Rozdział 6 Koncepcja systemu prognozowania lokalnych zagrożeń środowiskowych Mirosław HAJDER, Mariusz NYCZ Wyższa Szkoła Informatyki i Zarządzania z siedzibą w Rzeszowie, Politechnika Rzeszowska Miroslaw.Hajder@gmail.com, mnycz@prz.edu.pl Streszczenie W pracy, zaprezentowano koncepcję budowy systemu wykrywania lokalnych zagrożeń środowiskowych. Szczególną uwagę zwrócono na przeciwdziałanie podtopieniom i powodziom. Jeżeli na monitorowanych rzekach znajdują się zbiorniki z regulowanym poziomem lustra, system pozwala minimalizować zagrożenie poprzez adaptacyjne sterowanie jego wysokością. Pokazano również możliwości wykorzystania opracowanego systemu do monitorowania zagrożeń innych typów oraz trudności przy wdrożeniu systemów wykrywania i przeciwdziałania zagrożeniom powodziowym. 1. Wprowadzenie Jedną z pierwszoplanowych misji Wyz szej Szkoły Informatyki i Zarządzania z siedzibą w Rzeszowie, jako wiodącej Uczelni w regionie, jest promowanie i wdraz anie nowoczesnych rozwiązan technicznych, prowadzących do poprawy konkurencyjnos ci wojewo dztwa Podkarpackiego oraz jakos ci z ycia jego mieszkan co w. Do tego celu, Uczelnia wykorzystuje ogromny potencjał intelektualny swoich pracowniko w i studento w, pozwalający nieskrępowanie operowac w obszarach najnowoczes niejszych rozwiązan technicznych, organizacyjnych i marketingowych. Do wspo łpracy zaprasza się ro wniez najwybitniejszych specjalisto w z ro z nych dziedzin, zaro wno z kraju, jak i z zagranicy. Wieloletnie badania pokazały, z e jednym z waz niejszych, dotąd nierozwiązanych, problemo w wojewo dztwa Podkarpackiego są szeroko występujące podtopienia i lokalne powodzie, powodujące ogromne straty zaro wno w przedsiębiorstwach, jak i u oso b prywatnych. Aby maksymalnie przeciwdziałac szkodom będącym ich następstwem, realizowany jest, planowany na kilka kolejnych lat, pro-
70 M. Hajder, M. Nycz gram badawczy, kto rego celem jest opracowanie i wdroz enie systemu prognozowania i wczesnego ostrzegania o niebezpiecznych zjawiskach naturalnych, w szczego lnos ci powodziowych. W odro z nieniu od podobnych prac prowadzonych przez administrację pan stwową i samorządową, zainteresowania zespołu badawczego koncentrują się na zjawiskach lokalnych i zakładają maksymalną eliminację czynnika ludzkiego przy prognozowaniu i ostrzeganiu. Potrzeba ograniczenia lub nawet eliminacji człowieka z procesu ostrzegania wynika z dwo ch jego najwaz niejszych cech, istotnych dla elemento w systemu informatycznego. Po pierwsze, w odro z nieniu od obiektywizmu komputera będącego skutkiem formalizmu programu, człowiekowi trudno jest się ustrzec subiektywizmu. Podejmowane przez niego decyzje są często zabarwione osobistymi przekonaniami, czy sympatiami. W zarządzaniu kryzysowym nie ma miejsca na takie odczucia, celem podejmowanych decyzji powinna byc wyłącznie minimalizacja negatywnych skutko w zagroz en. Po drugie, człowiek jest zawsze najwolniejszym i najbardziej zawodnym ogniwem dowolnego systemu informatycznego. Czasami, w wyniku ludzkiej nieuwagi, lenistwa, czy tez zapomnienia nie są podejmowane istotne, nie cierpiące zwłoki, decyzje. Negatywny wpływ człowieka na funkcjonowanie systemu wspomagania zarządzaniem przedstawia rys. 1, ilustrujący cykl z ycia sytuacji kryzysowej. POZIOM ZAGROŻENIA Decyzja Ostrzeganie Zagrożenie Zjawisko Rys. 1. Wzrost poziomu zagroz enia w trakcie cyklu z ycia sytuacji kryzysowej. Niebezpieczne zjawisko s rodowiskowe (lub inne będące skutkiem ludzkiej działalnos ci) powoduje pojawienie się początkowo niewielkiego zagroz enia. Wraz z upływem czasu jego poziom narasta, osiągając w pewnym momencie wartos c niebezpieczną dla ludzi i ich mienia. Najczęs ciej, dopiero wtedy podejmowana jest decyzja o wszczęciu procedur przewidzianych zarządzaniem kryzysowym,
