CC BY
67
УДК 004.891.3:543
МУЛЬТИСЕНСОРНЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР КАК СРЕДСТВО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ЖИЛЫХ ПОМЕЩЕНИЙ И ОФИСОВ
А.Н. Перегудов, А.В. Калач, А.Г. Горшков
На основании использования нейросетевых методов хемометрики проведено моделирование интеллектуального мультисенсорного газоанализатора типа «электронный нос». Полученные результаты позволили создать действующий прототип системы, способный функционировать в условиях неполноты и противоречивости данных Ключевые слова: искусственная нейронная сеть, распознавание образов, математическая модель
Современный период развития жилищного строительства характеризуется сближением отечественных и зарубежных требований к качеству выполняемых работ, ростом запросов потребителей к экологии жилища и к комфортности проживания в нем. Все это диктует необходимость повышения уровня экологической безопасности строительных материалов, изделий и конструкций [1].
Миграция токсичных веществ из полимерных материалов происходит вследствие деструкции, под действием химических и физических факторов (окисления, перепадов температуры, инсоляции и др.), в связи с недостаточной экологической чистотой исходного сырья, нарушением технологии их производства или использованием не по назначению. Уровень выделения газообразных токсичных веществ заметно увеличивается при повышении температуры на поверхности полимерных материалов и относительной влажности воздуха в помещении. Выделение газообразных токсичных веществ в результате горения полимерных строительных материалов. Известно, что термическое разложение 1 кг полимера дает газообразных токсичных веществ, в количестве достаточном для отравления воздуха в помещении объемом 2000 м3. У человека, находящегося в таком помещении, через 10—15 мин. возникает тяжелое отравление или даже гибель.
Токсичность строительных материалов оценивают путем сравнения их состава с ПДК выделяющихся токсичных веществ [2]. С точки зрения токсичности основным источником экологической опасности в жилых зданиях являются полимерные строительные материалы и особенно выделение газообразных токсичных веществ в результате горения полимерных строительных материалов.
Статья посвещена оценке негативного воздействия на организм человека токсичных веществ выделяющих при эксплуатации. Спектр применения полимеров в строительстве весьма широк. При оценке экологической чистоты полимерных строительных материалов руководствуются следующими основными требованиями к ним: полимерные материалы не должны создавать в помещении стойкого специфического запаха; выделять в воздух летучие вещества в опасных для человека концентрациях; стимулировать развитие патогенной микрофлоры
Перегудов Александр Николаевич - ВИ ГПС МЧС России, канд.техн.наук, тел. 8-473-236-33-05 Калач Андрей Владимирович - ВИ ГПС МЧС России, канд. хим. наук, доцент, тел. 8-473-236-33-05 Горшков Александр Геннадьевич - ВИ ГПС МЧС России, канд. физ-мат. наук, е-шай: gorasic@mail.ru
на своей поверхности; ухудшать микроклимат помещений; должны быть доступными влажной дезинфекции; напряженность поля статического электричества на поверхности полимерных материалов не должна быть больше 150 В/см (при относительной влажности воздуха в помещении 60—70%)[3].
Многочисленные исследования показали, что практически все полимерные строительные и отделочные материалы, созданные на основе низкомолекулярных соединений, в процессе использования могут выделять (мигрировать) токсичные летучие компоненты, которые при длительном воздействии могут неблагоприятно влиять на живые организмы, в том числе и на здоровье человека. К таким опасным химическим соединениям, выделяющимся в атмосферу жилища из полимерных строительных материалов, относят изоцианты, фенол и его производные, бензол, толуол, амины и др.
Вредное воздействие этих веществ приводит к астме, аллергии и усиливается при нагревании солнечными лучами или теплом от отопительных батарей. Для облегчения работы с полимерными связующими или для улучшения их свойств используют растворители, пластификаторы и др. (алиратические углеводороды).
Опасность могут представлять не только краски и лаки в момент их нанесения и вдыхания их паров и непосредственно во время проведения ремонта, но и обычный линолеум, пенопласт, используемый для утепления, и даже мебель, изготовленная из популярных и недорогих материалов (например, из древесно-стружечных или древесноволокнистых плит). Самое главное, что с течением времени концентрация вредных веществ увеличивается в штукатурке, обоях, плинтусах - поэтому периодически нужно проводить мониторинг жилища.
