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;

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.

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.

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.

Рис. 6.3.4. Структура поста № 1

Рис. 6.3.5. Структура поста № 2

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.

Рис. 6.3.7. Информационная структура автоматизированной системы мониторинга 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).

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.

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