Автоматизированная система экологического мониторинга и прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха промышленного региона
AUTOMATED SYSTEM FOR ENVIRONMENTAL MONITORING AND PREDICTION OF ATMOSPHERIC AIR POLLUTION OF INDUSTRIAL REGION

Изобретение относится к экологическим системам сбора и обработки информации и может быть использовано для проведения прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха промышленного региона.
Известны средства экологического мониторинга, основанные на способах анализа технологий предприятий - загрязнителей окружающей среды и средствах контроля технологических процессов (заявка РСТ № WO 89/06079, кл. Н04М 11/00, 1989; Патент США №3819862, 179-2А, 1974; патент Великобритании №2179480, кл. G08B 25/00, 1987).
Недостатками известных устройств являются низкая оперативность и точность оценки загрязнения атмосферы, отсутствие коррекции прогнозных значений по текущим данным, что снижает эффективность выработки рекомендаций по снижению выбросов загрязняющих веществ.
Известна система экологического мониторинга атмосферного воздуха промышленного региона (патент РФ №2380729, МПК G01W 1/00, 04.06.2008), содержащая первую и вторую группы датчиков экологического контроля состояния среды, средства радиосвязи датчиков второй группы с аппаратурой городской телефонной сети, центральный диспетчерский пункт, быстродействующие газовые датчики экологического контроля состояния атмосферы, систему GPS, мобильную телефонную систему, электротранспортные единицы, метеостанцию, группу датчиков замеров концентраций загрязняющих веществ непосредственно с источников загрязнения, центр моделирования, центр обработки и сравнения данных.
Недостатком системы является низкая точность прогнозирования загрязнения атмосферы промышленного региона при отсутствии коррекции прогнозных значений загрязнения атмосферы по текущим данным, что снижает достоверность информации об экологической обстановке и эффективность выработки рекомендаций по снижению выбросов загрязняющих веществ.
Известна система экологического мониторинга и прогнозирования загрязнения атмосферы промышленного региона (патент РФ №2466434, МПК G01W 1/00, 10.11.2012), содержащая группу датчиков экологического контроля состояния атмосферы промышленного региона, группу датчиков замеров концентраций загрязняющих веществ непосредственно с источников загрязнения, метеостанцию, соединенных с первым блоком моделирования, первую группу задатчиков концентраций загрязняющих веществ от источников загрязнения, соединенных со вторым блоком моделирования, центральный диспетчерский пункт, соединенный через задатчик времени и блок моделирования метеопараметров со вторым блоком моделирования.
Недостатком системы является низкая точность прогнозирования загрязнения атмосферы промышленного региона при отсутствии коррекции прогнозных значений загрязнения атмосферы по текущим данным, что снижает достоверность информации об экологической обстановке и эффективность выработки рекомендаций по снижению выбросов загрязняющих веществ.
Прототипом является система экологического мониторинга и прогнозирования загрязнения атмосферы промышленного региона (патент РФ №2661444, МПК G01W 1/00, 16.07.2018),содержащая группу датчиков экологического контроля состояния атмосферы промышленного региона, группу датчиков замеров концентраций загрязняющих веществ непосредственно с источников загрязнения, метеостанцию, первый, второй и третий блоки моделирования, первую и вторую группу задатчиков концентраций загрязняющих веществ, центральный диспетчерский пункт, задатчик времени, блок моделирования метеопараметров, блок выдачи рекомендаций по снижению выбросов при неблагоприятных метеорологических ситуациях, первый и второй блоки управления задатчиками концентраций загрязняющих веществ, первую, вторую и третью группы блоков прогнозирования загрязнения атмосферы, группу блоков сравнения прогнозных и реальных значений загрязнения атмосферы, первую и вторую группы блоков коррекции прогнозных значений загрязнения атмосферы, группу задатчиков предельно допустимых значений загрязнения атмосферы, первую, вторую и третью группы блоков фиксирования превышения загрязнения атмосферы предельно допустимых значений.