Koncepcja systemu prognozowania zagrożeń środowiskowych 71 obejmujących m. in. ostrzeganie o niebezpieczen stwie oso b znajdujących się na zagroz onym obszarze. Tak więc, wszelkie decyzje oraz działania będące ich konsekwencją podejmowane są nie w chwili wystąpienia zjawiska, a juz po pojawieniu się niebezpieczen stwa będącego jego konsekwencją. Dzisiejsze systemy dla zagroz en mikroskalowych nie przewidują podjęcia decyzji o wszczęciu procedur juz w momencie pojawienia się zjawiska i nie wynika to wyłącznie z szerokiego udziału w nich czynnika ludzkiego. W początkowej fazie z ycia zagroz enia trudno jest metodami intuicyjnymi przewidziec, czy sytuacja ta rozwinie się tak, z e będzie ona zagraz ac ludziom i mieniu. Dlatego, idealnym byłoby rozwiązanie, w kto rym za pomocą prognozowania uwzględniającego aktualny stan s rodowiska, bezpos rednio po pojawieniu się zjawiska, automatycznie, bez udziału człowieka, podejmowano decyzję o wszczęciu, bądz nie, procedury kryzysowej. W niniejszej pracy opisana została koncepcja takiego włas nie rozwiązania. Oczywis cie, obecnie nalez y koncentrowac się na minimalizacji wpływu człowieka na podejmowane decyzje, nie zas na całkowitej jego eliminacji. Opracowując aplikację zarządzającą procesem decyzyjnym nie mamy gwarancji, z e uwzględni ona wszystkie moz liwe sytuacje, a brak formalnej procedury rozwiązania takowej spowodowałby odmowę funkcjonowania systemu. W takim przypadku człowiek jest nie do zastąpienia. Ponadto, pełne odejs cie od wspo łczucia i wraz liwos ci w stronę formalizmu, nie zawsze jest wskazane, a wszelkie uczucia są wyłącznie cechą ludzi. 2. Klasyfikacja zagrożeń środowiskowych Z punktu widzenia zarządzania kryzysowego, zagroz eniem nazywamy konsekwencję niebezpiecznego zjawiska przyrodniczego, bądz ludzkiego działania, skutkującą naruszeniem normalnego funkcjonowania człowieka lub jego otoczenia. Podstawowa klasyfikacja zagroz en dzieli je z punktu widzenia przyczyn ich pojawienia na: środowiskowe oraz socjologiczno technologiczne. W ramach działalnos ci naukowo-technicznej Wyz szej Szkoły Informatyki i Zarządzania analizowane są oba typy zagroz en. Chociaz w niniejszej publikacji skoncentrowano się na zjawiskach pogodowych, system kto ry analizowałby zjawiska geofizyczne czy katastrofy techniczne funkcjonowałby na podobnych zasadach. Błędem byłaby analiza szkodliwos ci obu typo w zagroz en mająca na celu okres lenie, kto re spos ro d nich są bardziej niebezpieczne oba rodzaje zagroz en mogą przynies c katastrofalne skutki. Klasyfikację wybranych zagroz en przedstawiono na rys. 2.
72 M. Hajder, M. Nycz Środowiskowe Socjologicznotechnologiczne Zjawiska pogodowe Zjawiska geofizyczne Inne Zagrożenia Zagrożenia Katastrofy techniczne Terroryzm Inne Zagrożenia dla ludzi i mienia Rys. 2. Klasyfikacja zagroz en ludzi i mienia. Zagroz enia s rodowiskowe mogą przejawiac się w ro z nej skali, zaro wno z punktu widzenia obszaru objętego katastrofą, jak i szko d powstałych w jej rezultacie. Mogą one obejmowac fragment gminy, jak ro wniez znaczną częs c wojewo dztwa. Z punktu widzenia skali, zagroz enia moz emy podzielic na makro- oraz mikroskalowe. Przyczyną duz ych zniszczen w zagroz eniach makroskalowych (patrz rys. 3) jest rozmiar podmioto w tworzących je. Mogą nimi byc gło wne rzeki, dla kto rych skala zachodzących w nich zjawisk generuje ogromną siłę niszcząca, obejmującą swym zasięgiem znaczący obszar. W rezultacie, przeciwdziałanie zagroz eniom tej klasy wymaga istotnych nakłado w finansowych, technicznych i organizacyjnych. Jednak rozmiar podmiotu decyduje o wolnozmiennos ci przebiegających w nim proceso w. Mamy więc, dostatecznie duz o czasu aby zebrac i przetworzyc informacje niezbędne do precyzyjnego okres lenia skali katastrofy, a na podstawie wyniko w symulacji podjąc działania minimalizujące jej skutki. Oczywis