CC BY
3Булкин В.В.
Муромский институт Владимирского государственного университета, профессор, д-р. тех. наук
ЭКОЛОГО-МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ УРБАНИЗИРОВАННЫХ
ТЕРРИТОРИЙ
ECOLOGICAL AND METEOROLOGICAL MONITORING URBANIZED AREAS
Bulkin V. V.
Murom Institute of Vladimir State University, Professor, Doctor of Engineering
АННОТАЦИЯ
Рассматривается построение контрольно-измерительной системы экологического и метеорологического мониторинга урбанизированной территории. Приведены результаты полного спектрального анализа одного из наблюдений за акустическим шумом. Рассматриваются возможности расширения функций системы за счёт анализа газообразных поллютантов.
ABSTRACT
The construction of a monitoring and measuring system for the ecological and meteorological monitoring of an urbanized area is under consideration. The results of a complete spectral analysis of one of the observations for acoustic noise are presented. The possibilities of expanding the system functions due to the analysis of gaseous pollutants are considered.
Ключевые слова: акустический шум, метеорологические параметры, спектральный анализ, газовые поллютанты.
Keywords: acoustic noise, meteorological parameters, spectral analysis, gas pollutants
Введение построению совмещённой эколого-метеорологиче-
Построение систем мониторинга окружающей ской системы мониторинга, обеспечивающей,
среды невозможно без использования радиоэлектронных контрольно-измерительных средств (КИС). Их применение позволяет эффективно решать задачи получения, обработки, хранения и передачи информации, её визуализации. Это определяет их широкое применение в прикладных системах, таких, как защита среды обитания, обеспечение безопасности и т.д.
В соответствии с определениями ГОСТ Р 22.1.02-95 [5] под мониторингом окружающей среды понимается система наблюдений и контроля, проводимых регулярно и обеспечивающих оценку состояния окружающей среды и выявление тенденций её изменения. При этом под наблюдением понимается определение параметров, характеризующих состояние окружающей среды, а под контролем - сопоставление полученных данных с установленными критериями и нормами.
Реализация этих положений в значительной степени определяется конкретными условиями контролируемой среды, перечнем действующих источников загрязнения, типом загрязнителей и т.д. Кроме того, организация мониторинга требует разработки и применения КИС, обеспечивающих достаточную точностью проведения измерений и прогнозирования возможного распространения этого загрязнения вглубь жилых зон [8], что определяет: 1) наличие проблемы обеспечения высокой точности и оперативности контроля загрязнений, 2) необходимость получения данных сопутствующего характера, характеризующих обстановку в зоне контроля.
Рассматривается система мониторинга акустических шумов урбанизированной среды, структура системы, принцип получения и обработки информации и некоторые результаты контроля акустошу-мового загрязнения, а также возможные подходы к
кроме того, контроль газообразных загрязнителей.
Принцип построения эколого-метеорологи-ческой системы
С учётом выше сказанного принцип построения системы подразумевает совмещение двух видов информации: экологической, характеризующей уровень загрязнения, и метеорологической, позволяющей прогнозировать возможность и направление распространение этого загрязнения.
Экологическая информация в урбанизированной среде может содержать информацию, в основном, о загрязнении воздушной среды. Одним из главных загрязнителей является акустический шум. По данным официальных органов в РФ более 35 млн. человек проживает в условиях акустического дискомфорта, когда в дневное время уровень шума превышает допустимые значения на 25 дБА [6]. По различным данным за последнее время средний уровень шума, производимый транспортом, увеличился на 12-14 дБ. При этом шум, возникающий на проезжей части магистрали, распространяется не только на примагистральную территорию, но и вглубь жилой застройки.
Другим типом загрязнителей являются газовые поллютанты, такие, как СО, СО2, SО2, СН4, МЙ3, H2S и другие, содержание которых в силу развития техногенной составляющей постоянно растёт.
Метеорологическая информация представляет собой данные об основных метеопараметрах, характерных для данной зоны.
Кроме того, должны быть учтены и конкретные условия географического расположения точки контроля (обстановка), а также предусмотрена возможность передачи информации на базовый сервер.