Недостатком прототипа является низкая точность определения загрязнения атмосферного воздуха промышленного региона по данным датчиков замеров концентраций загрязняющих веществ непосредственно с источников загрязнения и низкая эффективность выработки рекомендаций по снижению выбросов загрязняющих веществ с источников загрязнения при неблагоприятных метеорологических условиях для предотвращения случаев превышения предельно допустимых значений загрязнения атмосферного воздуха на территории промышленного региона.
Задачей изобретения является повышение точности определения загрязнения атмосферного воздуха промышленного региона по данным датчиков замеров непосредственно с источников загрязнения и эффективности выработки рекомендаций промышленным предприятиям по снижению выбросов загрязняющих веществ для предотвращения случаев превышения предельно допустимых значений при неблагоприятных метеорологических условиях.
Для решения поставленной задачи в автоматизированную систему экологического мониторинга и прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха промышленного региона, содержащую группу датчиков экологического контроля состояния атмосферы промышленного региона, группу датчиков замеров концентраций загрязняющих веществ непосредственно с источников загрязнения и метеостанцию, соединенных с первым блоком моделирования, первую группу задатчиков концентраций загрязняющих веществ от источников загрязнения, соединенных со вторым блоком моделирования, центральный диспетчерский пункт, соединенный через задатчик времени и блок моделирования метеопараметров со вторым блоком моделирования, вторую группу задатчиков концентраций загрязняющих веществ от источников загрязнения, третий блок моделирования, блок выдачи рекомендаций по снижению выбросов загрязняющих веществ с источников загрязнения при неблагоприятных метеорологических ситуациях, первый и второй блоки управления задатчиками концентраций загрязняющих веществ, первую, вторую и третью группы блоков прогнозирования загрязнения атмосферы, группу блоков сравнения прогнозных и реальных значений загрязнения атмосферы, первую и вторую группы блоков коррекции прогнозных значений загрязнения атмосферы, группу задатчиков предельно допустимых значений загрязнения атмосферы, первую, вторую и третью группы блоков фиксирования превышения загрязнения атмосферы предельно допустимых значений, выходы второй группы задатчиков концентраций загрязняющих веществ от источников загрязнения соединены с входами третьего блока моделирования, выходы первого, второго и третьего блоков моделирования соединены с входами первой, второй и третьей групп блоков прогнозирования загрязнения атмосферы соответственно, выходы группы датчиков экологического контроля состояния атмосферы промышленного региона соединены с входами центрального диспетчерского пункта и первыми входами группы блоков сравнения прогнозных и реальных значений загрязнения атмосферы и первой группы блоков фиксирования превышения загрязнения атмосферы предельно допустимых значений, вторые входы первой группы блоков фиксирования превышения загрязнения атмосферы предельно допустимых значений соединены с выходами группы задатчиков предельно допустимых значений загрязнения атмосферы, выходы второй и третьей групп блоков прогнозирования загрязнения атмосферы соединены с первыми входами первой и второй групп блоков коррекции прогнозных значений загрязнения атмосферы, выходы первой и второй групп блоков коррекции прогнозных значений загрязнения атмосферы соединены с первыми входами второй и третьей групп блоков фиксирования превышения загрязнения атмосферы предельно допустимых значений соответственно, вторые входы второй и третьей групп блоков фиксирования превышения загрязнения атмосферы предельно допустимых значений соединены с выходами группы задатчиков предельно допустимых значений загрязнения атмосферы, блок моделирования метеопараметров соединен с третьим блоком моделирования, выходы первой и второй групп блоков коррекции прогнозных значений загрязнения атмосферы, первой, второй и третьей групп блоков фиксирования превышения загрязнения атмосферы предельно допустимых значений соединены с входами центрального диспетчерского пункта, вход блока выдачи рекомендаций по снижению выбросов загрязняющих веществ с источников загрязнения при неблагоприятных метеорологических ситуациях соединен с центральным диспетчерским пунктом, выходы первого и второго блоков управления задатчиками концентраций загрязняющих веществ соединены с первой и