ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ 5.1 : Τεχνική έκθεση λογισμικού συνεργασίας τηλεμετρικού δικτύου

Transcript

1 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΠΑΙΔΕΙΑΣ, ΔΙΑ ΒΙΟΥ ΜΑΘΗΣΗΣ ΚΑΙ ΘΡΗΣΚΕΥΜΑΤΩΝ ΕΙΔΙΚΗ ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΤΩΝ ΔΡΑΣΕΩΝ ΘΡΗΣΚΕΥΜΑΤΩΝ ΤΟΥ ΥΠΟΥΡΓΕΙΟΥ ΠΑΙΔΕΙΑΣ ΔΙΑ ΒΙΟΥ ΜΑΘΗΣΗΣ ΚΑΙ ΣΤΟΥΣ ΤΟΜΕΙΣ ΤΗΣ ΈΡΕΥΝΑΣ ΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΚΑΙΝΟΤΟΜΊΑΣ Ε.Υ.Δ.Ε. Ε.Τ.Α.Κ.) ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΙΑΚΑ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΑ «ΑΝΤΑΓΩΝΙΣΤΙΚΟΤΗΤΑ & ΕΠΙΧΕΙΡΗΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ» ΚΑΙ ΠΕΡΙΦΕΡΕΙΩΝ ΣΕ ΜΕΤΑΒΑΣΗ ΕΣΠΑ έν τω ρ ΕΘΝΙΚΟ ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΑΝΑΦΟΡΑΣ ΔΡΑΣΗ ΕΘΝΙΚΗΣ ΕΜΒΕΛΕΙΑΣ «ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ» Υδ ρο μ ΠΡΑΞΗ Ι:«Συνεργατικά έργα μικρής και μεσαίας κλίμακας» «ΥΔΡΟΜΕΝΤΩΡ: ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ yr ig ht - ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΠΟΣΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ ΑΓΡΟΤΙΚΩΝ ΛΕΚΑΝΩΝ ΑΠΟΡΡΟΗΣ ΥΠΟ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΚΛΙΜΑΤΙΚΗΣ ΑΛΛΑΓΗΣ. ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΤΗ ΛΕΚΑΝΗ ΑΠΟΡΡΟΗΣ ΤΗΣ ΛΙΜΝΗΣ ΚΑΡΛΑΣ.» ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ op Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών Ι.Ε.ΤΕ.Θ. Ινστιτούτο Έρευνας και Τεχνολογίας Θεσσαλίας ΦΟΡΕΑΣ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΟΙΚΟΝΑΠΤΥΞΗΣ ΚΑΡΛΑΣ, ΜΑΥΡΟΒΟΥΝΙΟΥ, ΚΕΦΑΛΟΒΡΥΣΟΥ, ΒΕΛΕΣΤΙΝΟΥ. ELPHO A.E. SCIENTACT Α.Ε. C ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ 5.1 : Τεχνική έκθεση λογισμικού συνεργασίας τηλεμετρικού δικτύου ΕΥΡΩΠΑΪΚΗ ΕΝΩΣΗ ΕΥΡΩΠΑΪΚΟ ΤΑΜΕΙΟ ΠΕΡΙΦΕΡΕΙΑΚΗΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ

2 ΥΔΡΟΜΕΝΤΩΡ ii

3 Πίνακας Περιεχομένων Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Εισαγωγή στο Φυσικό Αντικείμενο Το πρόβλημα και η αναγκαιότητα Η λειτουργία ενός συστήματος παρατήρησης... 5 Κεφάλαιο 2 Περιγραφή του Πλαισίου Συστήματος Παρατήρησης Υποδομή παρατήρησης και επικοινωνίας Αποθετήριο δεδομένων και μετα-δεδομένα Η διασφάλιση της ποιότητας, ο έλεγχος της ποιότητας, και της προέλευσης των δεδομένων Δημοσίευση δεδομένων και δια-λειτουργικότητα Ανακάλυψη δεδομένων και παρουσίαση Κεφάλαιο 3 Ανάπτυξη, εφαρμογή και επίδειξη του ολοκληρωμένου συστήματος και απόδοση αποτελεσμάτων Ανάπτυξη λογισμικού συνεργασίας τηλεμετρικού δικτύου Ανάπτυξη εφαρμογής εισαγωγής των τηλεμετρικών δεδομένων στη βάση δεδομένων Εφαρμογή οπτικοποίησης και επεξεργασίας των δεδομένων Χρήστες Σταθμοί και δεδομένα Υπηρεσίες δεδομένων Υπηρεσία SensorML iii

4 iv

5 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 1.1 Εισαγωγή στο Φυσικό Αντικείμενο Το πληροφοριακό σύστημα Υδρομέντωρ είναι ένα ολοκληρωμένο framework μοντελοποίησης και προσομοίωσης υδρολογικών διαδικασιών καθώς και περιβαλλοντικών διαδικασιών που αφορά τη διαχείριση ποσότητας και ποιότητας υδατικών πόρων. Πρόσφατα, πρωτοβουλίες διαφόρων κοινοτήτων και φορέων που έχουν συνάφεια με το πλαίσιο της επιστήμης της υδρολογίας και της περιβαλλοντικής μηχανικής αποβλέπουν στο σχηματισμό και την κατασκευή όλων των απαραίτητων μηχανισμών για τη δημιουργία περιβαλλοντικών παρατηρητηρίων μεγάλης κλίμακας. Η ανάγκη τέτοιων δομών οφείλεται στο γεγονός ότι οι επιστήμονες και μελετητές αλλά και οι διάφορες αρμόδιες αρχές μπορούν να χρησιμοποιούν τα δεδομένα που συλλέγονται στα παρατηρητήρια για την αντιμετώπιση και πειραματική επαλήθευση διαφόρων στοιχείων της έρευνας που εξαρτάται από την επιτυχία της πλήρους εφαρμογής των υποδομών. Σε αυτή την τεχνική έκθεση, περιγράφουμε την αρχιτεκτονική και λειτουργικές απαιτήσεις για ένα παρατηρητήριο και ένα σύστημα περιβαλλοντικών πληροφοριών που υποστηρίζει τη συλλογή, την οργάνωση, την αποθήκευση, την ανάλυση, και τη δημοσίευση διαφόρων υδρολογικών και μετεωρολογικών παρατηρήσεων. Το σύστημα αυτό εφαρμόζεται στην περιοχή της αγροτικής λεκάνης απορροής της αναγεννημένης λίμνης Κάρλας στη Μαγνησία και δημιουργήθηκε στα πλαίσια του προγράμματος «ΥΔΡΟΜΕΝΤΩΡ: ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΠΟΣΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ ΑΓΡΟΤΙΚΩΝ ΛΕΚΑΝΩΝ ΑΠΟΡΡΟΗΣ ΥΠΟ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΚΛΙΜΑΤΙΚΗΣ ΑΛΛΑΓΗΣ. ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΤΗ ΛΕΚΑΝΗ ΑΠΟΡΡΟΗΣ ΤΗΣ ΛΙΜΝΗΣ ΚΑΡΛΑΣ.» εντός της Δράσης Εθνικής Εμβέλειας «ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ» ΠΡΑΞΗ Ι: «Συνεργατικά έργα μικρής και μεσαίας κλίμακας». Για αυτό το λόγο έχει δημιουργηθεί μια περιβαλλοντική διαδικτυακή 1