cie, dos c wczesne przygotowanie prognozy nie oznacza, z e działania ochronne zawsze przyniosą zadowalające efekty. Zdarza się ro wniez tak, z e skala zjawiska jest tak ogromna, z e uniemoz liwia podjęcie jakichkolwiek działan, poza ewakuacją oso b z zagroz onego obszaru. Z uwagi na ogromne straty wywoływane przez zagroz enia makroskalowe, to włas nie na nich koncentruje się gło wna uwaga władz Pan stwa, samorządo w wojewo dzkich, jak ro wniez jednostek naukowo-badawczych. Zagroz enia takie nie lez ą w obszarze zainteresowan two rco w opisywanego systemu. Drugim rodzajem zagroz en pokazanych na rys. 3 są zagroz enia mikroskalowe, kto rych podmiotami są niewielkie obiekty: małe rzeki, potoki, strumienie, czy wręcz cieki wodne. Zagroz enia tej grupy obejmują niewielki obszar, a ponoszone sumaryczne straty są wielokrotnie mniejsze niz w przypadku katastrof makroskalowych. Nie oznacza to jednak, z e straty te są do pominięcia. Jez eli przeliczyc
Koncepcja systemu prognozowania zagrożeń środowiskowych 73 je na statystycznego mieszkan ca, kto ry ucierpiał w ich rezultacie lub na jednostkę powierzchni objętej katastrofą, straty te są ro wniez bardzo wysokie. ZAGROŻENIA ŚRODOWISKOWE Makroskalowe 1. Podmiotami są duże obiekty 2. Występują na dużym obszarze geograficznym 3. Wolnozmienne 4. Skutecznie prognozowanie wykorzystywane na szeroką skalę Mikroskalowe 1. Podmiotami są małe obiekty 2. Występują na niewielkim obszarze geograficznym 3. Szybkozmienne i krótkotrwałe 4. Nieskuteczne prognozowane Rys. 3.Klasyfikacja zagroz en s rodowiskowych. Zjawiska wywołujące zagroz enia mikroskalowe są szybkozmienne, pojawiają się nagle i szybko ustępują. Częste są przypadki, kiedy czas pomiędzy rozpoczęciem opadu, a przejs ciem fali powodziowej nie przekracza kilku godzin. Skutkiem szybkozmiennos ci są trudnos ci w przeciwdziałaniu tej klasy zagroz eniom, zdarza się, z e ostrzez enia pojawiają się na kilka, kilkanas cie minut przed wystąpieniem katastrofy. Wspomniana szybkozmiennos c powoduje, z e samo wykrywanie zagroz en jest tutaj daleko niewystarczające. Aby dysponowac czasem wystarczającym na przygotowanie ludzi do zagroz enia, lub na ich ewakuację, wymagane jest wyprzedzające prognozowanie zachodzących zmian. Niestety, efektywnos c prognozowania zagroz en tej klasy jest obecnie niezadowalająca. O ile opis matematyczny zjawisk pozwala na precyzyjne okres lenie ich skali, to informacje te pojawiają się zazwyczaj juz po zakon czeniu samego zjawiska [1], [2]. Aby to zmienic konieczna jest radykalna rewizja podejs cia do prognozowania, w szczego lnos ci, niezbędne jest dokonywanie permanentnych pomiaro w s rodowiska na zagroz onym obszarze oraz prowadzenie w czasie rzeczywistym symulacji jego zmian. Tylko w takim przypadku prognozy mogą byc uzyskane na tyle wczes nie, z e moz liwa będzie skuteczna ochrona przed zagroz eniami [3], [4]. Proponowany system przeznaczony jest do obsługi zagroz en tej włas nie klasy. 3. Komponenty informacyjne i techniczne procesu prognozowania Podstawowym celem prowadzonych prac jest maksymalnie wczesne przygotowanie trafnej prognozy zachowania się monitorowanego s rodowiska. System
74 M. Hajder, M. Nycz tworzą dwa rodzaje komponento w: informacyjne oraz techniczne. W ogo lnym przypadku, zadaniem pierwszego z nich jest obsługa procesu decyzyjnego, drugiego zas dokonanie niezbędnych pomiaro w s rodowiska, przekazanie wyniko w do centrum zarządzania oraz zapewnienie zasobo w obliczeniowych i pamięciowych dla komponento w informacyjnych. Komponenty informacyjne wykorzystywane podczas prognozowania przedstawione zostały na rys. 4. Aktualny stan środowiska Model zachowania środowiska PROGNOZA PRZEBIEGU ZJAWISKA Dane historyczne o zachowaniu środowiska Rys. 4. Informacyjne komponenty prognozowania zagroz en. W odro z nieniu