второй группами задатчиков концентраций загрязняющих веществ, вторая группа задатчиков концентраций загрязняющих веществ выполнена корректируемой и имеющей дополнительный вход коррекции и в устройство дополнительно введены первая группа интегрирующих модулей, первая группа блоков хранения значений рассогласования, группа блоков коррекции рассогласования значений загрязнения атмосферы, вторая группа интегрирующих модулей, вторая группа блоков хранения значений рассогласования, регистратор значений группы датчиков замеров концентраций загрязняющих веществ непосредственно с источников загрязнения, выходы первой группы блоков прогнозирования загрязнения атмосферы соединены с информационными входами группы блоков коррекции рассогласования значений загрязнения атмосферы, выходы группы блоков коррекции рассогласования значений загрязнения атмосферы соединены с вторыми входами группы блоков сравнения прогнозных и реальных значений загрязнения атмосферы, выходы группы блоков сравнения прогнозных и реальных значений загрязнения атмосферы через первую группу интегрирующих модулей и первую группу блоков хранения значений рассогласования соединены с корректирующими входами группы блоков коррекции рассогласования значений загрязнения атмосферы, выходы первой группы блоков хранения значений рассогласования соединены с вторыми входами первой и второй групп блоков коррекции прогнозных значений загрязнения атмосферы, выходы третьей группы блоков фиксирования превышения загрязнения атмосферы предельно допустимых значений через вторую группу интегрирующих модулей соединены с второй группой блоков хранения значений рассогласования, выходы второй группой блоков хранения значений рассогласования соединены с входами коррекции второй группы задатчиков концентраций загрязняющих веществ и центральным диспетчерским пунктом, входы регистратора значений группы датчиков замеров концентраций загрязняющих веществ непосредственно с источников загрязнения соединены с выходами группы датчиков замеров концентраций загрязняющих веществ непосредственно с источников загрязнения, выход регистратора значений группы датчиков замеров концентраций загрязняющих веществ непосредственно с источников загрязнения соединен с входами первого и второго блоков управления задатчиками концентраций загрязняющих веществ и центрального диспетчерского пункта.
На фигуре представлена структурная схема автоматизированной системы экологического мониторинга и прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха промышленного региона.
Система содержит группу датчиков замеров концентраций 1 загрязняющих веществ непосредственно с источников загрязнения, метеостанцию 2, соединенных с первым блоком моделирования 3, группу датчиков экологического контроля 4 состояния атмосферы промышленного региона, первую группу задатчиков 5 концентраций загрязняющих веществ от источников загрязнения, соединенных со вторым блоком моделирования 6, центральный диспетчерский пункт 7, соединенный через задатчик времени 8 и блок моделирования метеопараметров 9 со вторым блоком моделирования 6, вторую группу задатчиков 10 концентраций загрязняющих веществ от источников загрязнения, соединенный с третьим блоком моделирования 11, блок выдачи рекомендаций 12 по снижению выбросов загрязняющих веществ с источников загрязнения при неблагоприятных метеорологических ситуациях, первый 13 и второй 14 блоки управления задатчиками концентраций загрязняющих веществ, первую 15, вторую 16 и третью 17 группы блоков прогнозирования загрязнения атмосферы, группу блоков сравнения 18 прогнозных и реальных значений загрязнения атмосферы, первую 19 и вторую 20 группы блоков коррекции прогнозных значений загрязнения атмосферы, группу задатчиков 21 предельно допустимых значений загрязнения атмосферы, первую 22, вторую 23 и третью 24 группы блоков фиксирования превышения загрязнения атмосферы предельно допустимых значений, выходы второй группы задатчиков 10 концентраций загрязняющих веществ от источников загрязнения соединены с входами третьего блока моделирования 11, выходы первого 3, второго 6 и третьего 11 блоков моделирования соединены с входами первой 15, второй 16 и третьей 17 групп блоков прогнозирования загрязнения атмосферы соответственно, выходы группы датчиков экологического контроля 4 состояния атмосферы промышленного региона соединены с входами центрального диспетчерского пункта 7 и первыми входами группы блоков сравнения 18 прогнозных и реальных значений загрязнения атмосферы и первой 22 группы блоков