Гідроінформатика

• Навчальна дисципліна: Гідроінформатика
• Спеціальність: 192 Будівництво та цивільна інженерія
• Спеціалізація (освітня програма): Водогосподарське та природоохоронне будівництво, Раціональне використання та охорона водних ресурсів
• Рівень вищої освіти: магістерський
• Тип модуля: обов’язковий
• Семестр: перший
• Обсяг модуля: Загальна кількість – 120 год; в т.ч. лекції – 24 год.; практичні – 24 год.; 4 кредити ECTS
• Лектор: к.с/г.н., доцент Новачок О.М.

Результати навчання:

Основна мета дисципліни – оволодіння студентами сучасними методами та засобами прийняття інженерних рішень у водогосподарській галузі на засадах математичного моделювання та комп’ютерних технологій; формування у студентів за допомогою математичних моделей та комп’ютерних технологій системного, аналітичного мислення для оцінки ситуацій, що виникають. Основним завданням вивчення дисципліни є підготовка студентів до застосування математичних моделей та комп’ютерних технологій для потреб водогосподарської галузі, а саме:

В результаті вивчення дисципліни фахівець повинен знати:

• загальні поняття про математичне моделювання та математичні моделі, їх особливості та можливості;
• типи і види математичних моделей, їх класифікацію;
• методологію створення математичних моделей;
• основні математичні моделі, які застосовуються у водному господарстві;
• основні математичні моделі фізичних процесів та інформаційних потоків для опису природних явищ та прийняття управлінських рішень у водному господарстві;
• види інформаційних технологій, їх можливості, вимоги до них;
• сучасні інформаційні технології у водному господарстві, вимоги до них;
• види програмного забезпечення для обчислювальної гідродинаміки;
• основне програмне забезпечення для управління водними ресурсами, виконання гідравлічних та гідрологічних розрахунків;
• основні поняття та види геоінформаційних систем та технологій;

Підготовлений спеціаліст повинен вміти:

• використовувати математичні моделі у водогосподарській галузі, проводити необхідні оптимізаційні розрахунки, використовувати стандартне офісне програмне забезпечення;
• використовувати геоінформаційні системи, джерела публічної інформації, спеціалізоване програмне забезпечення для вирішення водогосподарських проблем.

Спосіб навчання (аудиторне, дистанційне навчання): аудиторне

Необхідні обов’язкові попередні та супутні модулі:

• Вища математика
• Інформатика та комп’ютерна техніка
• Теоретична механіка
• Гідравліка

Зміст загального модуля:

Змістовий модуль 1. Математичне моделювання у водогосподарській галузі.

1. Тема 1. Основні поняття про математичне моделювання. Роль математики для суспільства, науки. Що таке математичне моделювання, математична модель. Історія та основні віхи розвитку математичного моделювання. Основні досягнення в питаннях математичного моделювання та їх важливість для суспільства. Сфери застосування математичних моделей.
2. Тема 2. Типи та види математичних моделей. Сфери застосування. Моделі фізичних процесів (параболічного, гіперболічного, еліптичного типу); моделі потоків інформації. Моделі оптимізації, прийняття рішень. Моделі неперервні та дискретні, динамічні та статичні, ймовірнісні та детерміновані. Моделі розрахунку параметрів та опису процесів. Імітаційні моделі. Імовірнісні моделі. Ймовірнісний стиль мислення у математичному моделюванні.
3. Тема 3. Етапи та принципи створення математичних моделей. Змістовний рівень створення математичної моделі. Етап концептуального опису моделі. Процес формалізації математичної моделі. Етап створення математичної моделі. Принципи створення математичних моделей.
4. Тема 4. Математичні моделі у водному господарстві. Види математичних моделей, що застосовуються у водному господарстві. Моделі опису руху води в ґрунті та у відкритому водотоці, моделі ерозії ґрунту під руйнівною дією води, моделі затоплення та підтоплення територій, моделі транспірації та випаровування з поверхні ґрунту, моделі прийняття рішень.
5. Тема 5. Математичні моделі фільтрації. Основні закони руху води у ґрунті. Рівняння фільтрації у насиченому та ненасиченому ґрунті. Рівняння нерозривності потоку. Математична модель вологопереносу. Опис моделі вологопереносу в ґрунті (вертикальний рух води у ґрунті під дією гравітаційних та капілярних сил).
6. Тема 6. Математичні моделі інформаційних процесів . Математичні моделі потоків інформації, види, сфера застосування. Моделі оптимізації. Моделі прийняття рішень. Багатокритеріальні моделі. Математичні моделі управління з урахуванням ризику можливих наслідків. Імітаційна математична стохастична модель функціонування зрошувальної системи.

