CC BY
164
ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ
УДК 502.7:502.55
ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И ВНЕДРЕНИЕ
ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА СБОРА, ОБРАБОТКИ И ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ СОВМЕСТНО С КОМПЛЕКСОМ АППАРАТУРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ «ЭКОМОНИТОР»
В.М. Панарин, А. А. Горюнкова
Описан усовершенствованный программно-аппаратный комплекс информационно-измерительной и управляющей системы мониторинга атмосферного воздуха, включающий в себя автоматизированную систему сбора, обработки и отображения информации совместно с комплексом аппаратуры для измерения концентраций вредных веществ.
Ключевые слова: экологический мониторинг, загрязнение атмосферы, автоматизированная система, принятие решений.
Понятие мониторинга окружающей среды впервые было введено профессором Р. Манном на Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде в 1972 г. и в настоящее время получило международное распространение и признание.
Мониторингом окружающей среды было предложено называть систему повторных наблюдений одного и более элементов окружающей природной среды в пространстве и во времени с определенными целями в соответствии с заранее подготовленной программой. Однако вскоре стало ясно, что такое определение сужает рамки содержания мониторинга и не позволяет во всей полноте раскрыть его цели и задачи.
Ранее были опубликованы работы по принципам построения, алгоритмам формирования и структуре информационно-измерительной и управляющей системы мониторинга загрязнения атмосферы. На их основе был усовершенствован программно-аппаратный комплекс информацион-
196
но-измерительной и управляющей системы мониторинга атмосферного воздуха, включающий в себя автоматизированную систему сбора, обработки и отображения информации совместно с комплексом аппаратуры для измерения концентраций вредных веществ.
Программно-аппаратный комплекс включает: программу настройки; серверную части;
программу сбора на локальном посту.
Программный комплекс экологического мониторинга состоит из нескольких частей. На компьютере экологического поста устанавливается программа «Ш^аБап» (рис. 1).
В данном окне отображаются название веществ и их значения и имеется возможность отображения данных, снимаемых с метеостанции, таких, как направление ветра, температура и т.п.
Настройка поста осуществляется с помощью специальной программы «ОаБапАёшт» (рис. 2).
Рис. 1. Программа «WinGasan.exe»
Рис. 2. Программа «Gasanadmin. exe»
Форма состоит из следующих полей:
1) «N поста» - информация о номере данного поста (группы датчиков);
2) «Координата Х, Y»- координаты датчика;
3) «N порта» - номер сот-порта, к которому подключен контроллер с датчиками;
4) «Скорость» - скорость порта (9600);
5) «Таймаут» - таймаут порта (300);
6). «Тип» - тип поста (0 - экодатчик, 1 - метеостанция);
7) «БД» - имя базы данных (на Oracle), в которой расположена таблица;
8) «Пользователь»- логин пользователя для доступа;
9) «Пароль»- пароль пользователя для доступа;
10) «Интервал архивирования (дни)» указывает интервал архивирования на локальной БД в днях (доступен не во всех релизах программы);
11) «Интервал съема данных» - интервал, через который осуществляется считывание данных с датчика и производится их запись в локальную БД и центральную БД. Причем, если нет связи с центральной БД, то программа автоматически запоминает данные во время её отсутствия, и как только связь появляется, данные передаются на центральную БД.
Для отображения экологической информации используется программа «Monitor» (рис. 3). Как видно из рис. 3, главное окно программы состоит из панели меню, списка всех датчиков, панели метеоданных, карты с постами.
Меню программы представляет собой две панели: панель меню и панель инструментов. Все пункты меню продублированы на панели инструментов.
Рис. 3. Программа «Monitor.exe»
Для общего доступа к экологической информации можно использовать Веб-интерфейс системы. Доступ к системе защищен паролем и просмотреть данные могут только привилегированные пользователи.
Интернет-сайт предоставляет ту же информацию, что и автоматизированное рабочее место оператора.Благодаря Интернет-сайту система обладает определенными преимуществами по сравнению с другими системами, так как к данной информации можно организовать доступ (в том числе и платный) из любой точки мира.
Разработанная система была апробирована и внедрена на ОАО «Ту-лачермет». Первым шагом при инсталляции системы был выбор оборудования для постов мониторинга, осуществляющих замер. Выбор точек мониторинга и программы осуществлялся по результатам сводных расчетов рассеивания загрязняющих веществ.