6 πλατφόρμα όχι μόνο συλλογής αλλά επίσης διαχείρισης και οπτικοποίησης των δεδομένων που συλλέγονται από διάφορους αισθητήρες και σταθμούς συλλογής περιβαλλοντικών και μετεωρολογικών δεδομένων. Αυτό το σύστημα αργότερα μπορεί να μετατραπεί σε ένα σύστημα πανελλήνιας εμβέλειας διατηρώντας την ίδια δομή και φιλοσοφία. Στη συνέχεια περιγράφουμε με λεπτομέρεια το νέο σύστημα παρατήρησης και από πλευράς αρχιτεκτονικής του υλικού αλλά και από πλευράς του λογισμικού που έχει αναπτυχθεί για την πλήρη διαχείρισή του. Έχει αποδειχθεί ότι τα συστατικά που πρέπει να περιλαμβάνει ένα σύστημα πληροφορίας παρατηρήσεων (observatory information system) που επιτρέπει όχι μόνο τη διαχείριση, την ανάλυση και τη σύνθεση των στοιχείων του περιβάλλοντος παρατηρήσεις για ένα παρατηρητήριο, αλλά και τη δημοσίευση των δεδομένων στο Διαδίκτυο με απλές μορφοποιήσεις που είναι εύκολα προσβάσιμες, ορατές από τους άλλους, και δια-λειτουργικές. Ο στόχος ενός τέτοιου συστήματος παρατήρησης υδατικών πόρων είναι να διευκολύνει τη συλλογή, οργάνωση, αποθήκευση, ανάλυση και δημοσίευση των περιβαλλοντικών δεδομένων παρατηρήσεων που συλλέγονται στο πλαίσιο ενός περιβαλλοντικού παρατηρητηρίου αλλά και να διαχειριστεί αυτή την πληροφορία με την διαδικασία προσομοιώσεων έτσι ώστε να προβλέψει διάφορα υδρολογικά φαινόμενα. Όταν σε ένα τέτοιο σύστημα προσάψουμε και λειτουργίες περιβαλλοντικού χαρακτήρα όπως και προβλέψεις κοινωνικο-οικονομικών παραγόντων που αφορούν την περιοχή μελέτης, μπορούμε να δημιουργήσουμε ένα ολοκληρωμένο σύστημα μελέτης μιας περιοχής που αφορά τις κλιματικές αλλαγές, τις επιπτώσεις επιφανειακής και υπόγειας υδρολογίας καθώς και τις επιπτώσεις που σχετίζονται με το περιβάλλον και πως αυτό επηρεάζει ένα υδροβιότοπο. 1.2 Το πρόβλημα και η αναγκαιότητα Ο τομέας των περιβαλλοντικών παρατηρήσεων απαιτεί επενδύσεις τόσο του κεφαλαίου αγοράς και εγκατάστασης του υλικού το οποίο πρέπει να είναι προσαρμοσμένο στις απαιτήσεις του συστήματος αλλά και της ανάπτυξης της πληροφορικής υποδομής για τη διαχείριση τέτοιων συστημάτων παρατήρησης (monitoring systems). Τα δεδομένα τα 2

7 οποία συλλέγονται σε τέτοια συστήματα παρατήρησης πρέπει να είναι μορφοποιημένα με τέτοιο τρόπο έτσι ώστε να μπορούν να παρουσιασθούν από το μεγαλύτερο ποσοστό του λογισμικού απεικόνισης αλλά και βέβαια διαφόρων φυλλομετρητών ιστού (web browsers) μιας και αυτός ο τρόπος είναι ο πλέον ενδεδειγμένος τρόπος όπου από απόσταση μπορεί ο καθένας να δει και να διαχειριστεί. Επομένως τα δεδομένα του συστήματος παρατήρησης πρέπει επίσης και να παράγουν διάφορα μετα-δεδομένα τα οποία περιγράφουν το σύστημα και τις διάφορες λειτουργίες του και τα οποία πρέπει και αυτά να δημοσιεύονται στο Διαδίκτυο σε μορφή που είναι εύκολα ερμηνεύσιμη, και να μπορεί να γίνεται συνδυασμός με δεδομένα από άλλα παρατηρητήρια και επαναχρησιμοποίηση και υποστήριξη για πολλές διαφορετικές αναλύσεις. Ενώ υπάρχουν συγκεκριμένες τεχνολογίες λογισμικού που υποστηρίζουν τμήματα μιας συνολικής συλλογής δεδομένων όπως για παράδειγμα τη διαχείριση, και τις ανάγκες δημοσίευσης των δεδομένων των παρατηρητηρίων, δεν υπάρχει επί του παρόντος καμία ολοκληρωμένη διαδικασία, από το σύστημα αποθήκευσης που υποστηρίζει ότι χρειάζεται η συνολική λειτουργικότητα ενός συστήματος παρατήρησης. Εξακολουθούν να υπάρχουν σημαντικές προκλήσεις σε ότι έχει σχέση με τον καλύτερο προσδιορισμό της λειτουργικότητας ενός συστήματος παρατήρησης και τις ειδικές τεχνολογίες ή μεθόδους που διατίθενται για τη δημιουργία αυτής της λειτουργικότητας. Πολλοί κατασκευαστές για παράδειγμα που κατασκευάζουν διάφορους υδρολογικούς αισθητήρες αλλά και σύμβουλοι περιβαλλοντικής παρακολούθησης προσφέρουν διάφορες υπηρεσίες που κυμαίνονται ανάμεσα στο σχεδιασμό του δικτύου αισθητήρων και την εγκατάσταση των συστημάτων για τη δημοσίευση των δεδομένων των αισθητήρων στο Διαδίκτυο. Οι λύσεις αυτές μπορεί να είναι αρκετά λειτουργικές, αλλά μπορούν επίσης να είναι εντελώς προσαρμοσμένες στις απαιτήσεις του υλικού και να μην γίνονται ευρέως αποδεκτές παρά μόνο για κάποιο ή κάποιους κατασκευαστές και δεν έχουν πάντα σχεδιαστεί για να λειτουργούν σε συνεργασία με άλλα συστήματα, γεγονός που καθιστά δύσκολο να ενσωματώσουν στοιχεία που συλλέγονται με τη χρήση συστημάτων από άλλους κατασκευαστές. Επιπλέον, τα περισσότερα στοιχεία υδρολογικών δεδομένων απαιτούν μια εξιδεικευμένη επεξεργασία ελέγχου που είναι πολύ σημαντική και αφορά την ποιότητα των δεδομένων πριν να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε επιστημονικές 3