фиксирования превышения загрязнения атмосферы предельно допустимых значений, вторые входы первой группы 22 блоков фиксирования превышения загрязнения атмосферы предельно допустимых значений соединены с выходами группы задатчиков 21 предельно допустимых значений загрязнения атмосферы, выходы второй 16 и третьей 17 групп блоков прогнозирования загрязнения атмосферы соединены с первыми входами первой 19 и второй 20 групп блоков коррекции прогнозных значений загрязнения атмосферы, выходы первой 19 и второй 20 групп блоков коррекции прогнозных значений загрязнения атмосферы соединены с первыми входами второй 23 и третьей 24 групп блоков фиксирования превышения загрязнения атмосферы предельно допустимых значений соответственно, вторые входы второй 23 и третьей 24 групп блоков фиксирования превышения загрязнения атмосферы предельно допустимых значений соединены с выходами группы задатчиков 21 предельно допустимых значений загрязнения атмосферы, блок моделирования метеопараметров 9 соединен с третьим блоком моделирования 11, выходы первой 19 и второй 20 групп блоков коррекции прогнозных значений загрязнения атмосферы, первой 22, второй 23 и третьей 24 групп блоков фиксирования превышения загрязнения атмосферы предельно допустимых значений соединены с входами центрального диспетчерского пункта 7, вход блока выдачи рекомендаций 12 по снижению выбросов загрязняющих веществ с источников загрязнения при неблагоприятных метеорологических ситуациях соединен с центральным диспетчерским пунктом 7, выходы первого 13 и второго 14 блоков управления задатчиками концентраций загрязняющих веществ соединены с первой 5 и второй 10 группами задатчиков концентраций загрязняющих веществ, вторая 10 группа задатчиков концентраций загрязняющих веществ выполнена корректируемой и имеющей дополнительный вход коррекции, первую 25 группу интегрирующих модулей, первую 26 группу блоков хранения значений рассогласования, группу блоков коррекции рассогласования 27 значений загрязнения атмосферы, вторую 28 группу интегрирующих модулей, вторую 29 группу блоков хранения значений рассогласования, регистратор 30 значений группы датчиков замеров концентраций загрязняющих веществ непосредственно с источников загрязнения, выходы первой 15 группы блоков прогнозирования загрязнения атмосферы соединены с информационными входами группы блоков коррекции рассогласования 27 значений загрязнения атмосферы, выходы группы блоков коррекции рассогласования 27 значений загрязнения атмосферы соединены с вторыми входами группы блоков сравнения 18 прогнозных и реальных значений загрязнения атмосферы, выходы группы блоков сравнения 18 прогнозных и реальных значений загрязнения атмосферы через первую 25 группу интегрирующих модулей и первую 26 группу блоков хранения значений рассогласования соединены с корректирующими входами группы блоков коррекции рассогласования 27 значений загрязнения атмосферы, выходы первой 26 группы блоков хранения значений рассогласования соединены с вторыми входами первой 19 и второй 20 групп блоков коррекции прогнозных значений загрязнения атмосферы, выходы третьей 24 группы блоков фиксирования превышения загрязнения атмосферы предельно допустимых значений через вторую 28 группу интегрирующих модулей соединены с второй 29 группой блоков хранения значений рассогласования, выходы второй 29 группы блоков хранения значений рассогласования соединены с входами коррекции второй 10 группы задатчиков концентраций загрязняющих веществ и центральным диспетчерским пунктом 7, входы регистратора 30 значений группы датчиков замеров концентраций загрязняющих веществ соединены с выходами группы датчиков замеров концентраций 1 загрязняющих веществ непосредственно с источников загрязнения, выход регистратора 30 значений группы датчиков замеров концентраций загрязняющих веществ непосредственно с источников загрязнения соединен с входами первого 13 и второго 14 блоков управления задатчиками концентраций загрязняющих веществ и центрального диспетчерского пункта 7.
Автоматизированная система экологического мониторинга и прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха промышленного региона работает следующим образом.
Датчики замеров концентраций 1 загрязняющих веществ непосредственно с источников загрязнения замеряют в непрерывном режиме концентрации загрязняющих веществ непосредственно из источников (труб) и передают данные замеров в первый блок моделирования 3. Также на первый блок моделирования 3 поступают текущие метеорологические данные от метеостанции 2.
