Автоматизированная система мониторинга загрязнений атмосферы промышленного региона

Автоматизированная система мониторинга (ACM) загрязнений атмосферы, блок-схема архитектуры которой представлена на рис. 6.3.1, предназначена для непрерывного контроля загрязняющих веществ в выбросах промышленных предприятий, измерения метеопараметров, формирования и передачи данных в центр сбора, обработки и хранения массивов данных о состоянии атмосферного воздуха.

Основные задачи, решаемые ACM состояния атмосферного воздуха промышленного региона (см. рис. 6.3.1):

  • - сбор, обработка и хранение информации с датчиков контроля;
  • - экологический анализ информации;
  • - выработка управленческих решений по снижению антропогенных воздействий промышленных предприятий на окружающую среду.

При построении ACM использованы следующие основные принципы:

  • - непрерывность - данные о состоянии атмосферного воздуха в месте расположения датчиков контроля отслеживаются в режиме реального времени и через небольшие интервалы времени вся информация передаётся в центр сбора и обработки экологической информации;
  • - стационарность - датчики контроля состояния атмосферного воздуха выполняются в автономном варианте и после их установки не изменяют своего положения относительно заранее выбранной системы координат;
  • - открытость - обработанная информация о загрязнении воздуха может быть размещена на Интернет-сайте администрации промышленного региона;
Блок-схема архитектуры «Автоматизированной системы мониторинга загрязнений атмосферы»

Рис. 6.3.1. Блок-схема архитектуры «Автоматизированной системы мониторинга загрязнений атмосферы»

- модульность - система включает следующие основные модули, а именно: модуль контроля загрязнения атмосферного воздуха, модуль сбора и передачи информации (по сети Internet, по каналу RS-232, по радиоканалу), модуль хранения и обработки информации, центр предоставления информации.

Модульный принцип построения ACM позволяет в случае необходимости увеличивать количество модулей контроля загрязнения атмосферного воздуха и распределять их по территории промышленного региона.

Модуль контроля загрязнения атмосферного воздуха имеет датчики концентрации веществ в воздухе: оксида углерода, диоксида серы, оксидов азота, пыли. Модуль выполнен таким образом, что возможно использование различных датчиков в зависимости от состава веществ, загрязняющих атмосферный воздух в месте расположения модуля.

В качестве датчиков первичных средств измерения концентраций вредных выбросов в атмосферном воздухе используются газоанализаторы российского производства типа ДАХ-СО-20, ДАХ-802-Ю, газоанализатор ДАХ- N02-20, анализатор пыли МР101М.

Модуль сбора и передачи информации предназначен для сбора информации о степени загрязнения окружающей среды и формирования канала связи для передачи информации в модуль хранения и обработки информации.

После приема информации о степени загрязнения атмосферного воздуха модуль осуществляет передачу данных в модуль хранения и обработки информации по сети Internet, по каналу связи RS-232 (на расстояние до 1500 м) или по радиоканалу (на расстояние до 3000 м).

Вся информация поступает в центр экологической информации через модуль хранения и обработки информации. Программное обеспечение центра позволяет в режиме реального времени получать оперативную информацию о величине загрязнения атмосферного воздуха промышленного региона, моделировать процессы загрязнения атмосферы и отображать результаты моделирования на электронной карте региона в виде полей концентраций вредных веществ (мг/м3) или долей предельно-допустимых концентраций (ПДК), а также в виде диаграмм, графиков и таблиц по желанию пользователя. В центре проводится накопление и архивирование данных измерений и наблюдений, информационный поиск и доступ к архивной информации, анализ и прогноз динамики загрязнений; управление режимами работы ACM. 340

В центре экологической информации применяется ГИС для отображения информации о степени загрязнения атмосферного воздуха на э-карте и в связанных с ними базах данных.

ACM обеспечивает получение большого объема информации о параметрах состояния атмосферного воздуха; позволяет изменять интервал измерения этих параметров от 5 минут до 1 часа. Данные накапливаются на сервере и доступны для обработки. По истечению года данные архивируются и хранятся в электронном виде.