8 αναλύσεις. Επί του παρόντος υπάρχει κάποια μικρή τυποποίηση στο λογισμικό ή στις μεθόδους που χρησιμοποιούνται από διάφορους επιστήμονες για την πραγματοποίηση του ελέγχου της ποιότητας των δεδομένων αισθητήρων. Για παράδειγμα, υπάρχουν παρόμοιες μελέτες σχετικά με την επανεξέταση δεδομένων για την άσκηση του ελέγχου της ποιότητας των δεδομένων ημερήσιας βροχόπτωσης, μόνο μία από τις πολλές υδρολογικές μεταβλητές που μπορούν να μετρούνται με τη χρήση in situ αισθητήρων. Οι κατευθυντήριες γραμμές για σύνολα δεδομένων αισθητήρων που επιδέχονται μεταγενέστερη επεξεργασία των δεδομένων για σκοπούς ελέγχου της ποιότητας είναι υπό σκέψη αλλά το εγχείρημα φαίνεται να είναι δύσκολο, όταν τα δεδομένα αποτελούνται από χιλιάδες ή ακόμα και δεκάδες ή εκατοντάδες χιλιάδων παρατηρήσεων, που απαιτούν καλύτερα εργαλεία που έχουν ενσωματωθεί με το υπόλοιπο ενός συστήματος παρατηρητηρίου πληροφοριών για τη διαχείριση των δεδομένων και την εκτέλεση του ελέγχου της ποιότητας των δεδομένων. Σύμφωνα με άλλους αναλυτές, η μεγαλύτερη πρόκληση στην απρόσκοπτη ενσωμάτωση πολλαπλών πηγών δεδομένων είναι η επίλυση των διαφόρων ζητημάτων ετερογένειας των δεδομένων και των πηγών από τις οποίες προέρχονται αυτά. Πολλές επιστημονικές έρευνες έχουν επινοήσει τα δικά τους συστήματα για την ανταλλαγή υδρολογικών δεδομένων, και πολλές κυβερνητικές υπηρεσίες έχουν επίσης συστήματα δημοσίευσης των δεδομένων (π.χ., Εθνικό Σύστημα πληροφοριών για τα νερά των ΗΠΑ USGS, οι υπηρεσίες των Ηνωμένων Πολιτειών για την προστασία του περιβάλλοντος και πολλές άλλες). Κάθε ένα από αυτά τα συστήματα έχει το δικό του μηχανισμό αποθήκευσης δεδομένων και το σχήμα του και δεν υπάρχει τυποποίηση σε μορφές ή λεξιλόγια των δεδομένων που έχουν ληφθεί από αυτά τα συστήματα, καθιστώντας την ενοποίηση των δεδομένων για επιστημονικές αναλύσεις δύσκολη. Η χρήση των δεδομένων για επιστημονικές αναλύσεις από άτομα πέραν εκείνων που συλλέγουν τα δεδομένα, τα οποία θα ήταν η περίπτωση για τις αναλύσεις μεταξύ διαφόρων παρατηρητηρίων, προϋποθέτει ότι θα πρέπει να περιγράφονται επαρκώς και ότι οι σημασιολογικές και συντακτικές διαφορές στα στοιχεία που περιλαμβάνονται πρέπει να επιλυθούν. Κατά συνέπεια, η επιστημονική ερμηνεία των δεδομένων είναι σε μεγάλο βαθμό ενισχυμένη όταν τα δεδομένα από διαφορετικά περιβάλλοντα παρατήρησης δημοσιεύονται σε συγκρίσιμη μορφή, έτσι ώστε να μπορεί να αποκτηθούν εύκολα και να συντίθενται. 4

9 Υπάρχουν κοινά πρότυπα για την ανταλλαγή δεδομένων που αναπτύσσονται μέσω του World Wide Web Consortium (π.χ., XML, WSDL και SOAP) και γενικές προδιαγραφές σε μορφή XML για την περιγραφή και τη μετάδοση δεδομένων. Αυτά τα πρότυπα περιλαμβάνουν τη Γεωγραφική Markup Language (GML), την Οικολογική Γλώσσα μεταδεδομένων, (EML) και άλλα. Υπάρχουν επίσης αντίστοιχα εργαλεία που κωδικοποιούν τη σημασιολογία των υδρολογικών παρατηρήσεων σε κοινές μορφοποιήσεις ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν από διαφορετικές ερευνητικές ομάδες από πολλαπλές πηγές συστημάτων παρατήρησης. 1.3 Η λειτουργία ενός συστήματος παρατήρησης Ο στόχος του συστήματος παρατηρητηρίου πληροφοριών είναι να διευκολύνει τη συλλογή, οργάνωση, αποθήκευση, ανάλυση και δημοσίευση των στοιχείων των παρατηρήσεων του περιβάλλοντος που συλλέγονται. Ορίζουμε τη συλλογή δεδομένων και τη διαδικασία ή μεθοδολογία που γίνονται υδρολογικές παρατηρήσεις (π.χ., μετρήσεις της θερμοκρασίας του νερού γίνονται με τη χρήση ενός αισθητήρα in-situ και καταγράφονται σε ένα καταγραφικό). Επικοινωνία είναι η διαδικασία με την οποία τα δεδομένα μεταδίδονται από το ένα σημείο στο άλλο (π.χ., μετάδοση παρατηρήσεων από ένα site σε έναν κεντρικό διακομιστή μέσω ενός δικτύου τηλεμετρίας). Οργάνωση και αποθήκευση δεδομένων είναι η διαδικασία με την οποία τα δεδομένα μετατρέπονται σε μια μορφή που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να υποστηρίξει τόσο τη δημοσίευση των στοιχείων και της ανάλυσης, συμπεριλαμβανομένου του σχολιασμού των δεδομένων με μετα-δεδομένα και τη δημιουργία μιας μεθοδικής αποθήκευσης δεδομένων. Η ανάλυση των δεδομένων είναι η διαδικασία με την οποία τα δεδομένα ελέγχονται με βάση ένα συγκεκριμένο πρότυπο, και οπτικοποιούνται με στόχο την αύξηση της κατανόησης των υδρολογικών διεργασιών, και Η δημοσίευση είναι η διαδικασία με την οποία τα δεδομένα είναι καθολικά διαθέσιμα και παρουσιάζονται σε δια-λειτουργικές μορφές που μπορούν να 5

10 ανακαλυφθούν από τους επιστήμονες, εκτός από εκείνους που αρχικά συνέλεξαν τα δεδομένα. Οι γενικές αρχιτεκτονικές και διαδικασίες που απαιτούνται για την επίτευξη αυτών yr ig ht - Υδ ρο μ έν τω ρ των στόχων φαίνονται στο Σχήμα 1. Σχήμα 1.1: Η γενική αρχιτεκτονική ενός συστήματος παρατήρησης δεδομένων Περιλαμβάνουν τα εξής: Την Υποδομή Παρατήρησης των δεδομένων και της επικοινωνίας : οι op C αισθητήρες και τα συστήματα τηλεμετρίας που χρησιμοποιούνται για τη συλλογή παρατηρήσεων Την Αποθήκευση των δεδομένων και των μετα-δεδομένων: τα μοντέλα δεδομένων, συστήματα βάσεων δεδομένων και λογισμικού που απαιτούνται για τη δημιουργία μιας αποθήκευσης για τα δεδομένα Την Διασφάλιση της ποιότητας, τον έλεγχο της ποιότητας, και της προέλευσης : το λογισμικό και τις διαδικασίες για τη μετάβαση από τα 6

11 ανεπεξέργαστα δεδομένα σε προϊόντα δεδομένων τα οποία είναι δημοσιεύσιμα. Τη Δημοσίευση και τη Διαλειτουργικότητα : το λογισμικό, τα πρωτόκολλα, τα σχήματα, και τα λεξιλόγια που χρησιμοποιούνται για τη δημοσίευση των στοιχείων σε διαλειτουργικές μορφές και τέλος, Την Ανακάλυψη και την Παρουσίαση : περιλαμβάνει τους χρήστες και τα εργαλεία που χρησιμοποιούν για να πάρουν τα δεδομένα για το σκοπό της δημιουργίας απεικονίσεων και αναλύσεων. Στο επόμενο κεφάλαιο δείχνουμε με μεγαλύτερη λεπτομέρεια και συζητούμε εκτενώς τις παραπάνω διαδικασίες. 7

