Возможности использования технологий Big Data при решении задач по обработке данных о загрязнении атмосферного воздуха

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Основная задача статьи – обоснование возможности использования технологий больших данных (Big Data) в сфере мониторинга атмосферного воздуха. В виде схемы представлена модель обработки больших данных, полученных с измерительных метеорологических газоанализаторных станций с использованием библиотеки PySpark для проведения дальнейших экспериментальных исследований. Выведены факторы, сопутствующие использованию Big Data в области мониторинга атмосферного воздуха, и проведено сравнение производительности библиотек Pandas и PySpark. Полученные результаты позволят в дальнейшем опираться на выведенные факторы и использовать наиболее оптимальные технологии работы с данными для построения предиктивных моделей машинного обучения в области анализа уровня загрязнения атмосферного воздуха. Последовательное использование больших данных и методов машинного обучения позволит обеспечить чистый и здоровый воздух для будущих поколений за счет более эффективной предиктивной аналитики. Данная статья имеет ценность для обучающихся и специалистов в области информационных технологий, в частности, в области обработки данных и машинного обучения.

Об авторах

Дмитрий Николаевич Богомолов

МИРЭА – Российский технологический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: bogomolov.d.n@edu.mirea.ru

аспирант, кафедра инструментального и прикладного программного обеспечения

Россия, Москва

Сергей Борисович Плотников

МИРЭА – Российский технологический университет

Email: plotnikovsb@mail.ru

кандидат технических наук, доцент, кафедра инструментального и прикладного программного обеспечения

Россия, Москва

Список литературы

  1. Аземов Д.Т. Оценка качества атмосферного воздуха Санкт-Петербурга по результатам эксплуатации автоматизированной системы мониторинга атмосферного воздуха в 2019 // Современные проблемы гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды на пространстве СНГ: сб. тезисов Междунар. науч.-практ. конф., посвященной 90-летию Российского государственного гидрометеорологического университета (С.-Петербург, 22–24 октября 2020 г.) СПб.: Рос. гос. гидрометеорологический ун-т, 2020. С. 103–104. EDN: BTHHCS.
  2. Борисов И.Д., Семёнов В.А., Бычкова Я.А., Чжао М.Н. Apache Spark и Pyspark // Россия молодая: сб. матер. XIV Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых с международным участием (Кемерово, 18–21 апреля 2023 г.). Кемерово: Кузбасский гос. техн. ун-т им. Т.Ф. Горбачева, 2023. С. 31603.1–31603.3. EDN: UMSNKI.
  3. Bosubabu S. Air pollution monitoring and prediction system using the Internet of things // International Journal of Research and Development in Engineering Sciences. 2020. Vol. 2. Issue 3. Pp. 144–150.
  4. Виноградова Е.А., Дмитриев М.М., Кудрявец А.С. и др. Способы экологического мониторинга воздуха с применением технологических решений для их обработки и анализа, включая машинное обучение, искусственный интеллект и аналитику больших данных // Современные технологии: проблемы и тенденции развития: монография. Петрозаводск: Междунар. центр науч. партнерства «Новая Наука» (ИП Ивановская И.И.), 2021. С. 174–189. EDN: FKJEWT.
  5. Гусак Д.В. Концепция прибора для организации сети мониторинга // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Экология и безопасность жизнедеятельности. 2023. Т. 31. № 2. С. 241–250. doi: 10.22363/2313-2310-2023-31-2-241-250. EDN: HCKTOL.
  6. Егоров Г.Г. Использование технологии big data для охраны окружающей природной среды // Экофилософия в проектировании ноосферного города: сб. ст. по итогам Третьего российского круглого стола с международным участием (Москва, 18 мая 2023 г.) / под ред. Э.В. Барковой, О.М. Бузской. М.: ООО «Русайнс», 2023. С. 42–48.
  7. Игонина Е.И. Применение машинного обучения для кластеризации регионов России по здоровью населения и экологии // I Липановские научные чтения: матер. региональной науч. конф. (Ижевск, 15–16 июня 2021 г.) Ижевск: Ижевский гос. техн. ун-т им. М.Т. Калашникова, 2021. С. 169–175. EDN: HURYBU.
  8. Johansson C., Zhang Z., Engardt M. et al. Improving 3-day deterministic air pollution forecasts using machine learning algorithms // Atmos. Chem. Phys. Discuss. 2023. doi: 10.5194/acp-2023-38.
  9. Капленкова П.А., Сивова А.Н. Предсказывание загрязнения атмосферного воздуха с помощью машинного обучения и PySpark // Наука и бизнес: пути развития. 2020. № 10 (112). С. 54–56. EDN: LTZEYE.
  10. Костромин Н.С., Сивова А.Н. Применение методов машинного обучения для решения экологических задач // Modern Science. 2019. № 5-3. С. 144–148. EDN: YLPWAT.
  11. Nandi B.P., Singh G., Jain Tayal D.K. Evolution of neural network to deep learning in prediction of air, water pollution and its Indian context // Int. J. Environ. Sci. Technol. 2023. doi: 10.1007/s13762-023-04911-y.
  12. Панарин В.М., Маслова А.А., Савинкова С.А. Автоматизированный мониторинг загрязнения атмосферного воздуха промышленно развитых территорий. Тула: Тульский гос. ун-т, 2021. 219 с. ISBN: 978-5-7679-4817-8. EDN: ZDKTXH.
  13. Parkavi P., Rathi S. Deep learning model for air quality prediction based on big data // International Journal of Scientific Research in Computer Science, Engineering and Information Technology (IJSRCSEIT). 2021. Vol. 7. Issue 3. Pp. 170–175. ISSN: 2456-3307. doi: 10.32628/CSEIT217332.
  14. Samad A., Garuda S., Vogt U., Yang B. Air pollution prediction using machine learning techniques – an approach to replace existing monitoring stations with virtual monitoring stations, atmospheric environment // International Journal of Computational Intelligence Studies. 2023. Issue 310. P. 119987. ISSN: 1352-2310. doi: 10.1016/j.atmosenv.2023.119987.
  15. Sossi Alaoui S., Aksasse B., Farhaoui Y. Air pollution prediction through internet of things technology and big data analytics // International Journal of Computational Intelligence Studies. 2020. No. 8. P. 177. doi: 10.1504/IJCISTUDIES.2019.102525.
  16. Shih D.-H., To T.H., Nguyen L.S.P. et al. Design of a spark big data framework for PM2.5 air pollution forecasting // Int. J. Environ. Res. Public Health. 2021. Vol. 18. No. 7087. 15 p. doi: 10.3390/ijerph18137087.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
2. Рис. 1. Время выполнения запроса COUNT

Скачать (18KB)
3. Рис. 2. Время выполнения запроса SUM

Скачать (17KB)
4. Рис. 3. Снимок экрана. Переполнение ОЗУ при обработке набора данных размером более 30 ГБ

5. Рис. 4. Модель обработки больших данных, полученных с измерительных станций

Скачать (50KB)
6. Рис. 5. Матрица корреляций Пирсона

Скачать (37KB)


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».