Змістовий модуль 2. Інформаційні технології у водному господарстві.

1. Тема 7. Інформаційні (комп’ютерні) технології у водному господарстві. Роль інформаційних технологій для суспільства. Історія та основні віхи розвитку комп’ютеризації суспільства, використання інформаційних технологій. Види та класифікація інформаційних технологій. Обґрунтування необхідності використання інформаційних технологій у водному господарстві, умови їх застосування та вимоги до них. Основні задачі і проблеми у водному господарстві, способи їх вирішення з використанням інформаційних технологій.
2. Тема 8. Програмне забезпечення для обчислювальної гідродинаміки Computational fluid dynamics (CFD). Інструменти для моделювання потоків рідини в віртуальному середовищі ANSYS Fluent. Програмне забезпечення для обчислювальної гідродинаміки з відкритим вихідним кодом Open source Field Operation And Manipulation (OpenFOAM). Програмне забезпечення для візуалізації результатів обчислень з відкритим вихідним кодом ParaView.
3. Тема 9. Програмне забезпечення для управління водними ресурсами. Програмне забезпечення для гідрологічного моделювання систем Hydrologic Engineering Center Hydrologic Modeling System (HEC-HMS). Програмне забезпечення для аналізу річкових систем Hydrologic Engineering Center River Analysis System (HEC-RAS).
4. Тема 10. Геоінформаційні системи (ГІС). Призначення ГІС. Організація даних в ГІС. Система координат. Послідовність дій при створенні інформаційної системи (структурування предметної області, вибір моделі даних, реалізація). QGIS як приклад геоінформаційної системи. Місце QGIS серед геоінформаційних систем.
5. Тема 11. Векторний і растровий формати даних. Основні сфери застосування векторних і растрових форматів даних. Приклади форматів векторних даних. Основні типи геометричних даних. Створення векторних даних. Геокодування растрових зображень. Растрові зображення, як засіб моделювання і відображення безперервних даних. «Алгебра карт», завдання, які вирішуються за її допомогою. Основи аналізу даних дистанційного зондування Землі (ДЗЗ). Поняття просторової та спектральної роздільної здатності.
6. Тема 12. Система підтримки аналізу географічних ресурсів - Geographic Resources Analysis Support System (GRASS GIS). Мова програмування і програмне середовище R. Знайомство з GRASS GIS. Огляд інструментів GRASS для роботи з векторними даними. Огляд інструментів GRASS для роботи з растровими даними. Інструменти аналізу рельєфу. R – мова програмування і програмне середовище для статистичних обчислень, аналізу та представлення даних в графічному вигляді.

Рекомендована література:

1. Блинова И.В., Попов И.Ю. Простейшие уравнения математической физики / Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. 60 с.
2. Максимей И.В. Имитационное моделирование на ЭВМ.- М.: Радио и связь, 1988.- 231 с.
3. Скурихин В.И., Шифрин В.Б., Дубровский В.В. Математическое моделирование.- К.: Тэхныка, 1983.- 268 с.
4. Самойленко В.М. Географічні інформаційні системи та технології: підручник. - К: Ніка-Центр, 2010.-448 с.
5. Білик В.М., Костирко В.С. Інформаційні технології та системи: навч. посіб. Київ: ЦНЛ, 2006.
6. Румянцев Е.Л., Слюсарь В.В. Информационные технологии: учеб. Пособие / Под ред. Проф. Л.Г. Гагариной.-М: 2007.-256 с.

• Форми і методи навчання: лекції, практичні заняття, самостійна робота
• Методи і критерії оцінювання: поточний контроль – 60 балів, контрольний захід – 40 балів
• Мова навчання: українська