12 8

13 Κεφάλαιο 2 Περιγραφή του Πλαισίου Συστήματος Παρατήρησης 2.1 Υποδομή παρατήρησης και επικοινωνίας Οι υποδομές που περιλαμβάνουν περιβαλλοντικούς αισθητήρες και οι υποδομές δικτύων επικοινωνιών διαδραματίζουν τον πλέον σημαντικό ρόλο στα προτεινόμενα περιβαλλοντικά παρατηρητήρια. Ένα δίκτυο αισθητήρων περιβάλλοντος είναι μια σειρά κόμβων αισθητήρων (sensor nodes) και ένα σύστημα επικοινωνίας που επιτρέπει στα δεδομένα τους να φτάσουν σε ένα αποθετήριο δεδομένων. Οι μεταβλητές που μετρούνται στους κόμβους αισθητήρων μπορεί να περιλαμβάνουν μεταβλητές μικρο-κλίματος, μεταβλητές χημικών διεργασιών όπως καθίζηση, μεταβλητές του εδάφους, «ρεύματα» φυσικών και χημικών μεταβλητών, μεταβλητές υπόγειων υδάτων, μεταβλητές χιονιού, και πολλά άλλα. Πολλές από αυτές τις μεταβλητές μετρούνται και αναφέρονται σε σχεδόν πραγματικό χρόνο, επιτρέποντας στους ερευνητές να διεξάγουν προγνωστική μοντελοποίηση της ποσότητας του νερού και της ποιότητας και της δυνατότητας ανατροφοδότησης με αυτά τα συστήματα παρακολούθησης για να ρυθμίσουν τη λειτουργία και την προσαρμογή της παρακολούθησης αντιδρώντας κατάλληλα στα πραγματικά γεγονότα που ενδεχομένως μπορούν να συμβαίνουν ανά πάσα στιγμή. Η υποβολή των δεδομένων σε πραγματικό χρόνο ή σχεδόν πραγματικό χρόνο απαιτεί ισχυρή υποδομή επικοινωνιών. Επί του παρόντος διαθέσιμες επιλογές τηλεμετρίας περιλαμβάνουν τόσο ενσύρματες λύσεις (π.χ. συνδέσεις τηλεφώνου και γραμμές Internet) όσο και ασύρματες λύσεις (π.χ. κινητό τηλέφωνο, ραδιόφωνο, δορυφορική επικοινωνία κ.λπ.). Η επιλογή της τεχνολογίας εξαρτάται από τους εξής παράγοντες: 1. Απαιτείται η συλλογή στοιχείων και η αναφορά της συχνότητας συλλογής (data acquisition time step) 9

14 2. Τη θέση και τα χαρακτηριστικά της περιοχής παρακολούθησης 3. Τις απαιτήσεις ισχύος και η διαθεσιμότητα σε απομακρυσμένες περιοχές και 4. Τον εξοπλισμό και τις υπηρεσίες καθώς και το κόστος αυτών των υπηρεσιών. Οι παράγοντες αυτοί αποτελούν προκλήσεις για το σχεδιασμό και την υλοποίηση των δικτύων αισθητήρων σε παρατηρητήρια μεγάλης ιδίως κλίμακας, και με βάση την τρέχουσα πρακτική και τα πιο προσφιλή δίκτυα επικοινωνιών μπορούμε να έχουμε λύσεις που να αποτελούνται από ένα συνδυασμό των διαθέσιμων τεχνολογιών για την κάλυψη των αναγκών συλλογής στοιχείων. 2.2 Αποθετήριο δεδομένων και μετα-δεδομένα Μόλις τα παρατηρησιακά δεδομένα παραδίδονται από τους κόμβους αισθητήρων σε ένα διακομιστή, πρέπει να τοποθετηθούν σε μια καλά σχεδιασμένη δομή αποθήκευσης δεδομένων (π.χ. βάση δεδομένων), έτσι ώστε να μπορούν να διατίθενται στους χρήστες. Ένα πολύ σημαντικό μέρος αυτής της διαδικασίας είναι η οργάνωση των δεδομένων στο χώρο αποθήκευσης δεδομένων που τους επιτρέπει να ταιριάζουν με κατάλληλα μεταδεδομένα. Η βασική λειτουργικότητα που πρέπει να υποστηρίζεται από το αποθετήριο δεδομένων περιλαμβάνει την οργάνωση, την αποθήκευση, την ανάκτηση και την διαχείριση συναλλαγών χρηστών (δηλαδή, τη φόρτωση, την διαχείριση αιτημάτων και την επεξεργασία των δεδομένων). Ένα σημαντικό βήμα επίσης που είναι και προστιθέμενης αξίας περιλαμβάνει τη διαμεσολάβηση σε όλη την ποικιλία των τύπων αρχείων και τις συντάξεις που δημιουργούνται με την υποστήριξη των συστημάτων αισθητήρων και την επικοινωνία του λογισμικού για τη μετατροπή των δεδομένων σε συνεπή σχήματα που μπορούν να υποστηρίξουν τη δημοσίευση και τη δια-λειτουργικότητα των δεδομένων. Μέχρι σήμερα, τα αποθετήρια δεδομένων για πειραματικούς σκοπούς κυμαίνονται ανάμεσα σε αρχειο-κεντρικές (file-based) και κατάλογο-κεντρικές (directory-based) δομές δεδομένων και σε πολύπλοκες σχεσιακές βάσεις δεδομένων, με ελάχιστο συντονισμό για συγκεκριμένες τοποθεσίες και χωρίς αποδεκτό πρότυπο. 10

15 Σε πολλές περιπτώσεις, οι περιβαλλοντικές παρατηρήσεις έχουν αριθμητικά αποτελέσματα, και εξαιτίας αυτού, η ερμηνεία των παρατηρήσεων απαιτεί συμφραζόμενα πληροφοριών ή μετα-δεδομένων. Τα μετα-δεδομένα είναι η περιγραφική πληροφορία που εξηγεί τα χαρακτηριστικά της μέτρησης, τα ονόματά τους, τις μονάδες μέτρησης, την ακρίβεια, την ακρίβεια και τη διάταξη των δεδομένων, καθώς και την καταγωγή των δεδομένων που περιγράφει πώς μετρήθηκαν τα στοιχεία, που αποκτήθηκαν, ή πως υπολογίστηκαν. Η σημασία της καταγραφής μετα-δεδομένων είναι να βοηθήσει τους άλλους να ανακαλύψουν καινούργια προϊόντα δεδομένων για αυτό το λόγο και τα μετα-δεδομένα πρέπει να είναι άμεσα προσβάσιμα και καλά αναγνωρισμένα. Ο χώρος αποθήκευσης δεδομένων πρέπει να συλλάβει όχι μόνο τις τιμές παρατήρησης, αλλά και τα μεταδεδομένα τους καθώς, πρέπει να παρέχει την προέλευση που απαιτείται για τον εντοπισμό τους από τις πρώτες μετρήσεις σε αξιοποιήσιμες πληροφορίες και επίσης πρέπει να επιτρέπει παρατηρήσεις που να ερμηνεύονται με σαφήνεια. 2.3 Η διασφάλιση της ποιότητας, ο έλεγχος της ποιότητας, και της προέλευσης των δεδομένων Προτού μπορέσουν να χρησιμοποιηθούν τα δεδομένα ενός αισθητήρα για τις περισσότερες εφαρμογές και αναλύσεις αυτά πρέπει να περάσουν μέσα από ένα σύνολο διαδικασιών διασφάλισης ποιότητας και ελέγχου της ποιότητας. In-situ αισθητήρες λειτουργούν κάτω από αντίξοες συνθήκες και συχνά παρουσιάζουν δυσλειτουργία, πολλοί αισθητήρες είναι επιρρεπείς σε λάθος καταγραφή στοιχείων λόγω της έλλειψης αρκετής ενέργειας (π.χ. η μπαταρία έχει τελειώσει ή δεν έχει αρκετή ενέργεια) και τα δεδομένα μπορούν επίσης να αλλάξουν τιμές (data corruption) όταν μεταδίδονται μέσω δικτύων επικοινωνίας. Μη διορθωμένα σφάλματα μπορούν να επηρεάσουν αρνητικά την αξία των δεδομένων για επιστημονικές εφαρμογές, ειδικά αν πρόκειται να χρησιμοποιηθούν από ερευνητές οι οποίοι δεν είναι εξοικειωμένοι με τις μεθόδους μέτρησης και τις συνθήκες που μπορεί να έχουν προκαλέσει τις ανωμαλίες. 11

