Автоматизированная распределенная система экологического мониторинга окружающей среды модульного типа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автоматизированная распределенная система экологического мониторинга окружающей среды модульного типа

Бурман В.М., Кропотов Ю.А.

Article describes the concept of creation of the automated allocated system of ecological monitoring of an environment of modular type. The information-measuring subsystem, a subsystem of communication and telecommunications, a geoinformation subsystem, and also a subsystem of formation and representation of results are considered. The description of the primary goals of the given system, modular structure and algorithm of functioning of the given system is given. The description of controllable parameters, operating modes of system of monitoring is given. The basic functions and opportunities of the automated system are reflected. The description of the developed software and architecture of all system as a whole is given.

Современная экологическая обстановка на планете характеризуется сосредоточением гигантского количества техногенных источников. Экологическая обстановка в мире осложняется и ухудшается более интенсивно, чем этому противостоят предпринимаемые меры. В настоящее время возрастает необходимость в использовании автоматизированных средств экологического контроля, постоянно проводящих мониторинг окружающей среды.

Для того чтобы повысить точность, объективность получаемых данных, исключить ошибки в расчетах и возможность несанкционированного доступа все чаще применяются аппаратные и программные средства вычислительной техники. Одним из путей решения этой проблемы является использование автоматизированной распределенной системы экологического мониторинга окружающей среды модульного типа (АРСЭМ).

В основу конструкции данной системы целесообразно положить принципы универсальности, гибкости, микроминиатюризации, высокой надежности и низкой стоимости. Одно из направлений реализации перечисленных принципов - модульность системы сбора данных. Модульные конструкции в настоящее время широко используются, например, в космической технике.

Целью создания распределенной системы модульного типа является обеспечение надежного контроля за состоянием специального объекта, а также мониторинг состояния окружающей среды в районе его расположения, что позволит заблаговременно предупредить о возможном возникновении аварийных ситуаций, которым, как правило, предшествуют небольшие выбросы, утечки или испарения опасных веществ или продуктов их распада. В случае возникновения нештатных ситуаций информация о реальной обстановке позволит организовать действенные меры по устранению последствий и снизить их воздействие на население и окружающую среду.

Такая система контроля должна охватывать значительную территорию вокруг контролируемого объекта, но вся информация должна собираться в едином контрольном центре независимо от места нахождения объекта.

АРСЭМ включает следующие функциональные подсистемы:

- информационно-измерительную;

- связи и телекоммуникаций;

- геоинформационную;

- формирования и представления результатов.

Информационно-измерительная подсистема предназначена для проведения регулярных наблюдений и измерений уровней загазованности контролируемых территорий и концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе и рабочей зоне, в санитарно-защитной зоне, а также сбора результатов измерений и наблюдений по каналам связи, их первичной обработки и занесения в базу данных. АРСЭМ функционирует в распределенной информационной среде и имеет архитектуру «клиент-сервер». геоинформационный экологический мониторинг

Подсистема связи и телекоммуникаций обеспечивает передачу измерительной и телеметрической информации от первичного поста экологического мониторинга в центр мониторинга, передачу управляющей информации от центра мониторинга к рабочим станциям, автоматизированным постам контроля и потребителям информации. В качестве такой системы предлагается использовать ЛВС, модемную связь, глобальную компьютерную сеть Internet, УКВ - радиовсязь, а также передачу информации с использованием спутниковых каналов связи.

Геоинформационная подсистема (ГИС) обеспечивает ввод, хранение, обработку, интерпретацию и отображение пространственно-координированных данных для их эффективного анализа. ГИС обеспечивает выдачу пользователям системы ЭМ картографической информации, отображающей экологическое состояние контролируемой зоны. В качестве ГИС выбрана программная система InGeo, система реализована в визуальной среде Borland Delphi.

Подсистема формирования и представления результатов представляет собой программное обеспечение, под управлением которого функционирует вся автоматизированная система экологического мониторинга. Подробнее работа и основные функции программного обеспечения рассмотрены ниже.

В общем случае, автоматизированная система экологического мониторинга должна предусматривать контроль и измерение следующих параметров:

1. Утечки и испарения хранимых веществ:

- интенсивность фона гамма излучения;

- концентрация в воздухе хранимых химических веществ или продуктов их разложения;

- концентрация в дренажных водах хранимых или используемых химических веществ.