Структурная схема возможного построения системы изображена на рис. 1.
Рис. 1 Структурная схема измерительной системы
С учётом разнообразных факторов, влияющих на качество работы системы, введены три группы параметров [1]: О - вектор параметров обстановки,
С = ,а2,...,аI - вектор информационных параметров, I = ,¿2,..., ¿т }; Е- вектор мешающих (неинформативных) параметров,
Е = {бх ,Б2 ,...,£у}.
Выходные сигналы каналов системы могут быть представлены в виде:
Уп =®\(1п,&п,Еп,0 + ^ , (1) Уа = Ф2(1аСаЕа,г) + (2) УТ = ф 3 (СТ ,ЕТ + (3)
где Ф1 (I п, Сп, Еп,() - совокупность сигналов, характеризующих уровень контролируемых загрязнителей; Ф 2 (I а, С а, Е а ) - совокупность сигналов, пропорциональных уровню контролируемых метеопараметров;
Ф з ( Ст , Ет ,t) - совокупность сигналов,
соответствующая группе параметров обстановки; £ - мешающий шум; t - время.
Р - оператор, устанавливающий функциональную связь между векторами О, I, Е, и сигналами Уа , У„ и УТ , поступающими на вход измерителей.
Практическая реализация принципов построения КИС
К настоящему моменту осуществлена разработка принципов функционирования системы, от-
дельных её составляющих, проведена экспериментальная отработка каналов получения информации, проведён ряд натурных экспериментов.
Канал измерения акустических шумов реализован с использованием конденсаторного микрофона МРА-216 и низкочастотного анализатора спектра на основе ZET017-U2, сопрягаемого с персональным компьютером (ПК). В качестве источника информации о метеорологических параметрах среды к конкретной части урбанизированной среды использовалась метеостанция WXT520 Vaisala, обеспечивающая контроль температуры окружающей среды, получение данных о влажности воздуха, атмосферном давлении, скорости и направлении ветра, атмосферных осадках. Обработка получаемой информации также обеспечивалась ПК [2,4].
Позиционирование системы может осуществляться любым из известных способов: посредством спутниковых технологий навигации (GPS, ГЛОНАСС), технологий локального позиционирования (инфракрасных и ультразвуковых), использованием радиочастотных меток RFID и т.д. К настоящему моменту построение канала рассмотрено на общетеоретическом уровне [2] без отработки макета. Работы в данном направлении планируются.
Осуществлена отработка элементов приёмопередающего модуля, в частности, отработан макет усилителя мощности. Усилитель выполнен по LDMOS технологии, рабочий диапазон частот -433,050-434,790 МГц, мощность - до 13 Вт. Проведена экспериментальная проверка действующего макета усилителя [7].
Программа управления и обработки информации разработана с использованием программного пакета ZETView, относящегося к SCADA системам и представляющего собой высокоэффективную
среду графического программирования для систем сбора и обработки данных от устройств, подключенных к персональному компьютеру. При анализе акустических шумов использован принцип полного спектрального анализа (в современных системах применяется октавный или третьоктавный принцип с оценкой на центральной частоте) с использованием быстрого преобразования Фурье. Такой принцип позволяет учесть импульсные всплески шумовых сигналов на краях октавного диапазона, что, как показано в [3], может компенсировать ошибки в оценке уровней шумов, доходящие до 20 дБ, и ошибки в оценке возможного распространения этого шума вглубь территории более чем в 1,5 км.
Реализация разработанной акустошумовой измерительной системы осуществлена в двух вариантах.
Анализ данных позволяет дать оценку коэффициента затухания акустического сигнала и получить прогноз возможного распространения шума вглубь селитебной зоны с учётом зафиксированных показателей, соответствующих конкретной территории и конкретным условиям.
На рис.3 показан один из результатов контроля уровня шума на оживлённой городской автотрассе, выполненного в режиме полного спектрального анализа.