od istniejących, opisywany system przy tworzeniu prognozy wykorzystuje aktualne dane o stanie s rodowiska zbierane przez siec czujniko w rozlokowanych na zagroz onym obszarze. Aby zminimalizowac koszty komunikacji system pracuje w trzech trybach przesyłania danych pomiarowych. W pierwszym z nich, tzw. standardowym, zakłada się stabilnos c pogodową, a wystąpienie zagroz enia traktuje jako nieprawdopodobne. Ma to miejsce, kiedy nie notuje się opadu, a w s rodowisku panuje susza atmosferyczna i glebowa. Wtedy, dane z czujniko w transmitowane są co 4 godziny, z taką częstotliwos cią opracowywane są ro wniez prognozy. Nie oznacza to oczywis cie, z e pomiary nie są wykonywane. Te, realizowane są standardowo, jednak ich rezultaty są gromadzone w pamięci stacji pomiarowej, a następnie, w wersji skompresowanej przesyłane do centrum zarządzania. System, statystycznie najczęs ciej wykorzystuje ten włas nie tryb komunikacji. W drugim, tzw. trybie alarmowym, pojawienie się zagroz enia jest mało lub umiarkowanie prawdopodobne. Taką sytuację spotykamy, jez eli na glebach łatwo przepuszczalnych, kto rych wilgotnos c jest niewielka, ma miejsce normalny opad atmosferyczny. Wyniki pomiaro w przesyłane są co 15 minut, z taką częstotliwo-
Koncepcja systemu prognozowania zagrożeń środowiskowych 75 s cią opracowywane są ro wniez prognozy. System wyposaz ony jest w globalną synchronizację trybo w. Oznacza to, z e jez eli kto rakolwiek ze stacji pomiarowych przejdzie do pracy w wyz szym trybie, wprowadza w ten tryb wszystkie pozostałe. Przejs cie z trybu wyz szego do niz szego realizowane jest synchronicznie w całym systemie na zasadzie jednogłos nos ci. W trzecim, tzw. trybie katastrofy, pojawienie się zagroz enia jest prawdopodobne i dlatego pomiary transmitowane są w czasie rzeczywistym. Ma to miejsce, kiedy występuje intensywny opad, a wilgotnos c gleby jest wysoka. Ro wniez prognozy opracowywane są w czasie rzeczywistym, do czego wykorzystywana jest cała dostępna moc komputera centrum zarządzania, dodatkowo obliczenia są dublowane na serwerach Centrum Edukacji Międzynarodowej. Praca systemu w trzech ro z nych trybach wymaga, aby stacja pomiarowa została wyposaz ona w mikrokomputer zapewniający wykonanie wszystkich niezbędnych operacji obliczeniowych (analiza wyniku pomiaru, kompresja i czasowe magazynowanie danych oraz ich przesłanie do centrum zarządzania). Rozbudowana architektura niezbędna jest ro wniez do zmiany trybu komunikacji. Dzięki temu, czynnikiem inicjującym moz e byc opad w warunkach podwyz szonej wilgotnos ci atmosferycznej i glebowej, kto ry wystąpił wyłącznie na obszarze funkcjonowania jednej stacji pomiarowej. Jez eli preferowana jest centralizacja zarządzania systemem, zmiana trybu moz e byc wykonywana na podstawie centralnej analizy ostatniego przesłanego pomiaru. Poniewaz regularnos c pomiaro w polepsza funkcjonowanie modułu uczącego system zachowania rzeki, bez względu na tryb komunikacji, pomiary wykonywane są z niezmienną częstotliwos cią. Nie przeszkadza temu objętos c utworzonych danych pomiarowych, kto ra nawet bez kompresji jest stosunkowo niewielka. Dzięki modułowi uczącemu trafnos c prognoz ros nie z czasem, a informacje o zagroz eniu pojawiają się coraz wczes niej. Jego funkcjonowanie opiera się na dwo ch podstawowych metodach: statystycznej analizie sekwencji danych pomiarowych, w szczego lnos ci wpływu stanu s rodowiska na poziom wody w monitorowanej rzece oraz uczenia się sieci neuronowych. Dane pomiarowe transmitowane są w trybie ograniczonej komunikacji rozgłoszeniowej do centrum zarządzania oraz Centrum Edukacji Międzynarodowej Wyz szej Szkoły Informatyki i Zarządzania, gdzie są poddawane długoterminowemu magazynowaniu w celu doskonalenia, na ich podstawie, wykorzystywanych modeli zjawisk. Kolejnym komponentem informacyjnym, niezbędnym do skutecznego prognozowania, jest model zachowania s rodowiska. Model ten jest dedykowany dla konkretnego cieku wodnego i pokazuje relacje pomiędzy stanem nurtu rzeki a s rodowi-