Для каждой точки мониторинга была разработана программа наблюдений, включающая перечень веществ, подлежащих контролю, состав средств и методов измерения или расчета, частоту и сроки. Была предложена аппаратная часть системы, которая состоит из нескольких блоков, таких, как блок управления, газоанализаторы, метеостанция, персональный компьютер для сбора локальной информации.
Блок управления «Сирена». К блоку подключаются датчики, а тот, в свою очередь, - к рабочей станции, которая передает информацию на сервер (рис. 4). Датчик «Сирена-А-01.8» предназначен для измерения концентрации оксида серы 802 и имеет диапазон измерения 0,05...1,25 мг/м .Датчик «Сирена-A-01.3» предназначен для измерения концентрации оксида азота N0 и имеет диапазон измерения 0,02.0,5 мг/м . Датчик «Палладий-3» предназначен для измерения концентрации углекислого газа и имеет диапазон измерения 0,01.50 мг/м .
Рис. 4. Блок управления «Сирена-А-М-3» и датчики измерения концентрации веществ
Метеостанция предназначена для измерения метеопараметров, таких, как скорость и направление ветра, температура воздуха, влажность, атмосферное давление (рис.5).
Кроме датчиков, блока управления и метеостанции, в комплексе
присутствует станция для управления датчиками, сервер Oracle или MicrosoftSQLServer и рабочая станция оператора.
Корпус автоматического пункта сбора информации системы мониторинга. Автоматический пункт сбора информации комплектуется современными газоанализаторами отечественного производства для контроля содержания в атмосферном воздухе концентраций оксида углерода (CO), диоксида серы (SO2), диоксида азота (NO2). Данные газоанализаторы размещаются стационарно в металлическом корпусе.
Рис. 5. Метеостанция
Корпус представляет собой полый металлический каркас, выполненный из 3-миллиметровой стали в виде прямоугольного параллелепипеда. Для стационарного размещения газоанализаторов предусмотрены металлические полки, вваренные внутри корпуса, а для возможности установки и эксплуатации приборов на петли надевается дверь. Также предусмотрены замок и два отверстия диаметром по 40 мм для осуществления прокачки воздуха.
Корпус выполнен таким образом, что позволяет стационарно разместить газоанализаторы на три контролируемых газа: «Палладий - 3» (оксид углерода CO), «Сирена А» (диоксид серы SO2), «Сирена А» (диоксид азота NO2). Через два боковых отверстия в стенке корпуса протягиваются шланги, по которым осуществляется прокачка воздуха. Для обеспечения эксплуатации, стационарности и безопасности оборудования к корпусу приварена металлическая дверь.
Корпус с размещенным в нем газоаналитическим оборудованием представляет собой автоматическую станцию сбора информации о загрязнении воздуха.
Требования к рабочей станции:
Процессор - минимальное требование - PentiumIII 600 МГц, рекомендуемое - Celeron 1.7 МГц.
оперативная память - минимальное требование - 64 Мбайт, реко-
мендуемое - 128 Мбайт.
жесткий диск объемом не менее 20 Гбайт. Требования к компьютеру оператора:
процессор: минимальное требование - PentiumIII 600 МГц, рекомендуемое - Celeron 1.7 МГц.
оперативная память: минимальное требование - 128 Мбайт, рекомендуемое - 256 Мбайт.
жесткий диск объемом не менее 20 Гбайт.
Следующим шагом был выбор точек для расстановки постов мониторинга, который производился по методике [16]. Согласно методике оптимальным является выбор шага расчетной сетки 250...300 м для индивидуальных компонент взвешенных веществ и 400.500 м для газообразных примесей.
Были осуществлены нанесение расчетной сетки на векторную карту территории и выбор точек мониторинга. Причем каждая точка мониторинга должна соответствовать следующим критериям [16]:
гарантированно характеризовать зону загрязнения (зона загрязнения определяется по результатам расчетов рассеивания и последующего анализа);
характеризовать уровень воздействия в границах установленной зоны на здоровье населения и окружающую среду в целом;
позволять характеризовать вклады основных источников загрязнения.