Важной технической подсистемой ACM является система сбора и обработки экологической информации, которая состоит из следующих трёх основных компонентов: центр сбора и обработки информации, стационарные экологические посты и устройства связи между экологическими постами и центром сбора и обработки экологической информации (см. рис. 6.3.2).

Центр сбора и обработки информации представляет собой сервер с соответствующим программным обеспечением, который располагается в администрации региона. Здесь обрабатывается информация, поступающая со всех стационарных экологических постов. Поступление информации происходит через устройства связи со стационарными экологическими постами.

В администрации промышленного региона располагается рабочее место оператора, которое позволяет отслеживать информацию, поступающую с экологических постов.

Рабочее место оператора представляет собой персональный компьютер, который связан с центром сбора и обработки экологической информации. Компьютер оператора оснащён специальным программным обеспечением, позволяющим представлять информацию о состоянии атмосферного воздуха в городе на экране дисплея (мониторе).

На мониторе оператора отображается электронная карта региона. На карте отмечены точки, расположение которых соответствует расположению стационарных экологических постов, находящихся в различных точках региона.

Блок-схема аппаратурно-технической структуры системы сбора и обработки экологической информации

Рис. 6.3.2. Блок-схема аппаратурно-технической структуры системы сбора и обработки экологической информации

В зависимости от концентрации вредных веществ в некоторой точке территории на э-карте изменяется ее цвет. Жёлтый цвет точки свидетельствует о том, что концентрация веществ в месте расположения стационарного экологического поста находится ниже уровня ПДК. Если точка становится светло-коричневой, то это свидетельствует о том, что концентрация какого- либо вещества или группы веществ приближается к значению ПДК для этого (этих) веществ. Красная точка сигнализирует о превышении ПДК и одновременно с этим срабатывает звуковая сигнализации, которая срабатывает в течении всего времени превышения уровня ПДК с периодичностью 10 минут.

В том случае, если цвет точки изменился на чёрный, следует принимать экстренные необходимые, жёстко регламентированные управленческие решения, так как чёрный цвет точки свидетельствует о том, что уровень ПДК превышен более чем в 10 раз.

При двойном нажатии на любую точку на экран компьютера выводится информационная таблица. В первом столбце таблице приводится список вредных веществ и метеорологических параметров окружающей среды в месте расположения стационарного экологического поста, соответствующего выбранной точке на электронной карте региона. Во втором столбце приводятся численные значения концентраций соответствующих вредных веществ и метеорологических параметров окружающей среды в реальный момент времени.

При несоответствии значений концентраций нормам ПДК элемент выделяется красным цветом. Третий столбец таблицы содержит информацию о ПДК для каждого из измеряемых параметров.

При двойном нажатии на наименование любого вредного вещества или метеорологического параметра на монитор выводится суточный отчёт по данному параметру. В отчёте указывается наименование измеряемого параметра и меняющееся во времени его числовое значение.

Структура стационарного экологического поста. Экологический пост (см. рис. 6.3.3) состоит из персонального компьютера с установленным специальным программным обеспечением, блока датчиков, соединённых с контроллером, для измерения различных параметров атмосферного воздуха (концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе, температуры ОПС, скорости и направления ветра, относительной влажности) и устройства связи с центром сбора и обработки информации.

Структура стационарного экологического поста

Рис. 6.3.3. Структура стационарного экологического поста

Датчики формируют специальные сигналы, которые поступают на контроллер, где они преобразуются и далее передаются на персональный компьютер. Благодаря специально разработанному программному обеспечению сигналы с контроллера на компьютере преобразуются в отчёт, который поступает на устройство связи с центром сбора и обработки информации и далее различными способами передаётся на устройство связи со стационарными экологическими постами. Устройство связи со стационарными экологическими постами передаёт отчёт в центр сбора и обработки информации, где отчёт о состоянии атмосферы преобразуется и выводится непосредственно на экран компьютера в виде цифровых данных и графической информации, представленной на электронной карте.