16 Αρκετές μελέτες έχουν ερευνήσει τη λεγόμενη αυτοματοποιημένη ανίχνευση ανωμαλίας σε ροές δεδομένων αισθητήρα, η οποία διαδικασία είναι ιδιαίτερα σημαντική για εφαρμογές πραγματικού χρόνου μετάδοσης των δεδομένων και στην ανίχνευση δυσλειτουργιών οργάνων. Αν και αυτές οι μέθοδοι είναι καλές σε ότι αφορά την ανίχνευση και την εξασθένηση δυνητικά της πιθανότητας ύπαρξης «κακών τιμών» του αισθητήρα, δεν είναι πάντα εύκολος ο καθορισμός τους. Η παραγωγή υψηλής ποιότητας δεδομένων, ειδικά σε συνεχείς ροές δεδομένων από τις εξόδους ενός αισθητήρα απαιτεί διόρθωση για την πορεία του οργάνου, συμπληρώνοντας τις τιμές που λείπουν κατά περίπτωση και τη διόρθωση των λανθασμένων τιμών. Περιλαμβάνει επίσης, συσχέτιση μεταξύ των πρώτων τιμών δεδομένων και των τιμών δεδομένων μετά τον έλεγχο ποιότητας για να διατηρήσουμε αυτή την προέλευση δεδομένων. Αυτή η διαδικασία μπορεί να είναι χρονοβόρα και απαιτεί πολλή εργασία, και απαιτούνται εργαλεία που θα διευκολύνουν την καλύτερη διασφάλιση της ποιότητας και τον έλεγχο της ποιότητας. 2.4 Δημοσίευση δεδομένων και δια-λειτουργικότητα. Τα περιβαλλοντικά παρατηρητήρια μπορούν να λειτουργούν ως αποθετήρια διαφόρων άλλων πόρων πληροφόρησης, δηλαδή άλλων παρατηρητηρίων. Εάν τα δεδομένα που συλλέγονται στο πλαίσιο των περιβαλλοντικών παρατηρητήριων είναι να χρησιμοποιηθούν και από άλλες πηγές ή φορείς/οργανισμούς τότε, στο χώρο αποθήκευσης δεδομένων και μετα-δεδομένων πρέπει να δημοσιεύονται όλα σε μορφοποιήσεις που επιτρέπουν το λογισμικό ελέγχου που είναι εγκατεστημένο τόσο εντός όσο και σε άλλα παρατηρητήρια αλλά και σε άλλα επιστημονικά πεδία να έχει εύκολη πρόσβαση και να ερμηνεύει τα δεδομένα με διαφανή τρόπο. Αυτή η διαδικασία είναι ιδιαίτερα σημαντική, καθώς αναμένεται ότι μπορούμε να κάνουμε νέες ανακαλύψεις δεδομένων που συμβαίνουν όταν τα ήδη υπάρχοντα δεδομένα συνδυάζονται ή αναλύονται με τρόπους που αρχικά οι ερευνητές δεν είχαν προβλέψει. Επί του παρόντος, όλοι οι επιστημονικοί κλάδοι στερούνται από τεχνικές και θεσμικά πλαίσια που απαιτούνται για την υποστήριξη της ανοικτής πρόσβασης στα δεδομένα. 12

17 Μερικές από τις μεγαλύτερες προκλήσεις στην επίτευξη αυτού του στόχου είναι η κατανεμημένη φύση των δεδομένων (γιατί ενδεχομένως να υπάρχουν πολλαπλά παρατηρητήρια σε διαφορετικές γεωγραφικές τοποθεσίες και να εμφανίζουν ετερογένεια σε ότι αφορά τις μορφοποιήσεις δεδομένων και τα λεξιλόγια που χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν τα δεδομένα. Τα συστήματα δημοσίευσης των δεδομένων που χρησιμοποιούνται στα παρατηρητήρια δεν πρέπει μόνο να μεταδίδουν δεδομένα για τους χρήστες τόσο εντός όσο και έξω από το παρατηρητήριο της κοινότητας, αλλά πρέπει να το κάνουν με έναν τρόπο που ξεπερνά τις διάφορες σημασιολογικές ιδιαιτερότητες των συστημάτων αυτών (π.χ. οι διαφορές στη γλώσσα και την ορολογία που χρησιμοποιείται από τους συλλέκτες δεδομένων για να περιγράψουν τις παρατηρήσεις) και το συντακτικό (π.χ. διαφορές στο πώς οργανώνουν οι συλλέκτες δεδομένων την κωδικοποίηση της ετερογένειας των δεδομένων τους σε σύνολα δεδομένων από διαφορετικές πειραματικές περιοχές). Παρά το γεγονός ότι υπάρχουν πολλές πιθανές λύσεις για τη δημοσίευση δεδομένων, οι πρόσφατες εξελίξεις στον τομέα των υπηρεσιών Web και αρχιτεκτονικές προσανατολισμένες προς τις υπηρεσίες αυτές (Service Oriented Architectures SOAs) έχουν οδηγήσει σε πολλές πρωτοβουλίες για τις υποδομές στον κυβερνοχώρο προς χρήση Web SOAs λόγω της κατανεμημένης φύσης των δεδομένων που υποστηρίζουν. Οι εφαρμογές υπηρεσιών Web που περνούν πληροφορίες μεταξύ υπολογιστών μέσω του Διαδικτύου, συνήθως διαμορφώνουν δεδομένα χρησιμοποιώντας μια πλατφόρμα η οποία είναι ανεξάρτητη της γλώσσα σήμανσης (Markup Language) όπως την extensible Markup Language (XML). Αυτές οι αρχιτεκτονικές SOA βασίζονται σε μια συλλογή από χαλαρά συνδεδεμένες και συγχρόνως αυτόνομες υπηρεσίες διαδικτύου που επικοινωνούν μεταξύ τους μέσω του διαδικτύου και μπορούν να καλούνται από πολλούς χρήστες του λογισμικού ταυτόχρονα και μέσω εντελώς διαφορετικών εφαρμογών όπως για παράδειγμα Excel, Matlab, VisualStudio, κ.λπ.) με βάση κάποια πρότυπα. Τέτοιες υπηρεσίες Web είναι μια ιδανική τεχνολογία με βάση την οποία μπορούν να κατασκευαστούν διάφορα συστήματα δημοσίευσης δεδομένων για κατανεμημένα περιβαλλοντικά παρατηρητήρια, που υποστηρίζουν την ιδιότητα της δια-λειτουργικότητας με χρήση κοινών διεπαφών, και μπορούν να μεταδίδουν δεδομένα σε μια κοινή γλώσσα 13