При выборе датчиков было использовано правило выбора загрязняющих веществ для проведения измерений - результаты расчетных оценок их приземных концентраций удовлетворяют (одновременно) следующим условиям:
максимальные расчетные концентрации веществ >0,8 ПДК; площадь зоны превышения указанными концентрациями уровня 0,5 ПДК в жилой застройке превышает 5 км ;
вклад неорганизованных выбросов рассматриваемого предприятия, в концентрации точках зоны превышения указанными концентрациями уровня 0,5 ПДК в жилой застройке составляет не менее 50 %.
При одновременном выполнении вышеуказанных условий, исходя из результатов расчетов загрязнения атмосферы, выбирались несколько контрольных точек таким образом, чтобы наблюдаемые в них уровни концентраций в максимально возможной степени характеризовали воздействие конкретного источника на атмосферный воздух при определенных метеоусловиях. Измерения на границе ближайшей жилой застройки следует выполнять при тех же метеоусловиях, которым соответствуют значения расчетных концентраций в контрольных точках.
Отбор проб в контрольных точках выполняется при тех же метеоусловиях, которым соответствуют значения расчетных концентраций в
контрольных точках. Одновременно с отбором проб с помощью метеостанции (см. рис.5.) измеряются метеорологические параметры: температура воздуха, скорость и направление ветра, состояние погоды в период отбора.
Схема расположения постов представлена на рис. 6.
На схеме буквами «И» с соответствующим номером обозначены источники загрязнения, которые представляют себой доменные печи. Буквами «П» в ромбах обозначены установленные посты мониторинга. Посты установлены так, чтобы максимально учесть влияние выбросов на жилой массив, расположенный с двух сторон завода.
Рис. 6. Схема расположения экологических постов на ОАО «Тулачермет»
Результаты наблюдений одного из постов, расположенных на ОАО «Тулачермет», представлены в виде графика (рис. 7).
I, ч
Рис. 7. Результаты замеров за сутки
Благодаря информации, полученной при использовании метода определения вклада каждого источника выброса вредных веществ в общий выброс, позволяющий выделить источники с предельно допустимыми выбросами, на ОАО «Тулачермет» был осуществлен ввод в работу в цехе № 6 аспирации на обжиговой печи известняка, после чего выброс вредных веществ на этом участке уменьшился на 30 %. По результатам производимых системой измерений, контролирующих этот участок, после проведенных мероприятий проводилась обработка полученных данных, для чего была взята выборка из 100000 результатов измерений. Для оксида углерода (СО) среднее значение концентрации составило
3 3
3.1 мг/м , для диоксида серы (802) - 0,25 мг/м , для диоксида азота (К"02) -0,1 мг/м . Среднеквадратическое отклонение составляло: для СО -
3 3 3
1.2 мг/м , для 802 - 0,18 мг/м , для N0 - 0,03 мг/м . Максимально-разовые предельно-допустимые концентрации, при которых в организме человека не происходит рефлекторных реакций, для данных веществ составляют:
3 3 3
для СО - 5 мг/м , для 802 - 0,5 мг/м , для N0 - 0,4 мг/м . Кроме того, на основании рекомендаций системы удалось снизить на 8 % выбросы источников в цехах 17 и 18.
Благодаря проведенным мероприятиям частота фиксации превышения предельной концентрации автоматизированной системой уменьшилась на 12 %.
Передвижная лаборатория ОАО «Тулачермет» проводила проверку достоверности показаний программно-аппаратного комплекса, в ходе которой были зафиксированы расхождения на уровне погрешности приборов, для С0 отклонение расчетных значений от измеряемых составило 5 %, для 802 - 9 %, N0 - 11 %. Данная лаборатория прошла проверку состояния измерений с целью установления соответствия условий выполнения измерений требованиям Российского законодательства в области обеспечения единства измерений в соответствии с МИ 2427-97 (с изменениями №1) «Рекомендации. Государственная система обеспечения единства измерений. Оценка состояния измерений в испытательных и измерительных лабораториях», 2002 г.
Оценка состояния измерений для официального удостоверения наличия в лаборатории условий, необходимых для выполнения измерений, проводилась на договорной основе организациями: метрологической службой федеральных органов исполнительной власти; государственным метрологическим центром или органом государственной метрологической службы (в лабораториях, осуществляющих производственный экологический контроль, оценку состояния измерений проводят перечисленные выше органы совместно с территориальными органами по охране окружающей среды).
Материалы подготовлены в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых -
кандидатов наук и докторов наук (конкурс 2013-2014 годов).