2. Метеорологические параметры окружающей среды:

- температура воздуха;

- относительная влажность воздуха;

- скорость ветра;

- направление ветра;

- количество выпадающих жидких осадков;

- атмосферное давление;

3) Технологические параметры объектов:

- концентрация и характер аэрозолей над объектом;

- температура контрольных точек объекта;

- целостность сооружения;

- контроль несанкционированного доступа на охраняемую территорию.

Предлагаемая система должна решать следующие задачи:

1. Непрерывное измерение критических параметров и контроль несанкционированного доступа в охраняемую зону.

2. Циклическое (каждые три часа) измерение параметров окружающей среды.

3. Предварительная обработка измеренных параметров, анализ данных и передача результатов анализа на контрольный пункт по заданной циклограмме сбора данных.

4. Выдача на контрольный пункт аварийного сигнала при превышении критического параметра заданного порогового значения или несанкционированного проникновения в охраняемое помещение или зону.

5. Накопление и хранение собранной информации.

Количество постов автоматизированной системы и комплектация их датчиковыми средствами зависит от вида и задач контроля, размеров контролируемой зоны или объекта.

Сбор информации от постов данной системы на одном объекте или в локальном районе может выполняться по проводным линиям связи или, при их значительном разнесении, с помощью УКВ-радиосвязи. Передача информации может осуществляться также с использованием спутниковых каналов связи.

С целью расширения и конкретизации базового перечня измерений автоматизированную систему сбора данных предлагается изготавливать в модульном исполнении.

Основой данной системы должен являться ударопрочный, герметичный (в случае необходимости) контейнер с размещенными там модулями электроснабжения, приема/передачи данных, обеспечения температурно-влажностного режима, телеметрического контроля (рис. 1). В виде одного или нескольких типовых модулей могут выполняться измерительные и сигнальные датчики (сенсоры).

Рисунок 1 - Структура автоматизированной системы экологического мониторинга модульного типа

Система должна иметь два основных режима работы: дежурный и аварийный. В дежурном режиме выполняется осреднение каждые 10 минут данных непрерывных измерений "критических" параметров фона, которые вместе с временными метками заносятся в оперативную память. Измерение метеорологических параметров в дежурном режиме выполняется каждый час. Результаты измерений в дежурном режиме передаются в локальный центр управления каждые 3 часа, а в региональный - ежесуточно. По результатам измерений бортовой процессор выполняет анализ скорости изменения критического параметра. При превышении заданного порога этой скорости система переходит в аварийный режим работы. В аварийном режиме осреднение критических параметров выполняется ежеминутно, а метеорологические параметры измеряются каждые 30 минут. Первое аварийное оповещение передается в центры управления немедленно, а затем частота опроса поста распределенной системы экологического мониторинга устанавливается из локального центра управления. Система переходит в аварийный режим и по срабатыванию датчика несанкционированного доступа в охраняемую зону. Возврат системы в дежурный режим происходит автоматически при снижении уровня критического параметра ниже установленного порогового значения или при снятии блокировки охранных датчиков.

Все распределенные пункты контроля объединяются в локально-вычислительную сеть предприятия, обеспечивающую распределенный сбор, анализ и хранение информации.

Автоматизированная система экологического контроля позволяет осуществлять наращивание системы с последующим расширением её функциональных возможностей.

Сервер АРСЭМ является основным звеном системы и обеспечивает решение всего комплекса задач сбора, накопления и распределения информации, полученной в результате мониторинга. Данные измерений и наблюдений, получаемые измерительной системой, передаются на сервер, где используются для решения задач, стоящих перед системой. Результаты мониторинга распределяются среди пользователей. Сеть пользовательских организаций разворачивается у руководителей предприятий, в экологических, технологических и аварийных подразделениях в целях оперативного информирования должностных лиц об экологической обстановке на предприятиях и в зоне их влияния.

Для функционирования системы экологического мониторинга необходимо программное обеспечение, осуществляющее управление всеми звеньями АРСЭМ.