76 M. Hajder, M. Nycz skiem. Przygotowanie modelu jest pracochłonne, wymaga bowiem dokonania rzeczywistych pomiaro w koryta i jego otoczenia. Oczywis cie, mierzone są tylko te fragmenty, kto re z uwagi na ukształtowanie mogą w istotny sposo b zmieniac charakterystyki przepływo w. Teoretycznie istnieje moz liwos c stworzenia uniwersalnego modelu, kto ry po wprowadzeniu pewnych korekt, mo głby byc stosowany dla większos ci cieko w wodnych danej klasy (go rskie, nizinne, les ne i in. ). Ostatnim składnikiem struktury informacyjnej systemu są dane historyczne o zachowaniu s rodowiska. Przez cały czas monitorowania gromadzone są nie tylko wyniki pomiaro w, ale ro wniez tworzone prognozy. Analizując stan s rodowiska, na bazie modelu i aktualnych danych, system okres la dalszy rozwo j sytuacji, poro wnując go z podobnymi przypadkami umieszczonymi w danych historycznych. W sytuacjach niejednoznacznych, ostateczna decyzja podejmowana jest po poro wnaniu prognozy z zawartos cią bazy, co ma poprawic trafnos c prognozowania. Zadaniem komponento w technicznych jest m. in. przekazywanie wyniko w pomiaro w do centrum zarządzania, gdzie dane te są magazynowane i na ich podstawie opracowywane są prognozy. Komunikacja opiera się na sieci sensorowej, w kto rej występują dwa typy węzło w: kolektory i agregatory danych. Oba typy wyposaz one są w mikrokomputery ro z niące się architekturą i wydajnos cią, do kaz dego z nich moz e byc dołączony czujnik pomiarowy [5] [6] [7]. Wzajemne powiązanie komponento w technicznych systemu zaprezentowano na rys. 5. Komputer pomiarowy Czujnik pomiarowy Komputer prognozujący Kanał komunikacyjny Rys. 5. Komponenty techniczne systemu monitorowania zagroz en. Najbardziej zagroz onym elementem systemu, bez kto rego opracowanie prognoz moz e byc niemoz liwe jest czujnik. Poniewaz w większos ci przypadko w instaluje się go na poziomie gruntu jest on naraz ony na przypadkowe lub celowe zniszczenie, a takz e kradziez. Niekto re z czujniko w, to urządzenia wyjątkowo kosztowne
Koncepcja systemu prognozowania zagrożeń środowiskowych 77 i dlatego obsługujące je węzły zostały wyposaz one dodatkowo w monitoring wizyjny. Obecnie, nie istnieją absolutnie skuteczne sposoby zabezpieczania mienia, dlatego system został wyposaz ony w automatyczne diagnozowanie uszkodzenia (lub kradziez y) kaz dego z urządzen. Czujnik komunikuje się przewodowo z komputerem pomiarowym wykorzystując do tego jeden ze standardo w transmisji szeregowej. Komputer w agregatorze danych wyposaz ony jest we wszystkie elementy typowego mikrokomputera, ma konstrukcję modułową, funkcjonuje w s rodowisku systemu operacyjnego Linux, dysponuje autonomicznym zasilaniem i jest odporny na czynniki atmosferyczne. Zasilanie zapewniają mu: turbina wiatrowa, panel fotowoltaiczny oraz akumulator z elowy. Dodatkowo, komputer posiada moduł bezprzewodowej komunikacji zewnętrznej obsługujący standardy: 802.15, Wi-Fi 2,4 GHz i 5,2 GHz; GPRS. Dodatkowo, jest on wyposaz ony w przewodowy interfejs standardu Ethernet. Kanał komunikacyjny jest zestawiany zgodnie z poniz szymi zasadami: jez eli komunikacja nie moz e byc zrealizowana po kanale ustalonym jako priorytetowy, podejmowane są pro by nawiązania połączenia w kolejnych dostępnych standardach [7]. Komputer w kolektorze danych zasilany jest z wymiennych akumulatoro w i w celu minimalizacji zuz ycia energii posiada ograniczoną konfigurację. Moz e on pracowac w dwo ch trybach: standardowym oraz czuwania, kiedy energia zuz ywana jest wyłącznie do podtrzymania podstawowych funkcji urządzenia. Przejs cie pomiędzy trybami moz e byc inicjowane