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Focus on Air Quality

ISC/AERMOD 遠端執行系統

Table of contents

背景

  • 高斯煙流模式是大氣擴散模式中最常被應用的一大類別，是環保法規中的一環、也是民眾關切工廠污染的項目。
  • 空間尺度數十公尺～50公里，時間尺度小時～5年。
  • 關切的污染來源包括煙囪、道路、面源、體源。
  • 整體大氣擴散模式的架構詳見wiki 、此處應用之模式包括ISC與AERMOD，其說明與應用詳見空氣品質模式支援中心簡要描述或USEPA SCRAM等官方網站。

目標

  • 要在短時間內建立ISCST/AERMOD或其他煙流模式的工作流程並不容易，不單需要軟硬體的配合，也需要熟悉前處理的流程，整合了環境、大氣擴散、流體力學、地理圖學等學科，也需要資訊、環工、化工等工程基本訓練，使用者經常卡關而無法完成解析任務。
  • 此外，面對政府公開資訊的浪潮，如何自動擷取、分析評估、裁切整合、將本土資料應用在關切的環境議題與環境法律架構中，也是值得推廣的環境教育項目之一。
  • 最後，即使過去集合許多專家、工程師撰寫了數以萬計的程式碼，缺少應用的界面與推廣，也是曇花一現。因此如何有效、更多應用這些資源，發揮應有的價值，也是建立本系統的目的。

解決方案

  • 在我國與其他先進國家，煙流模式是環保法規中技術成分很高的一環。基本上，模式的程式碼屬於公開領域、雖然也有商業軟體提供系統性的整合應用功能、有顧問公司提供評估報告整體技術服務，但基本上、核心的模式是透明公開的，可以由USEPA SCRAM下載、更新。
  • 由一般商業軟體套件(如BREEZE AERMOD、AERMOD View™、AERMOD Cloud、BEEST Suite)的功能可以發現主要的技術瓶頸所在，包括(括弧內為本土化遭遇問題)：
    • 背景地圖顯示(台灣官方使用twd97系統與國外UTM無法接軌)
    • 氣象檔案產生、選取、基本檢核(中央氣象局數據無法併入系統)
    • 地形檔案之預備、資料切割、格式轉換、基本檢核(內政部dtm數據之應用)
    • 排放檔案之預備(既有污染源環保署TEDS數據之配套、檢核)
    • 建築物前處理(同樣也有座標問題)
    • 模擬結果等值圖產生(底圖之套用)
    • 分析表格的產出
  • 除軟體或系統服務之外，亦有顧問公司提供技術服務，項目：
  • 付費（收費）的商業模式之所以存在的理由與必要，主要是前述學科與技術上的特性，也因此法律對專業證照制度確實有所要求。
  • 然對民眾關切事項，政府或非官方單位也提供了免費的計算服務（或成果展現），如：

整體界面與分支工作

綜上所述，不論是付費、免費之計算服務，作業項目之形成與污染源地點、模擬年代之確定有關，應為最基本、使用者必須輸入的項目。

  • 氣象、地形、排放源、建築物等前處理
    • 雖為模式執行之整體流程，然個別也需提供界面，藉以確認、檢核或局部修正
  • AERMOD主程式
    • 不論是一貫化作業流程、或使用者自備輸入檔，都應提供輸入界面
  • 工作時間之管控
    • 整體流程中以氣象檔案之處理最耗費時間，且超過一般網頁等待時間，容易造成timeout錯誤，須列入背景幕後執行。
    • 其餘尚能在幕前運作。
    • 須建立程序管控程式，管理幕前、幕後工作之分配與同步化。

Compute as a Service (CaaS)

輸入範例

  • kml檔案，如下範例
    • 4個污染源廠房頂點之座標，名稱分別為b1~b4，廠房高度皆為40m
    • 3座煙囪中心點位置，名稱分別為hs1~2、c1，高度為250、250、150m。
  • 以kml檔案做為輸入座標介面的理由。
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?><kml xmlns="http://www.opengis.net/kml/2.2">
<Document>
<Placemark><ExtendedData><Data name="name"><value>b1 40</value></Data></ExtendedData>
        <Polygon><outerBoundaryIs><LinearRing>
                <coordinates>
                        120.19663095490615,22.857488325541038 120.19679403318152,22.85681209804539
                        120.19768667247264,22.85701773485837 120.19751071962675,22.857682097730326
                        120.19663095490615,22.857488325541038
                </coordinates>
        </LinearRing></outerBoundaryIs></Polygon>
</Placemark>
<Placemark><ExtendedData><Data name="name"><value>b2 40</value></Data></ExtendedData>
        <Polygon><outerBoundaryIs><LinearRing>
                <coordinates>
                        120.19689703007319,22.856535278808 120.19707298291907,22.855874864967262
                        120.19794845600703,22.85608050319815 120.197781086099,22.85674487061339
                        120.19689703007319,22.856535278808
                </coordinates></LinearRing></outerBoundaryIs>
        </Polygon>
</Placemark>
<Placemark><ExtendedData><Data name="name"><value>b3 40</value></Data></ExtendedData>
        <Polygon><outerBoundaryIs><LinearRing><coordinates>120.19745922101721,22.855811591521636
                120.19758796704993,22.855301449110527 120.19830465349516,22.85547149649191
                120.1981415750561,22.855965820333473 120.19745922101721,22.855811591521636</coordinates></LinearRing></outerBoundaryIs>
        </Polygon>
</Placemark>
<Placemark><ExtendedData><Data name="name"><value>b4 40</value></Data></ExtendedData>
        <Polygon><outerBoundaryIs><LinearRing><coordinates>120.19779825230219,22.85494948915392
                120.19794416453807,22.854431434225983 120.198652267718,22.854609392268987
                120.19849348074787,22.855107673489712 120.19779825230219,22.85494948915392</coordinates></LinearRing></outerBoundaryIs>
        </Polygon>
</Placemark>
<Placemark><ExtendedData><Data name="name"><value>hs1 250</value></Data></ExtendedData>
        <Point><coordinates>
                120.19625544548036,22.85676958667696</coordinates></Point></Placemark>
<Placemark><ExtendedData><Data name="name"><value>hs2 250</value></Data></ExtendedData>
        <Point><coordinates>
                120.19671678543092,22.854960364468663</coordinates></Point></Placemark>
<Placemark><ExtendedData><Data name="name"><value>c 150</value></Data></ExtendedData>
        <Point><coordinates>
                120.19549369812013,22.858133902251407</coordinates></Point></Placemark>
</Document>
</kml>