18 που έχει συμφωνηθεί από την κοινότητα των συλλεκτών δεδομένων και τους χρήστες. Πράγματι, η εμφάνιση των SOAs τροφοδοτεί μετακινήσεις πολλών επιστημονικών κοινοτήτων προς τη χρήση τυποποιημένων γλωσσών σήμανσης για αυτο-περιγραφή, δηλαδή κοινές μορφές δεδομένων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν από τους «παραγωγούς» των δεδομένων και τους «καταναλωτές» των δεδομένων. Παραδείγματα περιλαμβάνουν την Earth Science Markup Language (ESML), την Οικολογική Γλώσσα μεταδεδομένων (EML), την Water Markup Language (WaterML) και το Open Geospatial Consortium, (OGC). Σύμφωνα με το Εθνικό Συμβούλιο Έρευνας των Ηνωμένων Πολιτειών Αμερικής από το έτος 2008, έχει παρθεί η απόφαση ότι θα χρησιμοποιείται μία σταθερή μορφοποίηση δεδομένων για το διαδίκτυο σε ότι αφορά τα δεδομένα, τα modules, και τα μοντέλα διεπαφής έτσι ώστε να χρησιμοποιούνται από πολλαπλά παρατηρητήρια ή εφαρμογές. Η τυποποίηση σε κοινές διεπαφές και τύπους εντός μιας αρχιτεκτονικής τύπου SOA είναι τελικά η πλέον αποδεκτή λύση. Κάθε παρατηρητήριο μπορεί να δημοσιεύσει δεδομένα χρησιμοποιώντας ένα κοινό σύνολο υπηρεσιών Web που διαβιβάζουν δεδομένα χρησιμοποιώντας μια κοινή γλώσσα, και όλα τα μοντέλα επεξεργασίας και ενδεχομένως με διαφορετική πολυπλοκότητα (που μπορεί να είναι επίσης διαφορετική από ένα παρατηρητήριο σε ένα άλλο) και η οποία γλώσσα να είναι κρυμμένη από τους χρήστες δεδομένων. Ο λόγος είναι απλός : οι χρήστες δεν ενδιαφέρονται για το κοινό πρότυπο αλλά μόνο για τις δυνατότητες εμφάνισης δεδομένων από το σύστημα. Επιπλέον, με την ενοποίηση των υπηρεσιών μετάδοσης δεδομένων και μορφοποιήσεων, τα συστήματα παρατήρησης μπορούν επίσης να δημοσιεύουν τα δεδομένα χρησιμοποιώντας τα ίδια εργαλεία. 2.5 Ανακάλυψη δεδομένων και παρουσίαση Η ικανότητα των επιστημόνων να βρουν και να ερμηνεύσουν διαθέσιμα σύνολα δεδομένων καθορίζουν τον τρόπο ή τη μέθοδο που χρησιμοποιούνται τα δεδομένα. Στις περισσότερες περιπτώσεις, οι επιστήμονες θέλουν να «κατεβάσουν» (download) τα δεδομένα και να δουλέψουν με αυτά στο δικό τους περιβάλλον ανάλυσης. Για να το κάνουν 14

19 αυτό, θα πρέπει τα εργαλεία ανακάλυψης δεδομένων να τους βοηθούν να βρουν διαθέσιμα δεδομένα καθώς επίσης και τα εργαλεία για τον έλεγχο και το φιλτράρισμα δεδομένων να τους βοηθούν να αποφασίσουν ποια διαθέσιμα στοιχεία θα τους είναι χρήσιμα για τις αναλύσεις τους. Για παράδειγμα τα υδρολογικά δεδομένα που είναι αποθηκευμένα σε αρχεία και βάσεις δεδομένων δεν είναι εγγενώς αναζητήσιμα. Πολλοί πάροχοι υδρολογικών δεδομένων, ή μετεωρολογικών δεδομένων όπως για παράδειγμα η υπηρεσία «United States Geological Survey» παρέχουν διεπαφές βασισμένες στο Internet για αναζήτηση στα αποθετήρια δεδομένων τους μέσω των οποίων τα δεδομένα μπορούν να ανακαλυφθούν και να ανακτηθούν, αλλά κάθε πάροχος δεδομένων μπορεί να είναι διαφορετικός, και χωρίς τη γνώση της κάθε ιστοσελίδας που παρέχει για την αναζήτηση και την ανάκτηση, ο χρήστης θα έχει ιδιαίτερο πρόβλήμα. Ως παράδειγμα πρόσφατων εξελίξεων στην ανακάλυψη των υδρολογικών δεδομένων, υπάρχει μια περιγραφή μιας μηχανής αναζήτησης που είναι βασισμένη σε χάρτες που ονομάζεται Hydroseek η οποία έχει σχεδιαστεί για να παρέχει στους χρήστες ένα ενιαίο περιβάλλον για την αναζήτηση και ανάκτηση μορφοποιημένων δεδομένων από διάφορους εθνικούς φορείς παροχής υδρολογικών δεδομένων. Η μηχανή Hydroseek διατηρεί έναν κατάλογο μετα-δεδομένων που περιγράφουν τα διαθέσιμα από κάθε πάροχο δεδομένα. Όταν οι χρήστες ορίζουν μια αναζήτηση βάσει λέξεων-κλειδιών, η Hydroseek ψάχνει τον κατάλογο και επιστρέφει τα αποτελέσματα της αίτησης από πολλαπλούς παρόχους δεδομένων, παρέχοντας ουσιαστικά μια μηχανή ισοδύναμη με τις σύγχρονες μηχανές αναζήτησης του προγράμματος περιήγησης στο Internet για τα υδρολογικά σύνολα δεδομένων. Η μηχανή Hydroseek παρέχει πρόσβαση με τη διαδικασία βασισμένη σε ένα χάρτη και την διαδικασία πρόσβασης point-and-click σε δεδομένα παρατήρησης, οι οποίες είναι ένα ισχυρό εργαλείο για την παροχή δεδομένων στους χρήστες με δυνατότητες ανακάλυψης δεδομένων. Οι χρήστες δεν γνωρίζουν πάντοτε τι ακριβώς ψάχνουν, και η δυνατότητα να βλέπουν τις τοποθεσίες που τίθενται πάνω από ένα χάρτη τους παρέχει το χωρικό πλαίσιο που χρειάζεται για να επιλέξουν τα στοιχεία που τους ενδιαφέρουν. Η παράθεση των χωρικών δεδομένων και χρονοσειρών του κάθε σημείου παρατήρησης ή παρακολούθησης παρέχει επίσης σημαντική χωρική αναφορά για την ερμηνεία των 15

20 δεδομένων. Για παράδειγμα, γνωρίζοντας την κατανομή της χρήσης γης ή το έδαφος σε μία ιστοσελίδα παρακολούθησης είναι σημαντικό για τον προσδιορισμό των συγκεντρώσεων των θρεπτικών συστατικών και των ιζημάτων για παράδειγμα. Η παρουσίαση των δεδομένων και τα εργαλεία ελέγχου είναι επίσης ένα σημαντικό μέρος της διαδικασίας ανακάλυψης. Πολλοί χρήστες προτιμούν να απεικονίσουν σύνολα δεδομένων, έτσι ώστε να έχουν μια καλύτερη κατανόηση της ποιότητας και των χαρακτηριστικών των δεδομένων πριν από τη λήψη τους. Εργαλεία για την αναζήτηση στοιχείων και τη δημιουργία plots για διάφορα περιγραφικά στατιστικά στοιχεία είναι γενικά επαρκή για το σκοπό αυτό, και μπορούν επίσης να είναι χρήσιμα για τους χρήστες που δεν έχουν την εμπειρία να εξαγάγουν δεδομένα, να τα τοποθετούν σε λογισμικά ανάλυσης, και στη συνέχεια να αναπτύσσουν απεικονίσεις ή αναλύσεις. Με την παροχή εργαλείων που χειρίζονται αυτόματα τα δεδομένα δεν απαιτούνται εξειδικευμένες γνώσεις λογισμικού και έτσι ένα σύστημα πληροφοριών παρατηρησιακών δεδομένων μπορεί να επεκτείνει την εμβέλεια των δεδομένων σε λιγότερο τεχνικούς χρήστες. Στο παρακάτω κεφάλαιο κάνουμε μια εκτενή και λεπτομερή περιγραφή του συστήματος που αναπτύξαμε για να παρουσιάζονται τα παρατηρησιακά δεδομένα για τον υδροφορέα της λίμνης Κάρλας. 16