В настоящее время спроектировать систему практически любой сложности для обнаружения возгорания и выдачи команды на запуск систем оповещения о пожаре находящихся в здании людей, далее пожарная сигнализация выдает управляющий сигнал на запуск систем автоматического пожаротушения и формирует команды на выключение приточной вентиляции и включение системы дымоудаления на путях эвакуации, но для этого необходимы датчики (системы) раннего оповещения, способные реально анализировать содержание газообразных токсичных веществ и управлять уже имеющимися сигнально-пусковыми устройствами.
Проведя анализ можно сделать вывод о целесообразности использования в качестве датчиков раннего обнаружения, газообразных токсичных
веществ из например полимерных строительных материалов, мультисенсорных систем типа «Электронный нос». В основе их работы заложен процесс анализа газовой смеси.
Рассматриваемая система в ближайшие годы может стать ключевым направлением развития индустрии безопасности. Она имеет широкий спектр применения и открывает новые возможности для существенного повышения (в десятки раз) тактико-технических характеристик систем безопасности. По своей сути варианты ее исполнения являются инновационными, поскольку направлены на создание, главным образом, новой продукции, востребованной рынком систем безопасности. Сферы и прогнозируемые доли применения системы «Электронный нос» приведены на диаграмме (рис. 1) [4]. Из диаграммы видно, что наибольшую область применения данной системы нашли такие сферы как: экология (контроль состояния атмо-
сферы, вредных выбросов на промышленных предприятиях, выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания и т.п.); безопасность (обнаружение взрывчатых веществ, ядов, наркотиков, системы ранней пожарной сигнализации, датчики охранной сигнализации, системы обнаружения оружия мас-
Рис. 1. Сфера применения газоанализатора типа «Электронный нос»
Мультисенсорная система типа "Электронный нос" - это принципиально новое направление индустрии безопасности.
Более подробно рассмотрим сферы возможности применения «электронного носа» в задачах обеспечения безопасности объектов: 1) Системы сверхранней пожарной сигнализации. Система функционирует по принципу аспирационного обнаружения летучих продуктов возгорания размерами 3-300 нм, образующихся на стадии нагрева изоляции электрооборудования. Технология обнаружения наноразмерных частиц продуктов нагрева позволит существенно (в десятки раз) уменьшить время обнаружения пожароопасной ситуации. 2) Быстрое тестирование безопасности новых материалов, продуктов их сгорания и составов для пожаротушения. 7) Сенсоры утечки различных веществ в промышленности. 8) Сенсоры горючих газов в горнодобывающей промышленности. 9) Обнаружение запахов во вредных условиях (радиа-
ция, отравляющие вещества, высокие температуры и т. п.).
В связи со сложностью распознавания образов значительно возрастают и требования по оперативности получения результатов и необходимости распознавания сразу нескольких одорантов, и возникает необходимость в применении методов математического моделирования для создания моделей систем типа «электронный нос». Такой подход обеспечивает сокращение расходов на разработку системы.
Проведенный анализ существующих моделей систем обоняния позволил выбрать в качестве базовой модели, для создания устройства, позволяющего проводить неразрушающий анализ веществ и строительных материалов, многоуровневую нейронную модель, описывающую механизм работы обонятельной системы. Такой выбор обусловлен максимальной схожестью модели со своим биологическим аналогом и простотой и возможностью варьирования параметров программной реализации.
Согласно этой модели, обонятельная система представляется в виде трех подсистем взаимодействия: 1-ая подсистема - сбор первичной информации; 2-ая подсистема - передача посредством ПЛИС на ЭВМ; 3-ая подсистема - программный модуль сбора, обработки и последующего анализа сигналов пьезосенсоров.
Нейронная сеть входящая в разработанную систему не забывает ранее сформированные навыки, ускоряя, таким образом, свое дообучение после коррекции архитектуры или входных данных, также она способна сама выделить наиболее информативные для задачи входные сигналы тем самым повысить надежность принятия решения.
Руководствуясь выбранной моделью, создан электронный аналог системы обоняния человека - система типа «электронный нос». В качестве обонятельных рецепторов электронного носа выбраны пьезосенсоры. Аналоговые сигналы, формируемые пьезокварцевыми резонаторами, необходимо преобразовать к виду, который может быть использован для последующей компьютерной обработки. Для этого целесообразно использовать программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС), поддерживающую функцию внутрисхемного программирования.