przez samo urządzenie lub pochodzic z zewnątrz. Komunikacja kolektora danych ze s wiatem zewnętrznym odbywa się za pomocą protokołu 802.15, stworzonego specjalnie dla sieci sensorowych. Kolektory montowane są na wysięgnikach w bezpos rednim sąsiedztwie czujniko w pomiarowych [7]. Odbiorcą informacji z kanału jest komputer prognozujący, pełniący dodatkowo rolę składnicy danych. Aby zapewnic maksymalną niezawodnos c i z ywotnos c systemu, komputer ten jest nadmiarowany. W trybach standardowym i zagroz enia rola jednostki nadmiarowej ogranicza się do magazynowania danych, w trybie katastrofy wykonuje on ro wniez prognozowanie. 4. Proces decyzyjny i funkcjonalność systemu Gło wnym zadaniem opisywanego systemu jest opracowanie prognozy zachowania się s rodowiska, kto ra dalej wykorzystywana jest do podjęcia decyzji o rozpoczęciu działan ostrzegawczych lub ratunkowych. Do jej przygotowania wykorzystywane są pomiary uzyskiwane z czujniko w, a takz e dane historyczne oraz prognozy publikowane przez podmioty profesjonalnie zajmujące się meteorolo-
78 M. Hajder, M. Nycz gią. Na podstawie prognozy podejmowana jest decyzja o wszczęciu, odłoz eniu lub zaniechaniu procedur kryzysowych. Komponenty procesu decyzyjnego zostały zaprezentowane na rys. 6. Archiwum środowiska Aktualny stan środowiska 1. Wilgotność gleby 2. Wilgotność poszycia 3. Wilgotność powietrza 4. Stan cieku wodnego 5. Stan zbiorników retencyjnych 6. Parametry chmur 7. Inne Model zachowania Proces decyzyjny Czynniki zewnętrzne 1. Uwarunkowania socjologiczne 2. Dynamiczne uwarunkowania techniczne 3. Prognozy IMiGW 4. Inne Archiwum decyzji Rys. 6. Komponenty procesu decyzyjnego. Dokładnos c uzyskiwanych prognoz zalez y od jakos ci zastosowanego modelu, asortymentu uwzględnianych parametro w s rodowiska, a takz e precyzji posiadanych danych. Oczywis cie, błędy w okres leniu poszczego lnych wartos ci posiadają ro z ny wpływ na dokładnos c konkretnych typo w prognoz. Na przykład, przewidując zmiany poziomu rzeki oraz szybkos ci jej nurtu, wilgotnos c powietrza moz na uwaz ac za charakterystykę drugoplanową. Z drugiej jednak strony, jez eli prognozowane jest zagroz enie poz arowe, parametr ten ma znaczenie pierwszoplanowe [2]. Dobierając parametry modelu, poza jego adekwatnos cią nalez y miec na uwadze takz e koszty sprzętu pomiarowego. W tym względzie wyro z niają się przyrządy okres lające parametry chmur, dane dostarczane przez nie pozwalają m. in. oszacowac długos c oraz intensywnos c opadu i czynią ostateczną prognozę bardziej wiarygodną, uzyskiwaną z większym wyprzedzeniem. Tworzone prognozy są wystarczająco trafne juz w przypadku uwzględnienia danych o wilgotnos ci gleby, wielkos ci opadu oraz wysokos ci i szybkos ci nurtu rzeki. W celu udoskonalenia prognozowania, w systemie przewidziano ro wniez uwzględnienie czynniko w zewnętrznych, kto re, co prawda, nie są bezpos rednio wkomponowane w model, ale są one uwzględniane w procesie decyzyjnym. Przykładowo, prognozy IMiGW zapewniają okres lenie długoterminowego trendu pogodowego, uprawdopodobniając tym samym pojawienie się zagroz enia [8], [9]. Dotąd rozwaz alis my system, w kto rym nie było moz liwos ci przeciwdziałania pojawiającym się zagroz eniom, a jego rola ograniczała się do informowania