21 Κεφάλαιο 3 Ανάπτυξη, εφαρμογή και επίδειξη του ολοκληρωμένου συστήματος και απόδοση αποτελεσμάτων 3.1 Ανάπτυξη λογισμικού συνεργασίας τηλεμετρικού δικτύου Η Orbitlab σε συνεργασία με την ScientΑct ανέπτυξε το λογισμικό συνεργασίας του τηλεμετρικού δικτύου με το πληροφοριακό σύστημα του ΥΔΡΟΜΕΝΤΩΡ. Οι παράμετροι λειτουργίας του τηλεμετρικού δικτύου επεξηγήθηκαν από την Scientact καθώς και οι επιμέρους διαδικασίες λήψης δεδομένων από τους παρακάτω 4 μετρητικούς σταθμούς. 1) σταθμός μέτρησης ποιότητας επιφανειακών υδάτων 2) σταθμός μέτρησης στάθμης επιφανειακών υδάτων και βασικών φυσικοχημικών παραμέτρων 3) μετεωρολογικός σταθμός 4) σταθμός μέτρησης ποιότητας υπογείων υδάτων Στους servers της Orbitlab εγκαταστάθηκε το λογισμικό A2A που αναπτύχθηκε από την Scientact. Το εν λόγω λογισμικό λαμβάνει από την πύλη εισόδου ανά 15 λεπτά τις μετρήσεις και τις καταγράφει σε απλό αρχείο ASCII. Το αρχείο ASCII αποτελείται από χρονοσειρές δεδομένων και τα δεδομένα χωρίζονται μεταξύ τους με το χαρακτήρα,. Η πρώτη γραμμή κάθε αρχείου ASCII αποτελεί την επικεφαλίδα του αρχείου και επεξηγεί το φυσικό μέγεθος κάθε καταγραμμένου δεδομένου. Σε κάθε σταθμό αντιστοιχεί ένα αρχείο ASCII. 17

22 Το λογισμικό συνεργασίας αποτελείται από δύο εφαρμογές, την εφαρμογή εισαγωγής των δεδομένων στη βάση δεδομένων και το λογισμικό οπτικοποίησης και διαχείρισης των καταγραφόμενων δεδομένων. Η εφαρμογή εισαγωγής δεδομένων έχει τις λειτουργίες ενός windows service ενώ η εφαρμογή διαχείρισης αναπτύχθηκε στα πρότυπα ενός web application βασισμένο στο MVC pattern. Η ανάπτυξη των παραπάνω έγινε στην πλατφόρμα Microsoft.net 4 με τη χρήση της γλώσσας προγραμματισμού C# στο περιβάλλον ανάπτυξης.net εφαρμογών Visual studio Οι εφαρμογές αναπτύχθηκαν σε αρχιτεκτονική 3-tier Data Tier Σε αυτό το επίπεδο υπάγονται η βάση δεδομένων Business Tier Σε αυτό το επίπεδο υπάγονται τα κομμάτια της εφαρμογής που περιέχουν την λογική της εφαρμογής. Presentation Tier Σε αυτό το επίπεδο υπάγονται οι διεπαφές του χρήστη Η διασύνδεση της βάσης δεδομένων με τις εφαρμογές γίνεται με τη χρήση του λογισμικού Entityspaces ( της εταιρίας EntitySpaces, LLC. Το συγκεκριμένο λογισμικό μας δίνει την δυνατότητα οι εφαρμογές μας να συνεργάζονται συγχρόνως με περισσότερες από μία βάση δεδομένων και μας δίνει ένα πολύ ισχυρό API για την εκτέλεση πολυκριτιριακών ερωτήσεων στη βάση δεδομένων. Σχήμα 3.1: 3-tier αρχιτεκτονική και χρήση ORM εργαλείου (Entityspaces) 18

23 Οι εφαρμογές είναι σε source control με τη χρήση του εργαλείου mercurial ( 3.2 Ανάπτυξη εφαρμογής εισαγωγής των τηλεμετρικών δεδομένων στη έν τω ρ βάση δεδομένων. Η εφαρμογή αυτή όπως προείπαμε είναι ένα windows service το οποίο παρακολουθεί τις αλλαγές στα αρχείο που καταγραφεί το λογισμικό A2A της Scientact και εισάγει κατάλληλα μορφοποιημένα τα νέα δεδομένα στη βάση δεδομένων. μορφοποίηση στο αρχείο. Υδ ρο μ Τα δεδομένα που έρχονται π.χ. από το μετεωρολογικό σταθμό έχουν την ακόλουθη yr ig ht - "Date/Time","WIND_SPEED 100Hz [m/s]","wind Direction [ ]","RH_TABLE [rv]","radiation [W/m²]","Precipitation [mm]","network Traffic (receive) []","Internal Temperature [ C]","Data Delay [s]","battery Voltage [V]","AIR_TEMPERATURE [ C]" " :00:00","0.3","198.4","72.2","0.0","0.0","*","*","574.0","7.1","-3.5" Η διαδικασία παρακολούθησης των αλλαγών στα αρχεία έγινε με τη χρήση μιας πρωτοποριακής τεχνολογίας της Reactive Extensions (Rx). Το Rx βασίζεται στον ασύγχρονο και reactive προγραμματισμό. Δημιουργεί αντικείμενα (observables) τα οποία παρακολουθούν (observe) ροές δεδομένων. Η καταγραφή των δεδομένων από το A2A σε op αρχείο αποτελεί μία ροή δεδομένων. Έτσι όταν υπάρξει μία αλλαγή στο αρχείο δηλαδή καταφθάσει μία νέα χρονοσειρά, το Rx αντικείμενο που ορίσαμε πάνω στη ροή θα C «ξυπνήσει» και ασύγχρονα θα περάσει τα νέα δεδομένα στην κατάλληλη διαδικασία που του ορίσαμε. Παρακάτω βλέπουμε την υλοποίηση. var obs = ObservableFile.Watch(@"C:\a2a\METEO_ txt", Encoding.ASCII); obs.subscribe(data => DbAccess.ParseData(data)); Η διαδικασία DbAccess.ParseData(data) περνάει τα δεδομένα(data) στην ParseData η οποία αναλαμβάνει να τα μορφοποιήσει και να τα ελέγξει πριν τα εισάγει στη βάση δεδομένων. Επίσης μας δίνεται η δυνατότητα μέσω Linq queries να φιλτράρουμε τα 19