После необходимо осуществлять компьютерную обработку информации на основе использования ИНС. Таким образом, устройство типа «электронный нос» (ЭН) представляет собой аналитический инструмент, состоящий из трех блоков: 1) набор слабоселективных сенсоров с перекрестной специфичностью к различным веществам; 2) система сбора данных и передачи информации с гибкой структурой, поддерживающую функцию внутрисхемного программирования; 3) система обработки сигналов с использованием математических методов распознавания образов (искусственные нейронные сети), позволяющие проводить качественный и количественный анализ газов, паров веществ и за-
пахов [5-7]. В процессе проведения опыта происходит фиксирование сигнала, поступающего с каждого обонятельного рецептора - пьезосенсора. Каждый такой элемент технического устройства обладает индивидуальной восприимчивостью к отдельному одоранту, поэтому различие частотных сигналов очевидно. Кроме того, по мере прохождения воздушного потока концентрация одоранта меняется, поэтому в различные моменты времени один и тот же пьезосенсор будет иметь отличные друг от друга резонансные частоты.
Результатом анализа газовой смеси должна быть идентификация содержащихся в ней веществ. Естественно, что такой результат является текстовым, и для использования нейросети его необходимо закодировать. Для кодировки результатов анализа было принято решение о присвоении каждому одоранту уникального кода, по которому при формировании итогового отчета можно было бы восстановить текстовое представление выходных данных. При этом используется принцип увеличения расстояния между одорантами, т.е. присваивать веществам не порядковые номера, а числовые значения, стоящие далеко друг от друга. Код каждого вещества является уникальным числовым идентификатором одоранта, по которому происходить поиск в базе данных соответствующих характеристик вещества для формирования итогового отчета, содержащего результаты анализа газовой смеси.
Проведенные исследования позволяют предложить следующую схему организации аналитического контроля органических токсикантов с использованием газоанализатора типа «электронный нос» в составе интегрированного комплекса (рис.2).
Система ох Охранная сигнализация
МИР
Созданная измерительная система со своими функциональным возможностям, дает нам полное право говорить о целесообразности ее применения, для мониторинга и контроля токсичности окружающей среды поскольку анализатор не пассивно отражает информацию о воздействии анализируемой среды, а проводит процесс самонастройки на данный аналит, компенсирует неточность поступающей информации и выдает результат. Также данная система может быть использована для управления сигнально-пусковыми устройствами. Кроме того, следует отметить быстроту проводимого анализа, а также малогабаритность измерительной системы.
Литература
1. Ю.И. Киреева Строительные материалы / Ю.И. Киреева, О.В. Лазоренко. - Ростов: Феникс, 2010. - 349с.
2. Б.Т. Бадагуев Экологическая безопасность предприятия. Приказы, акты, инструкции, журналы, положения, планы / АЛЬФА. - 2011.
3. В. Т. Медведева Инженерная экология/ - М.: -2002.- 687 с.
4. Н.В. Долгополов Яблоков М. «Электронный нос» - новое направление индустрии безопасности // Мир и безопасность. - 2007. - №3. - С. 54-59.
5. Хайкин С. Нейронные сети: полный курс. 2-е изд. М., "Вильямс", 2006.
6. А.Н. Перегудов, А.В. Калач, А.М. Чуйков, А.А. Исаев О возможности использования системы типа «Электронный нос» для оценки уровня токсичности газов и паров при эксплуатации строительных материалов // Интернет-журнал «Технологии техносферной безопасности» №2 (36)-апрель 2011 г. С. 1-8
7. А.Н. Перегудов, А.В. Калач, А.М. Чуйков, А.А. Разработка мультисенсорного газоанализатора для анализа горючих газов // Пожаровзрывобезопас-ность.-№1.-2011 г.- С.54-56.
Рис. 2. Схема организации анализа токсикантов
Воронежский институт государственной противопожарной службы МЧС России
MULTITOUCH GAS ANALYZER AS MEANS OF MAINTENANCE OF ECOLOGICAL SAFETY OF PREMISES AND OFFICES A.N. Peregudov, A.V. Kalach, A.G. Gorshkov
On the basis of use neural methods of chemometric modelling of intellectual multitouch gas analyzer of type «electronic nose» is spent. The received results have allowed to create operating prototype of the system, capable to function in the conditions of incompleteness and discrepancy of the data
Key words: artificial neural network, pattern recognition, mathematical model
