Информационно-измерительная система мониторинга загрязнения приземного слоя атмосферы промышленно развитых регионов Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 504.064

В.С. Карпов, д-р техн. наук, проф., (4872)33-25-20 (Россия, Тула, ТулГУ),

В.М. Панарин, д-р техн. наук, проф., (4872)35-37-60, panarin-tsu@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

А.А. Горюнкова, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-37-60, anna zuykova@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ)

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ ПРОМЫШЛЕННО РАЗВИТЫХ РЕГИОНОВ

Приводится описание информационно-измерительной системы мониторинга загрязнения приземного слоя атмосферы промышленно развитого региона, которая позволяет непрерывно и оперативно собирать информацию о загрязнении воздуха промышленными предприятиями, а также выдавать рекомендации по снижению выбросов лицу, управляющему технологическим процессом.

Ключевые слова: информационно-измерительная система, экологический мониторинг, загрязнение атмосферы, автоматизированная система, вредные вещества.

В результате различных процессов, происходящих на современных производствах, в атмосферу выбрасывается огромное количество загрязняющих веществ, оказывающих вредное воздействие на человека. Со стороны экологических служб предприятий все большее внимание уделяется проблеме оценки степени воздействия производственных процессов на окружающую среду. Так, на предприятиях внедряются различные информационные системы мониторинга атмосферного воздуха, в том числе и автоматизированные, которые позволяют определить картину загрязнения прилежащих территорий [1].

Для регулирования выбросов вредных веществ на основании информации о распределении их концентраций необходимо, чтобы полученная информация о распределении концентрации была достоверной. Достоверность полученной информации обеспечивается использованием высокоточных датчиков на постах измерения, методикой расположения этих постов, а также моделями, позволяющими определять поля распространения загрязнения по точечным замерам при различных метеорологических параметрах.

Согласно [2] автоматизированная информационно-измерительная система мониторинга воздуха должна накапливать, систематизировать и анализировать информацию:

- о состоянии окружающей среды;

- о причинах наблюдаемых и вероятных изменений состояния (т^. об источниках и факторах воздействия);

- о допустимости изменений и нагрузок на среду в целом;

- о существующих резервах биосферы.

Таким образом, в систему экологического мониторинга входят наблюдения за состоянием элементов биосферы и наблюдения за источниками и факторами антропогенного воздействия.

В соответствии с приведенными определениями и возложенными на систему функциями мониторинг включает три основных направления деятельности:

- наблюдения за факторами воздействия и состоянием среды;

- оценку фактического состояния среды;

- прогноз состояния окружающей природной среды и оценку прогнозируемого состояния [3-4].

Исходя из основных задач экологического мониторинга в структуре автоматизированной системы мониторинга можно выделить несколько частей:

- программно-аппаратный пост сбора экологической информации, который включает группу датчиков для осуществления измерений и компьютер со специальным программным обеспечением (ПО) управляющим постом;

- подсистема передачи и хранения информации на центральном сервере (подсистема сбора и передачи), которая представляет компьютер, на котором установлен сервер баз данных (БД) и специализированное ПО;

- подсистема обработки, анализа и отображения информации, представляющая из себя компьютер, на котором установлено специализированное ПО для обработки и анализа информации (рис. 1).

Пост сбора информации

Датчики

Система сбора

Подсистема передачи и хранения информации

Сервер БД

Агент

Подсистема обработки и анализа информации

Толстый клиент

Тонкий клиент

Рис.1. Автоматизированная система мониторинга

Система разработана с помощью современных технологий (платформа .NET). Для хранения данных система использует два вида СУБД: Microsoft SQL Server или Oracle.

На стационарных постах происходит сбор информации посредством считывания данных, посылаемых датчиками на порт персонального компьютера. На компьютере происходят разбор данных и первичная обработка, после чего они записываются в локальную БД. Датчики, входя-

щие в аппаратную часть данной системы, позволяют осуществлять замеры концентрации таких веществ, как оксид углерода (СО), диоксид серы ^02), оксиды азота (N0^, пыли и других газов. Посты мониторинга должны располагаться как вблизи источников выбросов (заводов, ТЭЦ, автомобильных и железных дорог), так и вблизи социально-значимых объектов региона - детских садов, школ, больниц.