На основе полученных исходных данных первый блок моделирования 3 определяет концентрации загрязняющих веществ именно в тех точках на территории промышленного региона, где территориально расположены датчики экологического контроля 4 состояния атмосферы промышленного региона.
Полученные значения блок моделирования 3 передает первой 15 группе блоков прогнозирования загрязнения атмосферы. Затем данные поступают на группу блоков коррекции рассогласования 27 значений загрязнения атмосферы, который предназначен для повышения точности определения загрязнения атмосферного воздуха промышленного региона по данным датчиков замеров концентраций загрязняющих веществ непосредственно с источников загрязнения.
Группа датчиков экологического контроля 4 состояния атмосферы расположена на территории промышленного региона именно в тех точках, для которых проводится прогнозирование загрязнения воздуха первым блоком моделирования 3 и передает данные в центральный диспетчерский пункт 7.
На входы группы блоков сравнения 18 прогнозных и реальных значений загрязнения атмосферы поступают данные от группы датчиков экологического контроля 4 состояния атмосферы промышленного региона и группы блоков коррекции рассогласования 27 значений загрязнения атмосферы.
Группа блоков коррекции рассогласования 27 значений загрязнения атмосферы обеспечивает сравнение расчетных (прогнозных) и реальных (замеренных) данных загрязнения атмосферного воздуха. В результате определяется рассогласование между реальными и расчетными данными.
Ошибка рассогласования накапливается (интегрируется) первой 25 группой интегрирующих модулей, сохраняется первой 26 группой блоков хранения значений рассогласования и подается на группу блоков коррекции рассогласования 27 значений загрязнения атмосферы.
В результате на выходах группы блоков коррекции рассогласования 27 значений загрязнения атмосферы ошибка рассогласования между реальными и расчетными данными устраняется. Этим достигается повышение точности определения загрязнения атмосферного воздуха промышленного региона по данным датчиков замеров концентраций загрязняющих веществ непосредственно с источников загрязнения.
Одновременно величина коррекции ошибки рассогласования между реальными и расчетными данными загрязнения атмосферного воздуха подается на первую 19 и вторую 20 группы блоков коррекции прогнозных значений загрязнения атмосферы. В результате производится коррекция прогнозируемых данных от второй 16 и третьей 17 групп блоков прогнозирования загрязнения атмосферы на величину ошибки рассогласования, чем достигается повышение точности прогноза загрязнения атмосферного воздуха промышленного региона при изменении метеорологических условий.
Замеры группы датчиков экологического контроля 4 состояния атмосферы сравниваются на первой 22 группе блоков фиксирования превышения загрязнения атмосферы с предельно допустимыми концентрациями загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, которые хранятся в группе задатчиков 21 предельно допустимых значений загрязнения атмосферы. В случае превышения предельно допустимых значений загрязнения атмосферы первая 22 группа блоков фиксирования превышения загрязнения атмосферы предельно допустимых значений формирует сигнал предупреждения и передает в его центральный диспетчерский пункт 7 для принятия решений.
В случае приближения неблагоприятных метеорологических условий, способных привести к существенному повышению концентраций вредных веществ в атмосфере промышленного региона с многократным превышением предельно допустимых значений и нанесением вреда здоровья населению, центральный диспетчерский пункт 7 формирует команду выдачи прогнозных метеорологических данных через определенное время, устанавливаемое задатчиком времени 8.
По этой команде блок моделирования метеопараметров 9 выдает на второй блок моделирования 6 именно те метеорологические данные, которые прогнозируются через некоторое определенное время.
Одновременно от регистратора 30 значений группы датчиков замеров концентраций загрязняющих веществ непосредственно с источников загрязнения на первый 13 блок управления задатчиками концентраций загрязняющих веществ подаются данные о текущих значениях выбросов загрязняющих веществ, которые помещаются в первую группу задатчиков 5 концентраций загрязняющих веществ.