Koncepcja systemu prognozowania zagrożeń środowiskowych 79 o prawdopodobnym niebezpieczen stwie. Obecnie, przeanalizujemy przykład cieku wodnego, na kto rym eksploatowane są zbiorniki posiadające moz liwos c regulacji poziomu lustra. Dla takiego przypadku, cykl funkcjonowania systemu przedstawiony został na rys. 7. Etap IV Powrót do stanu standardowego Etap III Przeciwdziałanie zagrożeniu Etap II Przygotowanie do przeciwdziałania Etap I Prawdopodobieństwo zagrożenia Rys. 7. Cykl funkcjonowania systemu przeciwdziałania zagroz eniom. Jez eli przygotowana prognoza przewiduje zwiększenie ilos ci wody dostarczanej do koryta powyz ej zbiornika, system automatycznie przechodzi w tryb przeciwdziałania zagroz eniu. W tym czasie, poziom go rnego lustra jest obniz any tak, aby pomies cic dodatkowe ilos ci wody okres lone w opracowanej prognozie. W skrajnym przypadku, jez eli jej ilos c przekracza pojemnos c zbiornika, poziom jego lustra ustawiany jest na minimalny. Jez eli prognozowane zagroz enie pojawiło się, zbiornik przyjmując nadmiar wody utrzymuje dolne lustro na bezpiecznym poziomie. Jez eli nie jest w stanie zmagazynowac nadmiaru wody, dolne lustro utrzymywane jest na maksymalnym poziomie, moz liwe jest ro wniez zalewanie obszaro w buforowych w rezultacie planowego działania lub awaryjnego spustu wody. Kiedy zagroz enie minie, następuje powro t do standardowego trybu funkcjonowania poprzez ustalenie go rnego lustra na poziomie wynikającym z ogo lnego stanu s rodowiska, w tym ro wniez zapotrzebowania na wodę pobieraną ze zbiornika [3], [10]. Decyzja o przygotowaniu zbiornika do przyjęcia dodatkowej ilos ci wody podejmowana jest m. in na bazie aktualnego trendu pogodowego. Zjawiska powodziowe pojawiają się w przypadku trendu dodatniego, kiedy w s rodowisku występuje nadmiar wody. Jez eli trend pogodowy jest ujemny, pojawia się deficyt uprawdopodobniający suszę glebową. W takim przypadku, system moz e zapewnic magazynowanie wody na potrzeby konsumpcyjne i gospodarcze utrzymując dolne lustro na
80 M. Hajder, M. Nycz minimalnym poziomie, maksymalizując dzięki temu poziom go rnego lustra. Wszystkie powyz sze działania wykonywane są autonomicznie przez sam system. 5. Teraźniejszość i przyszłość systemu Obecne prace skoncentrowane są na wdroz eniu systemu ostrzegania przed zagroz eniami powodziowymi pojawiającymi się w skali lokalnej. System ten poza poprawą bezpieczen stwa mieszkan co w monitorowanego obszaru, zwiększa bezpieczen stwo zbiorniko w i trakto w wodnych, chroniąc je przez szybkim zniszczeniem. Przewidziano w nim m. in. moduł s ledzący napręz enia pojawiające się w przegrodach i prognozujący ich zmiany będące reakcją na rozwo j sytuacji hydrologicznej. System moz e mierzyc zanieczyszczenia przepływającej wody, w tym ro wniez zawartos c w niej ciał stałych (piasku, zanieczyszczen organicznych i nieorganicznych), ostrzegac o pojawieniu się w wodzie szkodliwych zanieczyszczen. Nic nie stoi na przeszkodzie, aby stacje pomiarowe doposaz yc w monitoring wizyjny. Ten i inne obszary zastosowania omawianej koncepcji, przedstawiono na rys. 8. Oczywis cie, nie wyczerpują one wszystkich moz liwych sposobo w wykorzystania systemu, kto re są praktycznie nieograniczone. 1 Zjawiska powodziowe 1. Powodzie i podtopienia dla małych cieków wodnych 2. Bezpieczeństwo zbiorników i traktów wodnych 2 Zjawiska atmosferyczne 1. Huragany i nawałnice 2. Oblodzenia 3. Gradobicia 4. Usuwiska na szlakach komunikacyjnych 3 Zagrożenia techniczne 1. Zagrożenia czynnikami szkodliwymi z prognozą ich przemieszczania Rys. 8 Obszary zastosowania systemu wykrywania zagroz en. Wdroz enie systemu, w odniesieniu do wykrywania zagroz en hydrologicznych, napotyka na szereg trudnos ci, z kto rych najistotniejsze to: 1. Trudności we współpracy z zarządcami infrastruktury hydrologicznej. Niestety, w wielu przypadkach, postrzegają oni w systemie zagroz enie swojej monopolistycznej pozycji w obszarze gospodarki wodnej. Powyz sza postawa moz e wynikac takz e z niedofinansowania ich działalnos ci i troski o swo j przyszły byt;