Частота. Гц
Рис.2 Результаты анализа уровня шумов
Кроме того, был проведён предварительный анализ уровней некоторых газообразных составляющих воздушной среды в урбанизированной зоне. Замеры осуществлялись с помощью портативного газоанализатора МАГ-6 в разные временные промежутки. Выбор данного типа газоанализатора в значительной степени был обусловлен тем, что МАГ-6 имеет возможность совмещённой работы с ПК и, следовательно, может использоваться при построении рассматриваемой КИС.
Исследование загрязнённости воздуха проводилось в нескольких точках, расположенных на перекрестках оживленных автомагистралей и в непосредственной близости от промышленных предприятий. Часть результатов контроля за содержанием СО2 представлена на рис. 3. Измерения проводились в утренний (7.30-8.30), дневной (13.00-14.00), вечерний (16.30-17.30) и ночной (22.00-23.00) периоды суток.
0,8
Топа Точи Топа Точха Топа Топа отбора 1 отбора '1 тбораЗ отбора 4 отбора 5 отбора 6
Рис. 3 Результаты анализа содержания СО2
По результатам измерений выявлены корреляции между уровнем загрязнения и временем отбора проб воздуха. Наибольший уровень загрязнения наблюдается, как и следовало ожидать, в дневные часы, и связан с интенсивной антропогенной деятельностью.
Практически во всех точках отбора содержание углекислого газа превышает норму его содержания в атмосферном воздухе (0,03 % по объёму). В некоторых точках содержание СО2 в атмосферном воздухе выше нормы в десятки раз (превышение до 29 уровней ПДК). Такие отклонения могут быть связаны с усилением автомобильного движения в указанные часы, а также с интенсивным проведением технологических процессов на предприятиях, расположенных радом с точками отбора проб воздуха.
Аналогичная картина наблюдается и при контроле содержания угарного газа (превышение до 13 ПДК).
Заключение
Системы эколого-метеорологического мониторинга должны иметь как минимум три основных канала, включая измерительный, корректирующий и позиционирующий, а также приёмопередающий модуль и вычислительно-управляющее устройство. Такое сочетание позволит получать информацию о количественных характеристиках загрязнений, осуществлять прогнозирование возможного распространения каждого из типов поллютантов и осуществлять передачу полученной информации на центральный сервер.
Рассматриваемая система доведена до практической реализации на уровне базового действующего образца, была проверена в ходе проведения натурных измерений и показала свою эффективность.
Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ 14-08-00186 и 12-08-43134.
The scientific heritage No 10 (10),2017 Список литературы
1. Булкин В.В. Акустолокационные измерительные средства систем управления воздушным движением: эффективность функционирования и направление оптимизации / Приборы и системы: управление, контроль, диагностика, 2006, №9. -С.51-55.
2. Булкин В.В., Кириллов И.Н. Пассивно-активная система мониторинга акустического загрязнения локальной урбанизированной территории / Радиотехнические и телекоммуникационные системы, №4, 2014. -С.48-55.
3. Булкин В.В., Кириллов И.Н. Принципы построения систем контроля акустошумового загрязнения урбанизированной среды (монография) // Современная наука: актуальные проблемы и перспективы развития: монография. книга 5 / под ред. проф. Н.А. Тарасенко. -Ставрополь: Логос, 2015. -С.105-127.
4. Булкин В.В., Кириллов И.Н., Беляев В.Е. Пассивный канал пассивно-активной системы мониторинга урбанизированного пространства / Радиотехнические и телекоммуникационные системы, №4, 2012. -С.47-51.
5. ГОСТ Р 22.1.02-95. Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Мониторинг и прогнозирование. Термины и определения. -М.: ИПК «Издательство стандартов». 1996. -10 с.
6. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2011 году» / Министерство природных ресурсов и экологии Российской Федерации. - Режим доступа: -http://www.mnr.gov.ru/regulatory/detail.php?ID=1301 75.
7. Кириллов И.Н. Усилитель мощности СВЧ на основе полевых LDMOS транзисторов нового поколения / Радиотехнические и телекоммуникационные системы, №4, 2013. -С.18-22.
8. Соловьёв Л.П., Булкин В.В., Шарапов Р.В. Существование человека в рамках техносферы / Машиностроение и безопасность жизнедеятельности. 2012, №1(11). -С.31-39.