Разработанное программное обеспечение позволяет решать следующие классы задач:

- постоянный мониторинг экологической обстановки;

- анализ полученных данных и в случае превышения ПДК выбросов вредных веществ выдает соответствующий сигнал;

- рассчет максимально-разовые и валовые выбросы вредных веществ по методике, описанной выше;

- построение зависимости концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе от даты и времени суток;

- форование отчетов заданной структуры об источниках выбросов, о выбрасываемых веществах, а также о предприятиях, использующих автоматизированную систему экологического мониторинга.

Входными данными являются сведения о концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе, о температуре окружающей среды, о скорости ветра и другие, поступающие с автоматизированного поста экологического мониторинга. Также необходимыми входными данными являются данные, введенные пользователем: сведения о контролируемой территории (о предприятии, цехах, участках), а также о параметрах источников выбросов вредных веществ (высота трубы источника выбросов, диаметр устья трубы источника выбросов, скорость выхода газо-воздушной смеси из устья источника и другое).

Выходными данными являются рассчитанные значения по приведенным выше входным данным:

- максимально-разовые и валовые выбросы вредных веществ;

- сигналы о превышении концентрации вредных веществ в атмосфере ПДК;

- отчеты о выбросах вредных веществ в атмосферу;

- отчеты о предприятиях, использующих АРСЭМ;

- графики динамики концентрации в атмосфере вредных веществ за определенное время.

Программно-аппаратный комплекс автоматизированной системы экологического мониторинга позволяет решать задачи оперативной оценки экологической обстановки на контролируемой территории на основе данных измерений, актуальных данных о параметрах стационарных и залповых выбросов загрязняющих веществ. Система экологического мониторинга представляет собой совокупность объектов, расположенных на территории предприятий, санитарно-защитных зон и зон влияния предприятий, которые выполняют функции измерения, передачи и обработки технологических и экологических параметров и функционируют в единой информационно-вычислительной системе в соответствии с мировой практикой. Используя современные компьютерные технологии, производится автоматизированный сбор, обработка, хранение, передача и анализ экологической информации.

В ходе проведенных исследований выявлен ряд математических моделей, используемых для моделирования процесса распространения загрязняющего вещества в атмосфере. Для исследований методов применения ГИС для экологического мониторинга была выбрана двумерная стационарная аналитическая модель дисперсии примеси в атмосфере. Для расчета концентраций вещества выбрана стандартная методика ОНД - 86. Для проведения исследований выбрана ГИС «ИнГео» фирмы Интегро. ГИС позволяет выполнять отображение картографической информации об объектах мониторинга и источниках выбросов, построение модели распространения загрязняющих веществ в атмосфере в визуальном формате, перенос результатов моделирования распространения загрязняющих веществ в атмосфере на карту с привязкой к конкретному источнику выбросов.

На карте контролируемой территории были нанесены источники загрязнения с соответствующими координатами, и смоделировано движение облака загрязняющих веществ над контролируемой территорией.

Разработана программная система, предлагающая пользователю графическую среду для создания, выполнения и анализа событийного моделирования сетей связи. Программа имитационного моделирования сети использует в своей работе информацию о пространственном расположении сети, числе узлов, конфигурации связей, скорости передачи данных, используемых протоколах и типе оборудования. Разработанная программная система необходима администратору распределенных систем и сетей, особенно при проектировании новой сети или внесении кардинальных изменений в уже существующую сеть.

Система экологического мониторинга имеет открытую архитектуру, что обеспечивает широкие возможности по наращиванию ее мощности как в плане включения в ее состав новых постов, так и в плане их оснащения широким спектром датчиков. Модульная технология создания АРСЭМ позволяет с небольшими затратами и в короткие сроки адаптировать типовые (базовые) АРСЭМ к применению в составе систем мониторинга и контроля различного целевого назначения.

Работа осуществлена при поддержке РФФИ по проекту 06-07-96501.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ананичев, К.В. Проблемы окружающей среды, энергии природных ресурсов. Международный аспект [Текст] / К.В. Ананичев. - М.: Прогресс, 1994.

2. Суворова, Г.П. Автоматизированная система экологического контроля предприятия [Текст] / Г.П. Суворова // Методы и устройства передачи и обработки информации: Межвуз. сб. научн.тр.- Вып.4 / Под ред. В.В.Ромашова, В.В.Булкина.- СПб.: Гидрометеоиздат, 2004.-347 c.

Размещено на Allbest.ru