Подсистема передачи и хранения информации в виде специальной службы через определенный интервал времени осуществляет опрос постов и записывает данные из локальной БД на сервер, после чего удаляет данные из локальной БД.

Сервер представляет собой мощный компьютер со специальным ПО, может располагаться на предприятии, в администрации области, в природоохранных службах и является центром сбора и первичной обработки экологической информации. На нем ведется база данных содержащая информацию о действии различных вредных веществ на здоровье человека и данные о заболеваемости в конкретных районах области. функциям центра мониторинга относятся: сбор и накопление информации, поступающей из информационно-измерительной сети. Таким образом, обрабатывается информация, поступающая со всех экологических постов. С аппаратной точки зрения передача информации происходит по различным каналам связи и с помощью различного оборудования.

Подсистема обработки и анализа информации состоит из “толстого” и “тонкого” клиента. “Толстый” клиент представляет собой программу, которая устанавливается на рабочее место оператора и отображает информацию о состоянии атмосферного воздуха в городе в более наглядном виде. На мониторе оператора отображается электронная карта или схема с точками мониторинга, расположение которых соответствует расположению стационарных экологических постов, находящихся в различных местах.

Основная часть “тонкого” клиента расположена на центральном сервере и позволяет через Интернет-браузер получать ту же экологическую информацию, которую предоставляет “толстый” клиент, но из любой точки мира, где есть доступ в Интернет. Отличие клиентов заключается в том, что у “толстого” клиента алгоритмы обработки и основная часть расположены на стороне клиента, а у “тонкого” - на стороне сервера.

Подсистема строится на базе персонального компьютера, укомплектованного современным программным обеспечением, позволяющим в режиме реального времени получать экологическую информацию о картине загрязнения атмосферного воздуха, моделировать процессы загрязнения и отображать результаты моделирования на электронной карте или схеме, а также в виде диаграмм, графиков и таблиц.

Датчик в системе представлен в виде таблицы из четырех колонок. В первом столбце таблицы приводится список вредных веществ соответст-

вующей точки мониторинга на электронной карте области. Во втором столбце приводятся численные значения концентраций соответствующих вредных веществ и метеорологических параметров окружающей среды в реальный момент времени. В третьем столбце представлена шкала, показывающая отношение значения фактической концентрации вредного вещества к его ПДК. Четвертый столбец таблицы содержит информацию о ПДК для каждого из измеряемых параметров.

Для удобства анализа информации пользователем при отображении данных введена зависимость концентрации вредных веществ от цвета. Зеленый цвет свидетельствует о том, что концентрация веществ в месте расположения поста находится ниже уровня ПДК. Желтый цвет свидетельствует о том, что концентрация какого-либо вещества или группы веществ приближается к значению ПДК для этого (этих) веществ. Красный цвет сигнализирует о превышении ПДК. Кроме датчиков, подсистемой отображаются метеорологические параметры, такие, как температура воздуха, скорость ветра и направление, давление, точка росы.

К функциям подсистемы обработки и анализа информации относятся оперативный анализ текущей экологической обстановки; накопление и архивирование данных измерений и наблюдений, информационный поиск и доступ к архивной информации; математическое моделирование экологических процессов, анализ и прогноз динамики загрязнений; управление режимами работы системы мониторинга [3].

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. Схема подсистемы представлена на рис.2.

Рис.2. Подсистема сбора информации

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.

На основании анализа объектов, составляющих подсистему сбора, была разработана UML-диаграмма классов [10], которая включает в себя следующие классы: менеджер; журнал регистрации; замер; вещество; последовательный порт.

Подсистема сбора является средством накопления локальных данных на стационарных постах. Для осуществления передачи данных на центральный сервер данная подсистема тесно взаимодействует с подсистемой передачи и хранения информации.

При реализации подсистемы операции алгоритма разделены между её элементами. Класс менеджера обработки информации взаимодействует с классом экологической информации, классом журнала регистрации, классом замера и вещества, классом работы с последовательным портом.

Подсистема передачи и хранения информации предназначена для передачи информации с поста на сервер, на котором она записывается в серверную БД.

В настоящее время распространено несколько разновидностей коммуникационных каналов, поэтому работа подсистемы может осуществляться в различных режимах.