必須資訊說明

  • 煙囪位置(點)：將做為模擬個案之中心座標
  • 囪煙名稱：將做為個案名稱

輔助資訊

  • 廠房建築物平面圖
    • 建築物頂點位置(多邊形)：必須「逆時針」方向輸入
    • 建築物名稱(含高度、名稱高度間可以空格、逗號、分號、斜槓等區格)
  • 煙囪如有高度跟在名稱之後，將會優先使用，否則會從TEDS資料庫中選取位置最接近的煙囪。

數位板之使用

  • 可以使用數位板點取座標值（另存成KML檔案）。
  • 檢核：

email

  • 非必要項目。
    • 如不輸入，離開網頁後暫存訊息即消失
  • 如輸入email，可隨時離開網頁，系統將寄結果之連結到信箱

後處理

HTML

設計

  • 以表格方式整理模擬過程、各程序之程式版本、內容、IO及範例、檢核方式以及筆記。
  • 提交CGI_python(rd_kmlFull.py)之物件
    • filename：kml檔名
    • year：氣象數據之年代
    • emailadd：電郵信箱(optional)

coding

CGI_PYTHON

rd_kmlFull.py之程式設計

wait_mmif4aermod.cs coding

  • 此批次檔主要執行mmif(aermod的氣象前處理程式)，aermod主程式及後處理程式，因為CGI程式不能等待太久，需將耗時的程式放在背景執行，因此需要有一批次檔持續察看執行情形，如有結果則啟動後續作業。
  • 設計每30秒檢查一次mmif的執行緒數，如果只剩1個執行緒，則
    • 接著執行AERMOD
    • 進行後續後處理
      1. Dat2kml 將PLOTFILE轉成等值線圖（KML格式、SURFER grd格式）
      2. OLM後處理
      3. 壓縮所有結果
      4. 寄信
    • see TODO’s
kuang@114-32-164-198 ~/Downloads
$ cat /opt/local/bin/wait_mmif4aermod.cs
#$1=path to zip
#$2=email
pth=$1
cd $pth
if compgen -G "mmif*out" > /dev/null; then
  MMIF=$(ls mmif*out|tail -n1)
else
  MMIF=0
fi
AERMOD=/Users/1.PlumeModels/AERMOD/aermod_source/aermod.exe

n=$(ps -ef|grep aermod.exe|wc -l)
n=$(( $n - 1 ))
m=$(ps -ef|grep aermap|wc -l)
n=$(( $n + $m - 1 ))
m=$(ps -ef|grep mmif|wc -l)
n=$(( $n + $m - 1 ))

web=/Library/WebServer/Documents
http=http://sinotec24.com
opth=${pth/$web/$http}

msg="Hello AERMOD user:\n Your aermod submit was accepted, please wait and check this email.\
    since "$n" aermap/mmif/aermod are running, the resultant zip file($opth/result.zip) may be erased after 48 hrs! \n \
    (sent by machine do not reply)"
echo $msg|mail -s "AERMOD ACCEPTED" $mailadd

if [ -e aermap.out ]; then
  while true;do
    SUC=$(grep Finishes|grep AERMAP|wc -l)
    if [ $SUC -eq 1 ];then
    break
    fi
    sleep 30s
  done 
fi

if [ $MMIF -ne 0 ];then
  while true;do
    SUC=$(grep Reached $MMIF|wc -l)
    if [ $SUC -eq 1 ];then
      break
    fi
    sleep 30s
  done
  cp *sfc /Library/WebServer/Documents/mmif_results/
  cp *pfl /Library/WebServer/Documents/mmif_results/
fi

for inp in $(ls *_[CNPS]*.inp);do
  out=${inp/inp/out}
  $AERMOD $inp $out >> isc.out &
done

Discussion

以kml檔案做為輸入座標介面的理由

  • kml為Google所發展、運維之語言，具有其穩定性。此處應用到其多邊形(Polygon, 標註廠房平面圖)、以及點(Point,標註煙囪中心位置)之記錄方式。
  • 為許多繪圖軟體所接受，容易輸出。
  • 充分使用既有開放源碼之數位板(Digitizer)與地圖功能、方便偵錯、
  • 直接以經緯度系統輸入，可以避免地圖投影方式可能的錯誤

Known Bugs and TODO’s

  • 同時需要花時間執行之程式可能包括mmif、aermap、aermod等等，如果超過工作站之核心數將會接近無限期等候，應設定停損點。
  • 以蒐詢程式結果似容易出錯，建議改為針對pid進行定期ps檢視，不論程式是否出錯均能有效控制其結束時間。

Reference