нения и обеспечить возможность для поэтапного на- ращивания количественного и качественного состава данных в хранилище. С учетом большого объема информации, получае- мой краевой системой мониторинга и прогнозирова- ния ЧС, определен набор данных первой очереди спе- циализированного хранилища, охватывающий ряд обстановок территориальной безопасности: обстанов- ку на объектах жилищно-коммунального хозяйства, метеорологическую, гидрологическую, сейсмическую и радиационную обстановки. Согласно указанным сферам мониторинга входные информационные потоки содержат: – данные об организации мероприятий по контро- лю за подготовкой и прохождением отопительного сезона; – данные о подготовке жилищно-коммунального хозяйства к работе в зимних условиях; – данные о состоянии объектов жилищно-комму- нального хозяйства; – данные прогноза погоды и предупреждений об опасных и неблагоприятных погодных явлениях; – данные по грозовой активности; – данные о режиме рек и водохранилищ; – данные о режиме работы гидроэлектростанций; – данные о ледовых явлениях и прогноз вскрытия рек; – данные об уровне весеннего половодья и об ор- ганизации безаварийного пропуска паводковых вод; – данные о зарегистрированных сейсмических со- бытиях; – данные о радиационном излучении. Выходные информационные потоки содержат аг- регированные данные по исходной обстановке на тер- ритории Красноярского края. Эффективное поэтапное наращивание состава данных специализированного хранилища, а также их интеграция с историческими и оперативными данны- ми обеспечивается за счет использования единых об- щероссийских, ведомственных и отраслевых справоч- ников и классификаторов. Одним из основных классификаторов является общероссийский классификатор объектов админист- ративно-территориального деления, обеспечивающий территориальную привязку мониторинговых данных и возможность применения технологий геоинформа- ционного моделирования [7]. Основной объем нормативно-справочной информа- ции предоставляют отраслевые и ведомственные спра- вочники, в которые включены следующие данные: – о типах ЧС; – масштабах ЧС; – отрядах федеральной противопожарной службы; – видах объектов ЖКХ; – типах аварий на объектах ЖКХ; – водозаборах; – водопроводных сетях; – канализационных сетях; – теплоисточниках; – трансформаторные подстанциях; – метеостанциях; – явлениях погоды; – районах прогноза погоды; – гидрологических постах; – реках; – участках вскрытия рек; – ледовых явлениях; – затороопасных участках; – гидроэлектростанциях; – гидрологических явлениях; – сейсмостанциях; – типах сейсмических событий; – видах сейсмической опасности и др. Кроме указанных справочников и классификато- ров, для обеспечения централизованного сбора и ана- литической обработки данных в информационный состав хранилища включены специально созданные (системные) справочники по источникам финансиро- вания, типам и учреждениям социальной защиты, ви- дам топлива, типам котлов котельных, типам генера- торов дизельных электростанций, о характере ледо- става и др. Таким образом, определен состав специализиро- ванного хранилища данных, который основан на ин- формационной интеграции мониторинговых данных, поступающих от взаимодействующих структур крае- вой системы мониторинга и прогнозирования ЧС и обеспечивающих эффективную информационную поддержку планирования, организации и контроля мероприятий по предупреждению и ликвидации ЧС на территории края. Предложения по реализации специализирован- ного хранилища данных мониторинга ЧС. В соот- ветствии с рассмотренными выше особенностями предметной области необходима определенным обра- зом организованная структура хранилища данных, объединяющая исторические данные и оперативную информацию, и специализированные программные средства управления хранилищем данных. Структура хранилища данных должна отражать состав его основных информационных блоков: спра- вочные данные, фактические данные и метаданные. Для реализации эффективного функционирования ХД необходимы специфические форматы метаданных. Метаданные должны быть организованы в отдельную структуру – репозитарий, который позволяет осуще- ствлять быструю навигацию по различным уровням данных, и предоставлять информацию об источниках данных, операциях их обработки и агрегирования. Кроме того, метаданные должны содержать описание структур данных хранилища, структур данных, им- портируемых из разных источников, сведения о пе- риодичности импортирования, методах загрузки и обобщения данных, средствах доступа и правилах представления информации. 17 Математика, механика, информатика Структура хранилища данных должна быть опти- мизирована для выполнения сложных запросов и по- строена на основе наиболее эффективных моделях представления данных. Эта структура должна быть основана: – на единых правилах наименования объектов; – единых единицах измерения для однотипных объектов; – едином физическом представлении однотипных объектов; – единых атрибутах представления однотипных объектах. Программные средства управления хранилищем данных, предназначенные для накопления, хранения и предоставления централизованных информационных ресурсов на базе специализированного хранилища данных, должны обеспечить выполнение следующих функций: – управление структурой данных: создание, удале- ние и редактирование основных объектов хранилища и установление связей между ними; – управление репозитарием хранилища: создание, редактирование метаданных, их просмотр, навигации по хранилищу, использование для обработки и за- грузки данных; – предварительная обработка и импорт данных, поступающих из распределенных взаимодействую- щих структур; – поддержка средств аналитической обработки мониторинговых данных; – ведение архивов данных. Для реализации специализированного хранилища данных системы мониторинга и прогнозирования ЧС и управления мониторинговыми данными предложе- но использовать разработанную в Институте вычис- лительного моделирования Сибирского отделения Российской академии наук программную систему «Менеджер хранилища данных» [10], которая позво- ляет формировать структуру централизованного хра- нилища, осуществлять ее регулярное наполнение данными из внешних источников и обеспечивать эф- фективную поддержку процессов мониторинга ЧС. Таким образом, в результате исследования дея- тельности Центра мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций Главного управления МЧС России по Красноярскому краю определены основные задачи и выявлены проблемы интеграции мониторин- говых данных. Сформированы требования и состав хранилища данных, предложена структура, объеди- няющая исторические данные и оперативную инфор- мацию. Интеграция данных на основе специализиро- ванного хранилища мониторинга ЧС обеспечит фор- мирование единого информационного пространства краевой системы мониторинга и прогнозирования ЧС природного и техногенного характера. Предложенная структура организации данных в сочетании с разрабо- танной технологической базой отвечает всем выяв- ленным в ходе исследования требованиям и обеспе- чивает эффективную поддержку процессов монито- ринга ЧС.

Об авторах

Ксения Владимировна Бадмаева

доктор технических наук, профессор. Окончил Томский государственный университет. Область научных интересов – проектирование и разработка космических систем и космических аппаратов связи и телевещания, геодезия и навигация, теория и методы космической навигации, обработка информации и управление движением КА

Татьяна Геннадьевна Пенькова

Институт вычислительного моделирования Сибирского отделения Российской академии наук

Email: Penkova_t@icm.krasn.ru.
кандидат технических наук, научный сотрудник . Окончила Сибирский государственный индустриальный университет (г. Новокузнецк) в 2004 г. Область научных интересов – системы поддержки принятия решений, разработка методического, алгоритмического обеспечения для информационно-аналитической поддержки управления

Валерий Васильевич Ничепорчук

Институт вычислительного моделирования Сибирского отделения Российской академии наук

Email: valera@icm.krasn.ru.
кандидат технических наук, старший научный сотрудник Института вычислительного моделирования Сибирского отделения Российской академии наук. Окончил Красноярский государственный университет в 1992 г. Об- ласть научных интересов – геоэкология, экспертные системы, геоинформационые системы.

Список литературы

Дополнительные файлы