При модемном соединении соединение между сервером и рабочей станцией осуществляется с помощью модема. Затем с рабочей станции считываются новые данные и записываются на сервер. После того, как данные будут считаны, соединение разрывается. Схема такого соединения представлена на рис. 3.

База данных 1

Г

Модем

База данных 2

Сервер

Рис. 3. Схема модемного соединения

При соединении по локальной сети соединение между сервером и рабочей станции осуществляется посредством специальных сетевых карт.

Сервер делает запрос к рабочей станции с указанием её Ш-адреса. Затем с рабочей станции считываются новые данные и записываются на сервер, после чего считываются новые данные. Схема такого соединения представлена на рис. 4.

База данных 1

База данных 2

Сервер

Рис. 4. Схема сетевого соединения

Соединение по сети Интернет осуществляется аналогично соединению по локальной сети. Причем сервер должен иметь постоянный №-адрес.

Соединение с помощью GSM/GPRS-модема осуществляется аналогично обычному модемному соединению с одной лишь разницей, что рабочая станция связывается с сервером по радиоканалу.

Алгоритм работы подсистемы следующий:

- агент проходит по списку постов и определяет, не настал ли момент опроса данного поста;

- если настал, то определяет, какой тип соединения у каждого поста, иначе переходит к анализу информации со следующего поста;

- обращается к классу соединения и выбирает необходимый механизм соединения, после чего соединяется с постом;

- путем взаимодействия с менеджером поста забирает с него данные;

- если данные успешно получены, то определяет тип БД;

- после определения типа БД пытается записать данные в серверную БД;

- если запись прошла успешно, то посылает команду менеджера поста на стирание локального журнала;

- переход к п.1 алгоритма.

Подсистемы сбора, передачи и хранения информации являются важными звеньями для получения, накопления и централизации экологической информации. Для эффективного использования полученной информации необходимо реализовать механизм ее анализа и обработки. Дан-

ный механизм реализован в подсистеме анализа и отображения экологической информации.

Подсистема анализа и отображения информации должна обеспечивать наглядное представление данных, полученных с постов, давать возможность прогнозировать распространение вредных веществ с учетом произведенных замеров, метеопараметров и городской застройки.

Первая часть подсистемы (“толстый” клиент) представлена Windows-приложением. Это полнофункциональная версия, которая устанавливается на компьютер оператора и предоставляет возможность предоставления отчетов различной степени детализации, а также оборудована модулем отображения зон распространения вредных веществ. Схема работы “толстого” клиента представлена на рис. 5.

Пост 1

Компьютер

пользователя

У\/ІПСІ0\Л/8-

приложение

Сервер

-> Агент

I

Серверная

БД

Менеджер <-

-> Датчик 1

I

Локальная

БД

Датчик N

Пост N

► Менеджер <-

-> Датчик 1

I

Локальная

БД

Датчик N

Рис. 5. Схема работы “толстого” клиента

Вторая часть подсистемы (“тонкий” клиент) сделана в виде Интернет-сайта и представляет собой облегченную версию, предназначенную для доступа к информации с неукомплектованных Windows-приложениями компьютеров из любой точки мира оборудованной Интернетом. Схема работы “тонкого” клиента представлена на рис. 6.

Пост 1

Компьютер

пользователя

Сервер

Интернет- браузер ASP.NET приложение

I

Агент

I

Серверная

БД

Менеджер Датчик 1

г

I

Локальная

БД

Датчик N

Пост N

► Менеджер

Локальная БД

-> Датчик 1

Датчик N

Рис. 6. Схема работы “тонкого” клиента

Как видно из схемы, реализация двух систем имеет определенные различия. Первая посылает на сервер только команды для получения данных с датчиков, в то время как все механизмы обработки информации, карты местности и формы отчетов находятся на стороне клиента. Во второй реализации на компьютере клиента установлен только Интернет-браузер и вся информация, такая, как информация с датчиков, карты местности, расположение зон распространения приходит, с сервера, т.е. вся логика и все механизмы обработки находятся на серверной стороне, используется механизм активных серверных страниц (ASP.NET).

Подсистемы анализа и отображения информации являются важными инструментами для эффективного и оперативного анализа полученной информации, позволяют на электронной карте или схеме отображать экологическую обстановку и по полученным подсистемой сбора данных строить зоны распространения вредных веществ.