На основе полученных данных второй блок моделирования 6 рассчитывает концентрации загрязняющих веществ и помещает прогнозные данные во вторую 16 группу блоков прогнозирования загрязнения атмосферы. Коррекция этих данных производится на первой 19 группу блоков коррекции прогнозных значений загрязнения атмосферы. В результате достоверность прогнозируемых данных загрязнения атмосферы промышленного региона в случае приближения неблагоприятных метеорологических условий, способных привести к существенному повышению концентраций вредных веществ в атмосфере промышленного региона с превышением предельно допустимых значений и нанесением вреда здоровья населению, повышается. Эти данные подаются в центральный диспетчерский пункт 7 для предупреждения возможных последствий и принятия мер к снижению выбросов в этот неблагоприятный период.
Данные первой 19 группы блоков коррекции прогнозных значений загрязнения атмосферы сравниваются на второй 23 группе блоков фиксирования превышения загрязнения атмосферы со значениями предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, которые хранятся в группе задатчиков 21 предельно допустимых значений загрязнения атмосферы. В случае превышения прогнозируемыми данными предельно допустимых значений загрязнения атмосферы вторая 23 группа блоков фиксирования превышения загрязнения атмосферы предельно допустимых значений формирует сигнал предупреждения и передает в его центральный диспетчерский пункт 7 для принятия решений.
Данные о текущих значениях выбросов загрязняющих веществ от регистратора 30 значений группы датчиков замеров концентраций загрязняющих веществ непосредственно с источников загрязнения подаются на второй 14 блок управления задатчиками концентраций загрязняющих веществ и помещаются во вторую группу задатчиков 10 концентраций загрязняющих веществ.
Данные второй 20 группы блоков коррекции прогнозных значений сравниваются на третьей 24 группе блоков фиксирования превышения загрязнения атмосферы со значениями предельно допустимых концентраций, которые хранятся в группе задатчиков 21 предельно допустимых значений загрязнения атмосферы, и в случае превышения передаются в центральный диспетчерский пункт 7.
Для определения значений выбросов, не приводящих к превышению предельно допустимых значений концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе промышленного региона на третьей 24 группе блоков фиксирования превышения загрязнения атмосферы предельно допустимых значений формируется величина превышения допустимых значений. Величина превышения накапливается (интегрируется) второй 28 группой интегрирующих модулей, сохраняется второй 29 группой блоков хранения значений рассогласования и подается на вход коррекции второй 10 группы задатчиков концентраций загрязняющих веществ.
В результате на выходах второй 10 группы задатчиков концентраций загрязняющих веществ формируются сниженные величины прогнозируемых загрязнений атмосферного воздуха, не приводящие к превышению предельно допустимых значений при неблагоприятных погодных условиях.
На третий блок моделирования 11 поступают данные от второй группы задатчиков 10 концентраций загрязняющих веществ и блока моделирования метеопараметров 9 в неблагоприятных метеоусловиях. Третий блок моделирования 11 рассчитывает концентрации загрязняющих веществ и помещает прогнозные данные в третью 17 группу блоков прогнозирования загрязнения атмосферы. Коррекция этих данных производится второй 20 группой блоков коррекции прогнозных значений загрязнения атмосферы.
Величина выбросов, которая может привести к превышению предельно допустимых значений, с выходов второй 29 группы блоков хранения значений рассогласования подается на вход центрального диспетчерского пункта. На основании этих значений выдаются рекомендации по снижению выбросов в неблагоприятных метеорологических условиях посредством блока выдачи рекомендаций 12 по снижению выбросов загрязняющих веществ от источников загрязнения. На основе рекомендаций корректируется ход технологических процессов на производстве источников выбросов в допустимых технологических пределах для снижения выбросов в неблагоприятный период.
Таким образом, автоматизированная система экологического мониторинга и прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха промышленного региона позволяет повысить точность определения загрязнения атмосферного воздуха промышленного региона по данным датчиков замеров концентраций загрязняющих веществ непосредственно с источников загрязнения и эффективность выработки рекомендаций по снижению выбросов загрязняющих веществ с источников загрязнения при неблагоприятных метеорологических условиях для предотвращения случаев превышения предельно допустимых значений загрязнения атмосферного воздуха на территории промышленного региона.