Список литературы
I. Бурман В.М., Кропотов Ю.А. Автоматизированная распределенная система экологического мониторинга окружающей среды модульного типа // Известия ОрелГТУ. Информационные системы и технологии. 2008. № 1-2/269(544). С. 53-57.
3. Суворова Г.П. Автоматизированная система экологического контроля предприятия // Методы и устройства передачи и обработки информации: межвуз. сб. научн. тр. Вып. 4 / под ред. В.В. Ромашова, В.В. Булкина. СПб.: Гидрометеоиздат, 2004. С. 347.
6. Безопасность и риск при техногенных воздействиях: монография/
B.М. Панарин [и др.]. Тула: Из-во ТулГУ, 2006. 164 с.
9. Бизикин А.В. Принципы построения автоматизированной системы экологического мониторинга при выбросах вредных веществ / А.В. Бизикин [и др.] // Экологически устойчивое развитие центрального федерального округа: докл. науч.-практ. форума / под общ. ред. проф. В.М. Па-нарина, Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. С.173-182.
II. Автоматизированная система сбора и анализа экологической информации о загрязнении атмосферного воздуха / А. А. Горюнкова [и др.] // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2013. № 1.
C. 9-11.
Панарин Владимир Михайлович, д-р техн. наук, проф., panarin-tsu@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Горюнкова Анна Александровна, канд. техн. наук, доц., anna zuykova@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
FEASIBILITY ANDIMPLEMENTA TION OF SOFTWAREAND HARD WARE SYSTEMFOR
COLLECTING, PROCESSING AND DISPLAY TOGETHER WITH A SET OF INSTRUMENTA TION FOR MEASURING CONCENTRA TION OF HARMFUL
SUBSTANCES "ECOMONITOR"
V.M. Panarin,A.A. Goryunkova
An improved software and hardware awareness-measurement and control systemof air monitoring, including automated system for collecting, processing and displaytogether with a setof equipment formeasuring the concentrations ofharmful substances are described.
Key words: environmental monitoring, atmospheric pollution, the automated system, decision-making.
Panarin Vladimir Mihaylovich, doctor of technical sciences, professor, panarin-tsu@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Goryunkova Anna Alexandrovna, candidate of technical sciences, docent, anna zuykova@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 502.7:502.55
ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И ВНЕДРЕНИЕ ПРОГРАММНОГО МОДУЛЯ РАСЧЕТА И ОТОБРАЖЕНИЯ ЗОН ПОРАЖЕНИЯ ПРИ АВАРИЯХ С ВЫБРОСОМ ОПАСНЫХ ХИМИЧЕСКИХ
ВЕЩЕСТВ
В.М. Панарин, А. А. Горюнкова
Описан усовершенствованный программный модуль, который является частью информационно-измерительной и управляющей системы монитринга загрязнения атмосферы и предназначен для прогнозирования последствий чрезвычайных ситуаций, связанных с разливом опасных химических веществ и построением сектора возможного заражения на электронной карте местности.
Ключевые слова: чрезвычайная ситуация, опасное химическое вещество, загрязнение атмосферы, автоматизированная система, принятие решений.
Специфика работы в чрезвычайных ситуациях предполагает, что данные должны быть не только получены, но и интерпретированы. Для этого на сегодняшний день существуют модели развития чрезвычайных ситуаций. В частности, чтобы оценить характер опасности при разливе аварийно - химически опасных веществ (АХОВ), надо рассчитать максимальную площадь заражения. Исходя из площади заражения уже принимаются решения об эвакуации тех или иных учреждений. Для расчета требуется немало времени, а время на принятие решения, как уже говорилось, ограничено.
Кроме задачи оперативного реагирования, существует задача моделирования чрезвычайных ситуаций для проведения учений. Учения проводятся для отработки взаимодействия между различными подразделениями, участвующими в ликвидации аварий. Для этого также необходимо проводить математические расчеты. Следующей важной задачей является сохранение результатов моделирования в базе знаний для последующего использования полученного опыта при ликвидации аварий. Восстановление картины аварии требуется и для чрезвычайных комиссий, расследующих причину катастроф.
Развитие вычислительной техники, широкое применение мощных современных компьютеров для решения экологических задач позволило разрабатывать новые сложные математические модели и проводить моделирование протекающих процессов в реальном масштабе времени.
205