Для измерения концентрации вредных веществ в газоанализаторе используется фотохимический датчик с внутренней поляризацией. К датчику подключен фотоэлемент, который анализирует степень затемнения порошка в специальном барабане. Он отделен от внешней среды газодиффузионной мембраной, проницаемой для кислорода и не проницаемой для жидкости.

Барабан подключен к электромотору, который периодически включается и перемешивает порошок. Кислород из анализируемой газовой среды диффундирует через мембрану к поверхности катода и вступает в химическую реакцию с порошком. После чего фотоэлемент определяет цвет порошка, затемнение которого при постоянной температуре и давлении пропорционален объёмной доле вещества в анализируемой среде.

Чувствительность датчика возрастает при повышении температуры анализируемой среды. Для учета этой зависимости в газоанализаторе применяется автоматическая температурная компенсация с использованием преобразователя температуры, размещенного в корпусе датчика.

Сигналы датчиков подаются на микропроцессор, который выполняет следующие функции: вычисление измеряемой величины; вывод информации на цифровой индикатор и на интерфейс подключения внешних устройств; управление тревожной световой и звуковой сигнализацией; калибровка газоанализатора.

Информационно-измерительная система мониторинга загрязнения приземного слоя атмосферы промышленно развитого региона позволяет непрерывно и оперативно собирать информацию о загрязнении воздуха промышленными предприятиями, а также выдавать рекомендации по снижению выбросов лицу, управляющему технологическим процессом.

Список литературы

1. Анализ современных систем мониторинга воздушной среды промышленных регионов / А.А. Горюнкова, [и др.]// Материалы VI Межд. конф. по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики». Тула:Изд-во ТулГУ. 2010. Т2.

С.245-250.

2. Федеральный Закон "Об охране окружающей природной среды".

1991 г.

3. Постановление Правительства Российской Федерации от 3.08.92 г. N 545 "Об утверждении Порядка разработки и утверждения экологических нормативов выбросов и сбросов загрязняющих веществ в окружающую природную среду, лимитов использования природных ресурсов, размещения отходов".

4. Принципы построения автоматизированной системы экологического мониторинга при выбросах вредных веществ/ В.М. Панарин [и др.] // Экологически устойчивое развитие Центрального федерального округа: докл. науч.-практ. форума / под общ. ред. проф. В.М. Панарина.

Тула:Изд-во ТулГУ, 2008. С.173-182.

V.S. Karpov, V.M. Panarin, A.A. Gorjunkova

INFORMATION AND MEASURING SYSTEM MONITORING OF POLLUTION ATMOSPHERIC BOUNDARY LAYER DEVELOPED REGIONS

The current data collection of environmental information indicating the deficiencies, and proposes a new system of environmental monitoring in the automated mode allows to collect and analyze information on air pollution are described.

Key words: information and measuring system, environmental monitoring, air pollution, the automated system, hazardous substances.

Получено 20.01.12

УДК 504.064

В.С. Карпов, д-р техн. наук, проф., (4872)33-25-20 panarin-tsu@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

В.М. Панарин, д-р техн.наук, проф., (4872)35-37-60, panarin-tsu@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

А.А. Горюнкова, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-37-60, anna zuykova@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ)

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ОЦЕНКИ ЗАГРЯЗНЕНИЙ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

Приводится описание информационно-измерительной системы оценки загрязнения атмосферного воздуха, которая позволяет проводить сбор информации различными типами датчиков, использовать всевозможные технические средства, вести сравнительный анализ полученных данных, а также решать важнейшие задачи, например, определять вклад отдельных предприятий в загрязнение атмосферного воздуха в настоящий момент времени.

Ключевые слова: информационно-измерительная система, экологический мониторинг, загрязнение атмосферы, концентрация, вредные вещества.

Результаты геоэкологических исследований однозначно свидетельствуют о том, что загрязнение приземного слоя атмосферы - самый мощный, постоянно действующий фактор влияния на человека, пищевую цепь и окружающую среду.

В числе важнейших функций управляющих структур в настоящее время является организация мероприятий по снижению загрязнения атмосферного воздуха, предупреждению аварийных выбросов, а также прогно-