Связь между стационарными экологическими постами и центром сбора и обработки информации региона может осуществляться следующими способами:

  • - прямое проводное соединение (при условии небольшого расстояния между двумя устройствами связи);
  • - соединение по телефонным линиям;
  • - при помощи INTERNETa;
  • - посредством радиомодема (при значительном удалении от узлов телефонной связи и сети INTERNET).

Рассматриваемая ACM состоит из трех основных функциональных подсистем.

  • • Подсистема «Администрация области» построена на имеющейся в распоряжении администрации электронной карте промышленного региона и компьютерной технике. На электронной карте нанесены промышленные предприятия и другие организации региона. С каждым предприятием будет связана база данных, отражающая информацию о выбросах предприятия, наличии и перемещении опасных и вредных веществ. Так же на электронной карте будут отслеживаться перемещения различных объектов (автомобильный и железнодорожный транспорт), перевозящих опасные вещества. Такая база данных в сочетании с электронной картой региона позволит наблюдать на экране монитора зоны экологического загрязнения в районах промышленных предприятий, зоны возможного поражения при аварийных выбросах, оценить последствия и оперативно принять соответствующие управленческие решения, снижающие уровень экологического загрязнения. Подсистема «Администрация области» будет функционировать совместно с подсистемой «Предприятие».
  • • Подсистема «Предприятие» устанавливается на промышленных предприятиях региона. Для ее функционирования администрация региона должна будет передать предприятиям региона фрагменты электронной карты региона, где размещены эти предприятия с прилегающими территориями. В подсистеме «Предприятие» будет происходить наполнение баз данных по выбросам конкретного предприятия, отслеживаться информация по получению, переработке и перемещению вредных и опасных веществ.

предприятия получит возможность визуального наблюдения на электронной карте предприятия и прилегающей территории зон загрязнения, а также возможность компьютерного моделирования различных аварий, которые могут быть на данном предприятии, что приведет к повышению эффективности взаимодействия работников предприятия и привлеченных сил при реально возникающих аварийных ситуациях.

• Обмен данными между подсистемами «Администрация области» и «Предприятие» осуществляется по сети Internet, к которой в настоящее время имеют доступ практически все предприятия промышленного региона.

Для организации непрерывного контроля ряда параметров состояния ОПС, таких как концентрация СО, NO, N02, S02, CL2, температура, влажность, направление и скорость движения воздуха и ряда других параметров, используется подсистема «Оперативный контроль», представляющая собой аппаратно-программный комплекс на базе персонального компьютера, связанного с датчиками измерения указанных величин по проводным линиям. Датчики могут располагаться непосредственно на промышленном предприятии, на прилегающих территориях, а так же там, где необходим непрерывный контроль, например, на территории больниц, парков, музеев. В случае значительного удаления датчиков, они выполняются в автономном варианте и связываются с базовым компьютером через радиомодем.

При формировании соответствующей сети расположения датчиков на территории района имеется возможность оперативного контроля загрязняющих выбросов отдельных промышленных предприятий.

ACM атмосферного воздуха разработана для г. Тулы и включает автоматические станции контроля состояния атмосферного воздуха, укомплектованные современными газоанализаторами отечественного производства, диспетчерский пункт, укомплектованный современной компьютерной техникой и соответствующим программным обеспечением для осуществления сбора, обработки и визуализации информации о степени загрязнения воздуха.

Автоматизированная станция сбора - пост №1 располагается в соответствующей контрольной точке на карте города.

Пост №1 представляет собой металлический каркас, укомплектованный газоанализаторами на три газа: «Палладий - 3» (оксид углерода СО), «Сирена А» (диоксид серы SO2), «Сирена А» (диоксид азота NO2), а также метеостанцией, контролирующей температуру воздуха t (°С), относительную влажность ф (%), скорость ветра V (м/с), направление ветра 0, атмосферное давление р (мм. рт. ст.) (см. рис. 6.3.4).

Газоанализаторы соединяются посредством линий связи с блоком управления, который в свою очередь связан с диспетчерским пунктом.