Koncepcja systemu prognozowania zagrożeń środowiskowych 81 2. Brak dedykowanych źródeł finansowania. Najczęs ciej, za uwagi na skromnos c s rodko w budz etowych organy pan stwowe i samorządowe, w miejsce budowy nowoczesnej architektury ostrzegania, decydują się na finansowanie niezbędnych działan charakterze doraz nym, co w pewnym stopniu jest uzasadnione; 3. Bardzo zły stan infrastruktury hydrotechnicznej. Przygotowany dla systemu model zachowania s rodowiska musi odzwierciedlac jego stan. Stan ten opisywany jest m. in. parametrami wszelkich instalacji hydrotechnicznych, takich jak: rowy, zbiorniki, koryta rzek itp. Istotna ingerencja w ich postac spowoduje pogorszenie dokładnos ci symulacji. Dlatego, najlepszym rozwiązaniem byłoby poprzedzenie budowy systemu remontem najwaz niejszych instalacji hydrotechnicznych. W wielu przypadkach przytacza się ro wniez opinię, z e obecne problemy wynikają wyłącznie ze złego stanu tejz e infrastruktury, a inwestowanie w systemy wykrywania zagroz en jest niepotrzebne. Wiele spos ro d samorządo w lokalnych zainteresowanych wdroz eniem systemu niepokoją koszty jego projektowania, budowy i eksploatacji. Najwaz niejsze składniki kosztowe przedstawiono na rys. 9. Prognozowanie Koszty Transmisja danych Prawa własności Rys. 9. Składniki koszto w budowy i eksploatacji systemo w. Prawa własnos ci obejmują koszty odrolnienia grunto w, na kto rych posadowione zostaną maszty komunikacyjne oraz koszty ich wykupu lub dzierz awy. Koszty klasyfikowane jako hydrotechnika uwzględniają modernizację istniejących urządzen hydrotechnicznych: zbiorniko w wodnych, koryt rzeki, rowo w melioracyjnych. Zauwaz my, z e większos c istniejących obecnie małych zbiorniko w nie posiada moz liwos ci automatycznej regulacji poziomu lustra. Koszty prognozowania zawierają koszty opracowania modelu i aplikacji oraz przygotowania s rodowiska magazynowania
82 M. Hajder, M. Nycz i przetwarzania danych. W dotychczasowych projektach, koszty hydrotechniki stanowiły minimum 75% koszto w całej inwestycji. 6. Podsumowanie Zaproponowany artykule system, to powiązanie najnowoczes niejszych technologii wykorzystywanych w informatyce, telekomunikacji, meteorologii i sterowaniu do zarządzania bezpieczen stwem obywateli. Jest to bezdyskusyjnie innowacyjna, wręcz pionierska konstrukcja techniczna, go rująca nad innymi podobnymi szerokim zastosowaniem najs wiez szej wiedzy naukowej. Jez eli system, dodatkowo, będzie wspomagał przeciwdziałanie zagroz eniom, stanie się on nieodzownym elementem infrastruktury. Zauwaz my, z e koszty jego budowy stanowią ułamek strat ponoszonych w rezultacie kaz dego z zagroz en. Włas nie dlatego, systemy takie będą w przyszłos ci obowiązkowym elementem nowoczesnej infrastruktury. Bibliografia [1] Romuald Grocki, Marian Mokwa, and Laura Radczuk, Organizacja i wdrażanie lokalnych systemów ostrzeżeń powodziowych. Wrocław: Biuro Koordynacji Projektu Banku Światowego, 2001. [2] Wojciech Chmielowski, Zastosowania optymalizacji w gospodarce wodnej. Podręcznik dla studentów wyższych szkół technicznychi. Kraków: Politechnika Krakowska, 2005. [3] Elżbieta Bajkiewicz-Grabowska and Zdzisław Mikulski, Hydrologia ogólna, IV ed. Warszawa: Wydawnictwa Naukowe PWN, 2007. [4] Elżbieta Bajkiewicz-Grabowska, Artur Magnuszewski, and Zdzisław Mikulski, Przewodnik do ćwiczeń z hydrologii ogólnej, 2nd ed. Warszawa: Wydawnictwa Naukowe PWN, 1993. [5] Jun Zheng, Ed., Wireless Sensor Networka. Hoboken: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2009. [6] Karl Holger and Andreas Willing, Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks. Chichester: John Wiley & Sons Ltd, 2005. [7] Kia Makki, Ed., Sensor and Ad Hoc Networks. Theoretical and Algorithmic Aspects. New York: Springer, 2008. [8] Krzysztof Kożuchowski, Ed., Meteorologia i klimatologia. Warszawa: Wydawnictwa Naukowe PWN, 2006. [9] Stanisław Bac and Marian Rojek, Meteorologia i klimatologia. Warszawa: Państwowe Wydawnictwa Naukowe, 1981. [10] Praca zbiorowa, Hydrologia w inżynierii i gospodarce wodnej. Warszawa, Polska: Komitet Inżynierii Środowiska PAN, 2010.