24 δεδομένα (π.χ να εισάγουμε χρονοκαθυστέρηση) πάνω στο stream. Βλέπουμε ότι οι διαδικασίες συμβαίνουν σε πραγματικό χρόνο με milliseconds καθυστέρησης. Στην περίπτωση που η εφαρμογή καταγραφής των δεδομένων δε λειτουργεί είτε από αστοχία του λειτουργικού συστήματος είτε από δυσλειτουργία του υπολογιστή χάνει τις εισερχόμενες χρονοσειρές. Αυτές οι χρονοσειρές υπάρχουν στο αρχείο αλλά όχι στη βάση δεδομένων. Το λογισμικό για να γνωρίζει ποια είναι η τελευταία χρονοσειρά που πήρε από το αρχείο υλοποιεί έναν αλγόριθμο (divide and conquer) εύρεσης Η εφαρμογή καταγραφής κάνει χρήση τεχνικών aspect programming για την λειτουργία του error handling. H εφαρμογή διατίθεται σε μορφή εγκατάστασης installer και αναβαθμίζεται αυτόματα όταν υπάρξει νέα έκδοση. Σχήμα 3.2: Αυτόματη αναβάθμιση 20

25 3.3 Εφαρμογή οπτικοποίησης και επεξεργασίας των δεδομένων Η εφαρμογή αναλαμβάνει να οπτικοποιήσει τα τηλεμετρικά δεδομένα των σταθμών σε μορφή πινάκων και διαγραμμάτων, να τα εξάγει και να προσφέρει εκείνες τις υπηρεσίες που βοηθούν στην διαλειτουργικότητα των επιμέρους συστημάτων του ΥΔΡΟΜΕΝΤΩΡ όχι μόνο μεταξύ τους αλλά και με άλλα απομακρυσμένα πληροφοριακά συστήματα. έν τω ρ Η εφαρμογή αναπτύχθηκε με τη χρήση της πλατφόρμας ASP.net MVC 3 με τη χρήση της γλώσσας προγραμματισμού c# και της template γλώσσας razor. Το MVC pattern αποτελεί ένα από τα πιο διαδεδομένα pattern που επιτρέπουν την ανεξάρτητη λειτουργία των μερών του Υδ ρο μ 1. Το μοντέλο (Model) αναπαριστά τα δεδομένα της εφαρμογής 2. Η προβολή (View) παράγει μια παρουσίαση των δεδομένων του μοντέλου 3. Ο ελεγκτής (Controller) διαχειρίζεται και κατευθύνει τις αιτήσεις που κάνει ο C op yr ig ht - χρήστης Σχήμα 3.3: MVC pattern Η εφαρμογή κάνει χρήση του twitter bootstrap και έχει τη δυνατότητα να απεικονίζεται σε όλες τις αναλύσεις οθονών και συσκευών (PC, Mobile, Tablet). Για την απεικόνιση των γραφημάτων και των πινάκων χρησιμοποιήθηκε η σουίτα εργαλείων DevExpress

26 Η εφαρμογή λειτουργεί με όλου τους φυλλομετρητές ιστοσελίδων (web browsers) Safari, IE, firefox, Opera, Chrome. 3.4 Χρήστες Η πληροφορία που παρέχει το σύστημα είναι διαβαθμισμένη και συνεπώς απαιτείτε yr ig ht - Υδ ρο μ έν τω ρ η πιστοποίηση των χρηστών πριν την εισαγωγή τους στο σύστημα. Σχήμα 3.4: Είσοδος στο σύστημα Οι χρήστες του συστήματος χωρίζονται στις εξής κατηγορίες Admin op Πλήρης διαχείριση C User_Internal Δικαίωμα θέασης Δικαίωμα Λήψης Δεδομένων σε αρχείο Δικαίωμα Χρήσης των web services User_External Δικαίωμα θέασης 22

27 Δικαίωμα Λήψης Δεδομένων σε αρχείο User Δικαίωμα θέασης Ο χρήστης Admin έχει τη δυνατότητα να δημιουργήσει λογαριασμούς μέσα από την παρακάτω φόρμα επιλέγοντας εκτός από όνομα και κωδικό, την κατηγόρια του χρήστη. Σχήμα 3.5: Εγγραφή Χρήστη Αφού δημιουργηθεί ο λογαριασμός ο χρήστης κάνει login στο σύστημα. Με την πιστοποίηση του χρήστη εμφανίζεται το μενού με τις επιλογές αριστερά. 23

28 Σχήμα 3.6: Κεντρικό μενού Αλλά και η δυνατότητα του χρήστη να αλλάξει τον κωδικό του πάνω δεξιά πατώντας «Αλλαγή Κωδικού» Σχήμα 3.7: Αλλαγή κωδικού έξοδος Και συμπληρώνοντας το νέο κωδικό 24

29 Σχήμα 3.8: Φόρμα Αλλαγής κωδικού 3.5 Σταθμοί και δεδομένα Τα δεδομένα των τηλεμετρικών σταθμών αποδίδονται σε μορφή διαγράμματος ή πίνακα απλά θέτοντας προς αναζήτηση την ημερομηνία καταγραφής. Παρακάτω βλέπουμε τα πραγματικά δεδομένα στις 18/4/2012 από το μετεωρολογικό σταθμό σε ωριαία βάση. 25

30 Σχήμα 3.9: Όλα τα μεγέθη Έπειτα στην ίδια σελίδα μπορούμε να μελετήσουμε να δεδομένα ξεχωριστά. Παρακάτω βλέπουμε τη εξέλιξη της υγρασίας και της θερμοκρασίας στης 18/4/2012. Σχήμα 3.10: Υγρασία 26

31 Σχήμα 3.11: Όλα τα μεγέθη Επίσης βλέπουμε τα δεδομένα και σε μορφή πίνακα για την πιο λεπτομερή επεξεργασία. Μπορούμε να ταξινομήσουμε τον πίνακα ανά μέγεθος όπως και να τον φιλτράρουμε βάση κριτηρίων. Μας δίνεται η δυνατότητα εξαγωγής των αποτελεσμάτων σε Excel, Pdf, Csv. 27

32 Σχήμα 3.12: πίνακας Τα δεδομένα εκτός από ωριαία μπορούν να αποδοθούν σε προσαρμοσμένο χρονικό περιθώριο. Βλέπουμε παρακάτω δεδομένα από τις 1/2/2012 μέχρι τις 28/4/

33 έν τω ρ Υδ ρο μ C op yr ig ht - Σχήμα 3.13: χρονικό παράθυρο όλα τα δεδομένα Σχήμα 3.14: χρονικό παράθυρο δεδομένα θερμοκρασίας 29

34 3.6 Υπηρεσίες δεδομένων Όλα τα τηλεμετρικά δεδομένα που καταγράφονται μπορούν να αποδοθούν σε μορφή json ή xml μέσω Restful services. Έτσι στην περίπτωση που θα θέλαμε τα δεδομένα του μετεωρολογικού σταθμού από τις 1/3/ /3/2012 απλά θα καλούσαμε. pe=xml 3.7 Υπηρεσία SensorML Όλα τα τηλεμετρικά δεδομένα που καταγράφονται μπορούν να αποδοθούν σε σχήμα δεδομένων SensorML με σκοπό την συνεργασία του τηλεμετρικού δικτύου με άλλα. Το πρότυπο SensorML προσφέρει τυποποιημένα μοντέλα και μια κωδικοποίηση XML για την περιγραφή οποιαδήποτε διαδικασία, συμπεριλαμβανομένης της διαδικασίας της μέτρησης μέσω αισθητήρων και οδηγίες για την εξαγωγή υψηλότερου επίπεδου πληροφοριών από τις παρατηρήσεις. Τα τηλεμετρικά δεδομένα εξάγονται σε πραγματικό χρόνο σε μορφοποίηση SensorML η οποία εκτός από τα φυσικά μεγέθη και τις τιμές των δεδομένων ενσωματώνει την πληροφορία για τα τεχνικά χαρακτηριστικά των αισθητήρων και τη γεωγραφική τους θέση. 30