Пост №2 представляет собой металлический каркас, но укомплектованный только газоанализаторами «Палладий-3» и «Серена А», контролирующими содержание в атмосферном воздухе углекислого газа (СО), диоксида серы (S02), диоксида азота (N02) (см. рис. 6.3.5).

Передача данных, вследствие значительного удаления поста №2 от диспетчерского пункта происходит по телефонным линиям через модем.

Пост №3, включающий в себя газоанализаторы «Палладий - 3» на оксид углерода (СО), «Сирена А» на диоксид серы (S02) и диоксид азота (N02), а также блок управления (БУ) представлен на рис. 6.3.6. Газоанализаторы располагаются в металлическом корпусе. Пост соединяется с диспетчерским пунктом по телефонным линиям посредством модема.

Структура поста № 1

Рис. 6.3.4. Структура поста № 1

Структура поста № 2

Рис. 6.3.5. Структура поста № 2

Структура поста № 3

Рис. 6.3.6. Структура поста № 3

Информационная структура ACM атмосферного воздуха, включающая в себя посты контроля, укомплектованные современными газоанализаторами, диспетчерский пункт, укомплектованный современной компьютерной техникой с соответствующим программным обеспечением, а также линии связи, представлена на рис. 6.3.7. На рис. 6.3.8. представлена организационнофункциональная структура ACM.

Информационная структура автоматизированной системы мониторинга атмосферного воздуха

Рис. 6.3.7. Информационная структура автоматизированной системы мониторинга атмосферного воздуха

Организационно-функциональная структура ACM атмосферного воздуха

Рис. 6.3.8. Организационно-функциональная структура ACM атмосферного воздуха

Автоматические станции сбора информации о загрязнении воздуха располагаются в контрольных точках, указанных на карте города в наиболее загрязненных точках и в близи крупных промышленных предприятий, а также у социально-значимых объектов.

Информация с автоматической станции контроля, расположенной в пункте №1, передается в диспетчерский пункт по проводным линиям, а информация с автоматических станций, расположенных в пунктах контроля №2-3, передается по телефонным линиям вследствие значительного удаления станций контроля от диспетчерского пункта.

Информация о величине загрязнения атмосферного воздуха в конечном итоге собирается в диспетчерском пункте, где происходит ее обработка и визуализация.

Интерфейс ACM позволяет работать с программным продуктом лицам, не имеющим специальной подготовки для работы с вычислительной техникой. ACM предназначена для использования специалистами - экологами.

Общий вид основного меню ACM предельно прост и нагляден (см. рис. 6.3.9).

Общий вид основного меню ACM

Рис. 6.3.9. Общий вид основного меню ACM

В пункте меню «Файл» имеются такие пункты как «Открыть», «Просмотр», «Печать» и «Выход».

Пункт меню «Статистика» содержит вкладки «Запустить» и «Настройка» и предназначен для настройки и отображения измеряемых показателей в виде таблицы или на карте.

Пункт меню «Пункт» предназначен для добавления объектов на карту, их удаления, просмотра их свойств и настройки параметров объекта.

Интерфейс предусматривает звуковую сигнализацию и для управления звуковым сигналом должен быть введён пункт «Сигнал». Данный пункт предназначен для настройки, снятия и определения наличия звукового сигнала.

В интерфейсе предусмотрены также такие пункты меню, как «Обновление» и «Помощь».

Информационное обеспечение ACM состоит из следующих основных подсистем:

  • 1. Подсистема сбора информации.
  • 2. Подсистема передачи информации.
  • 3. Подсистема обработки информации и отображения её на электронной

карте.

Функции, выполняемые подсистемами информационного обеспечения

ACM.

Подсистема сбора информации предназначена для снятия информации с датчиков, осуществляющих замеры концентрации веществ. Данная подсистема должна располагаться на рабочей станции (компьютере пользователя) и сохранять показания датчиков с учетом времени и даты.

Каждый датчик имеет свой идентификатор: Датчик 1, Датчик 2 и т.д. Кроме того, каждый пункт сбора информации имеет свой уникальный идентификатор, который позволяет различить информацию, поступающую на сервер по пунктам.

Подсистема передачи информации предназначена для передачи информации с компьютера пользователя на сервер, на котором в дальнейшем она будет обрабатываться. В связи с тем, что в настоящее время у нас в стране распространено несколько разновидностей коммуникационных каналов, необходимо учесть данную особенность и предусмотреть работу подсистемы сбора информации в разных режимах соединения с сервером:

  • 1. Модемное соединение. Соединение между сервером и рабочей станцией осуществляется при помощи модема. Затем, с рабочей станции считываются новые данные и записываются на сервер. После того, как данные будут считаны соединение разрывается.
  • 2. Соединение по локальной сети. Если между сервером и рабочей станцией существует локальная сеть, то она осуществляет обмен данными между ними. Соединение между сервером и рабочей станцией осуществляется посредством сетевых карт. Сервер делает запрос к рабочей станции с указанием её IP-адреса. Затем, с рабочей станции считываются новые данные и записываются на сервер. После чего, считываются новые данные.
  • 3. Соединение по сети Интернет осуществляется аналогично соединению по локальной сети. Причем сервер должен иметь постоянный 1Р-адрес.
  • 4. Соединение при помощи GSM-модема. GSM - это глобальная система мобильной связи (global system for mobile communications), которая осуществляется аналогично обычному модемному соединению с одной лишь разницей, что рабочая станция связывается с сервером по радиоканалу. В данный момент это самое дорогостоящее соединение из всех рассмотренных выше.

Программное обеспечение ACM состоит из нескольких программ:

  • 1. Программа «Signal.exe» - осуществляет сбор информации с датчиков и запись её в базу данных.
  • 2. Программа «MServer.exe» - осуществляет сбор и передачу информации по установленным каналам связи с удаленных точек сбора информации.
  • 3. Программа «Otobr.dvb» - представляет собой модуль на встроенном языке системы Autocad Map 2000i и осуществляет отображение информации, полученной с датчиков.
  • 4. Программа «Emul.exe» - осуществляет имитацию датчиков и записывает полученную информацию в базу данных; программа предназначена для отладки системы, проверки её работоспособности и обучения персонала правилам работы с системой.

Для получения данных с датчика необходимо на компьютере, подключенном к датчику, установить программу «Signal.exe». После чего, необходимо настроить программу для работы в конкретных условиях. Для этого необходимо с помощью СУБД Access открыть базу «Signal.mdb». База данных содержит следующие таблицы:

Datchik - содержит информацию о датчике, его координаты, название, измеряемые вещества, номер телефона или IP-адрес компьютера, к которому подключен датчик.

Sig - содержит информацию, поступающую с датчиков. Каждый байт считываемого сигнала записывается в таблицу «Sig», при этом для всей посылки записывается время и дата считывания.

Vechestva - содержит характеристики измеряемых веществ.

Полученные программой данные используются для отображения обстановки на э-карте местности.

Подсистема передачи информации. Для сбора информации с распределенных датчиков предназначена программа «Мониторинг-сервер». Для ее запуска необходимо запустить программу «MServer.exe», после чего, на панели задач появится значок со стрелочкой.

Программа передачи информации собирает информацию с пунктов сбора в единую базу данных, которая затем используется для отображения информации на электронной карте. Структура таблиц центральной базы аналогична таблицам распределенных баз, с некоторыми доработками таблицы «signal», в которую добавлено поле идентификатора датчика «Did» для того, чтобы различать информацию, получаемую с различных точек сбора.

После запуска программы MServer.exe начнется опрос удаленных датчиков и перенос информации из таблицы «Sig» с рабочих станций на сервер.

Подсистема отображения информации. Для отображения информации на электронной карте, необходимо нанести на неё датчики. Для этого необходимо запустить программу ACEM.exe, после чего появится окно с картой. В появившемся окне в меню «Датчик» необходимо выбрать пункт «Добавить датчик». После этого, появится диалоговое окно (см. рис. 6.3.10), в котором задаются параметры датчика. Для ввода координат датчика необходимо заполнить поля «Координаты» или, нажав кнопку «Выбрать», указать координаты при помощи курсора на карте.

На панели «Выбор вещества» - при выборе вещества пользователю предлагается выбрать список веществ, измеряемых датчиком (из внесенных ранее в базу). При этом необходимо использовать кнопки «»» и ««» («»» - для добавления вещества, ««» - для удаления вещества из списка измеряемых веществ). После того, как все параметры датчика указаны, необходимо нажать кнопку «Добавить датчик» и он отобразиться на э-карте.

Э-датчик в ACM состоит из шкалы и поля, в котором отображается название вещества и значение концентрации данного вещества (см. рис. 6.3.10). Максимальное значение шкалы соответствует предельно допустимой концентрации.

Форма ввода данных э-датчика в ACM

Рис. 6.3.10. Форма ввода данных э-датчика в ACM

Программным обеспечением ACM предусмотрено 3 цвета для отображения состояния концентрации вещества: зеленый - концентрация в норме, желтый - средняя между нормальным и предельно допустимым значениями, красный - превышение допустимой нормы. Кроме того, на карте появляются поля с концентрациями веществ, измеряемых этим датчиком.

Для реализации функций сбора, обработки и отображения экологической информации на э-карте региона в ACM имеется соответствующее программное обеспечение.

Программа для считывания, отображения и архивации в файле концентраций, рассчитанных при помощи контроллера на однокристальной микро ЭВМ, написана на языке VisualBasic 6.0.

Программное обеспечение ACM разработано в среде AutoCAD Мар 2000i и предназначено для отображения на э-карте местности информации о концентрации таких веществ, как СО, С02, S02 и .т.д.; может использоваться для ликвидации последствий аварий, а также для обучения персонала МЧС при проведении компьютерных игр на э-картах.

Список литературы к части 2

  • 1. Белов И.В. Транспортная модель распространения газообразных примесей в атмосфере города / И.В. Белов, М.С. Беспалов, Л.В. Клочкова // Математическое моделирование. - 2000. - № 11. - С. 25-32.
  • 2. Закарин Э.А. Математическое моделирование загрязнения атмосферы города на основе ГИС / Э.А. Закарин, Б.М. Миркаримова // Известия РАН ФАО. - 2000. - № 3. - С. 12-22.
  • 3. Методика оценки последствий химических аварий (Методика ТОКСИ). - М.: НТЦ «Промышленная безопасность», 1996. - 46 с.[1]
  • 4. Методика прогнозирования масштабов заражения сильнодействующими ядовитыми веществами при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и транспорте. Руководящий документ РД 52.04.253-90. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991. - 23 с.[1]
  • 5. Панарин В.М. Современные системы контроля загрязнения атмосферного воздуха промышленными предприятиями / В.М. Панарин, В.Г. Павпертов, Г.В. Павпертов, А.А. Зуйкова - Москва - Тула. - 2004. - 128 с.
  • 6. Соколов Э.М. Анализ и управление чрезвычайными ситуациями на химически опасных производственных объектах / Э.М. Соколов, В.М. Панарин, А.А. Зуйкова. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2005. - 158 с.
  • 7. Соколов Э.М. Компьютерное моделирование аварий с выбросом химически опасных веществ / Э.М. Соколов, В.М. Панарин, А.А. Зуйкова. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. - 78 с.
  • 8. Ярыгин Г.А. Геоинформационный моделирующий комплекс в системах производственного экологического мониторинга предприятий нефтегазового комплекса / Г.А. Ярыгин, А.А. Петрулевич, Д.Б. Рыбкин // Экологические системы и приборы. - 2002. - № 4. - С. 3-6.

  • [1] В настоящее время необходимо также руководствоваться законом РФ «О техническом регулировании» от 22.12.2002 г. № 184-ФЗ
  • [2] В настоящее время необходимо также руководствоваться законом РФ «О техническом регулировании» от 22.12.2002 г. № 184-ФЗ
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >