Интегрированная система сбора и обработки данных внешних индикаторов состояния окружающей среды при мониторинге критических ситуаций в Арктике

Полезная модель относится к вычислительной технике, в частности к интегрированной системе сбора и обработки данных внешних индикаторов состояния окружающей среды при мониторинге критических ситуаций в Арктике.
В Арктике существуют как климатические и природные, так и техногенные источники чрезвычайных ситуаций.
К основным климатическим и природным индикаторам критических ситуаций относятся деградация вечной мерзлоты (таяние), обвалы, оползни; снежные лавины; наводнения (весна, осень), ледяные заторы, подвижка льдов; ландшафтные пожары (тундра, мелколесье); снежные бури, штормы; сильные ветры (ураганы) и гололедица.
Ежегодно почти во всех частях Арктического региона существует опасность ландшафтных пожаров, возросшая в последние десятилетия вследствие участившихся аварий на нефтепроводах, газопроводах и на предприятиях по добыче, переработке и хранению газа, нефти и нефтепродуктов. Большой ущерб населению и экономике наносят весенне-летние половодья, сопровождаемые ледовыми заторами на реках Арктического региона.
Серьезную потенциальную угрозу для природных систем и безопасности людей в Арктике представляет глобальное потепление, которое в полярных районах проявляется почти в 10 раз сильнее, чем в среднем на планете. По данным ученых в Арктике происходят самые сильные климатические изменения - здесь может стать теплее на 3-7 градусов в ближайшие 100 лет.
Потенциальные опасности радиационного загрязнения в Арктической зоне могут возникнуть в связи с затоплением в 50-60 годах прошлого столетия в Баренцевом и Карском морях радиоактивных отходов, испытанием ядерного оружия на Новой Земле, функционированием Кольской и Билибинской АЭС.
В среднем на территории Арктической зоны России происходит в год до 100 чрезвычайных ситуаций техногенного и природно-техногенного характера.
Основной задачей системы мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций является обеспечение информационной поддержки принятия управленческих решений по предупреждению чрезвычайных ситуаций, приведению в готовность органов управления, сил и средств функциональных и территориальных подсистем к действиям при угрозе и возникновении чрезвычайных ситуаций.
Использование Арктической зоны Российской Федерации в качестве стратегической ресурсной базы нашей страны вызывает необходимость создания особых условий для обеспечения безопасности населения на территории Арктики. В связи с этим с учетом приоритетов социально-экономического развития этого региона особую важность приобретают задачи:
повышения безопасности судоходства в районах интенсивного движения судов за счет реализации комплекса мер по гидрометеорологическому и навигационному обеспечению в Арктической зоне;
создания систем комплексной безопасности территорий на основе развертывания информационно-аналитических комплексов наблюдения за состоянием критически важных и потенциально-опасных объектов Арктической зоны и источников чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера.
При формировании системы мониторинга критических ситуаций в Арктике необходимо учитывать следующие особенности:
экстремальные природно-климатические условия, включая постоянный ледовый покров или дрейфующие льды в Арктических морях;
очаговый характер промышленно-хозяйственного освоения территорий и низкая плотность населения;
удаленность от основных промышленных центров, высокая ресурсоемкость и зависимость хозяйственной деятельности и жизнеобеспечения населения от поставок топлива, продовольствия и товаров первой необходимости из других регионов России;
низкая устойчивость экологических систем, определяющих биологическое равновесие и климат Земли, и их зависимость даже от незначительных антропогенных воздействий.
Известны технические решения поставленной задачи (1, 2).
Первое из известных технических решений содержит, по меньшей мере, один блок бортовой регистрирующей аппаратуры, связанный, по меньшей мере, двумя каналами связи с блоком управления и обработки данных, который связан с бортовой аппаратурой космического аппарата по каналу связи для последующего сброса информации на Землю, блок управления и обработки данных включает устройство сопряжения, автономное таймерное устройство, одноплатный компьютер, систему принудительного охлаждения, систему термодатчиков, блок запоминающего устройства, блок синхронной передачи данных, блок вторичного питания и систему трансляции команд и распределения питания (1).
Недостаток данного технического решения заключается в его ограниченных функциональных возможностях, обусловленных тем, что в системе не контролируется поступление полного набора данных, характеризующих отличительные признаки критических ситуаций.
2
Известно и другое техническое решение, содержащее сеть дистанционных детекторов загрязнений, программируемый контроллер с системами сбора, предварительной обработки и передачи данных, а также единую автоматизированную информационную систему с функциями сбора, обработки и хранения данных, передаваемых на интерфейсы информационной системы дистанционными детекторами загрязнений, при этом система обнаружения и мониторинга загрязнений морского нефтегазового промысла дополнительно содержит биосенсор для непрерывного контроля тяжелых металлов в воде, датчик ядерно-магнитного резонанса, датчик электронного парамагнитного резонанса, реактор на тепловых нейтронах ИР-100 с откатным коробом в активной зоне (нейтронный поток 2×10 н/(см⋅с)) и стационарной установкой гамма-излучения с мощностью дозы до 1000 Р/ч, спектрометрическую установку с системой поддержания пластового давления, радиометрическую низкофоновую установку, генераторы СВЧ-излучений различных частот от 0,1-60 ТГц, образцовые голографические матрицы с записанными спектрами ЯМР атомов веществ (металлов и органических веществ) и идентифицируемых веществ, информационный блок морских карт и цветных космических фотоснимков районов поиска, электромагнитную камеру (Кирлиан-камеру) для визуализации затопленных объектов на аэрокосмических снимках и переноса их на морскую карту района поиска с помощью видеокамеры, совмещенных с ПЭВМ, приемно-фазовые антенны широкого обзора, приемник GPS тар-60, программный комплекс ПЭВМ для определения координат затопленных объектов и отображения их на морской карте района, атомно-абсорбционный спектрофотометр, а также другие конструкционные элементы (2).
Недостаток этого технического решения также состоит в его ограниченных функциональных возможностях, обеспечивающих проведение мониторинга только аварийного разлива нефти на объектах морского нефтегазового промысла.
Цель полезной модели заключается в устранении указанного недостатка, т.е. в расширении функциональных возможностей системы путем сбора и обработки данных всех внешних индикаторов состояния окружающей среды при мониторинге критических ситуаций в Арктике в реальном масштабе времени.
Поставленная цель достигается тем, что в систему, содержащую модуль приема сообщений территориально-распределенных внешних индикаторов состояния окружающей среды, информационный и синхронизирующий входы которого являются первыми информационным и синхронизирующим входами системы
соответственно а первый информационный выход модуля приема сообщений территориально-распределенных внешних индикаторов состояния окружающей среды является информационным выходом системы, предназначенным для выдачи сообщений на информационный вход сервера базы данных, при этом первый информационный вход системы предназначен для приема сообщений территориально-распределенных внешних индикаторов состояния окружающей среды, первый синхронизирующий вход системы предназначен для приема синхронизирующих сигналов занесения сообщений территориально-распределенных внешних индикаторов состояния окружающей среды в модуль приема сообщений территориально-распределенных внешних индикаторов состояния окружающей среды, модуль установки общего числа сообщений внешних индикаторов состояния окружающей среды, информационный и синхронизирующий входы которого являются вторым информационным и вторым синхронизирующим входами системы соответственно, при этом второй информационный вход системы предназначен для приема общего числа сообщений внешних индикаторов состояния окружающей среды, первый синхронизирующий вход системы предназначен для приема синхронизирующих сигналов занесения общего числа сообщений внешних индикаторов состояния окружающей среды в модуль установки общего числа сообщений внешних индикаторов состояния окружающей среды, модуль интеграции адресных сигналов, адресный выход которого является адресным выходом системы, предназначенным для выдачи адресов записи сообщений в сервер базы данных системы, а синхронизирующий выход модуля интеграции адресных сигналов является синхронизирующим выходом системы, предназначенным для выдачи синхронизирующих сигналов на вход первого канала прерывания сервера базы данных, и модуль памяти, введены модуль селекции опорных адресов внешних индикаторов состояния окружающей среды в базе данных сервера системы, информационный вход которого соединен с вторым информационным выходом модуля приема сообщений территориально-распределенных внешних индикаторов состояния окружающей среды, синхронизирующий вход модуля селекции опорных адресов внешних индикаторов состояния окружающей среды в базе данных сервера системы подключен к первому синхронизирующему входу системы, а сигнальные выходы модуля селекции опорных адресов внешних индикаторов состояния окружающей среды в базе данных сервера системы соединены с соответствующими сигнальными входами модуля памяти, модули адресации сообщений внешних индикаторов состояния окружающей среды в базе данных сервера системы, информационные входы которых соединены с информационным выходом модуля памяти, управляющие входы модулей адресации сообщений внешних индикаторов состояния окружающей среды в базе данных сервера системы подключены к соответствующим управляющим выходам модуля селекции опорных адресов внешних индикаторов состояния окружающей среды в базе данных сервера системы, синхронизирующий выход которого соединен с синхронизирующими входами модулей адресации сообщений внешних индикаторов состояния окружающей среды в базе данных сервера системы, при этом информационные выходы модулей адресации сообщений внешних индикаторов состояния окружающей среды в базе данных сервера системы соединены с соответствующими информационными входами модуля интеграции адресных сигналов, синхронизирующие выходы модулей адресации сообщений внешних индикаторов состояния окружающей среды в базе данных сервера системы подключены к соответствующим синхронизирующим входам модуля интеграции адресных сигналов, а сигнальные выходы модулей адресации сообщений внешних индикаторов состояния окружающей среды в базе данных сервера системы являются сигнальными выходами системы, и модуль контроля числа принятых системой сообщений, информационный вход которого соединен с информационным выходом модуля установки общего числа сообщений внешних индикаторов состояния окружающей среды, счетный вход модуля контроля числа принятых системой сообщений подключен к синхронизирующему выходу модуля интеграции адресных сигналов, при этом тактирующий выход модуля контроля числа принятых системой сообщений является тактирующим выходом системы, предназначенным для выдачи сигналов приема сообщений, а управляющий выход модуля контроля числа принятых системой сообщений является управляющим выходом системы, предназначенным для выдачи сигналов окончания цикла приема сообщений от территориально - распределенных внешних индикаторов состояния окружающей среды.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структурная схема системы, на фиг. 2 - структурная схема модуля селекции опорных адресов внешних индикаторов состояния окружающей среды в базе данных сервера системы, на фиг. 3 - структурная схема первого, второго и третьего модулей адресации сообщений внешних индикаторов состояния окружающей среды в базе данных сервера системы, на фиг. 4 - структурная схема модуля контроля числа принятых системой сообщений, на фиг. 5 - структурная схема модуля интеграции адресных сигналов.
Интегрированная система сбора и обработки данных внешних индикаторов состояния окружающей среды при мониторинге критических ситуаций в Арктике (фиг. 1) содержит модуль 1 приема сообщений территориально-распределенных внешних индикаторов состояния окружающей среды, модуль 2 селекции опорных адресов внешних индикаторов состояния окружающей среды в базе данных сервера системы, модуль 3 памяти, первый 4, второй 5 и третий 6 модули адресации сообщений внешних индикаторов состояния окружающей среды в базе данных сервера системы, модуль 7 установки общего числа сообщений внешних индикаторов состояния окружающей среды, подлежащих обработке в системе, модуль 8 контроля числа принятых системой сообщений и модуль 9 интеграции адресных сигналов.
На фиг. 1 показаны первый 11 и второй 12 информационные входы системы, первый 13 и второй 14 синхронизирующие входы системы, а также информационный 15 и адресный 16 выходы системы, синхронизирующий 17 выход системы, первый 18, второй 19 и третий 20 сигнальные выходы системы, тактирующий выход 21 и управляющий выход 22.
Модуль 1 приема сообщений территориально-распределенных внешних индикаторов состояния окружающей среды (фиг. 1) выполнен в виде регистра, имеющего информационный 11 и синхронизирующий 13 входы, а также первый 24 и второй 25 информационные выходы.
Модуль 2 селекции опорных адресов внешних индикаторов состояния окружающей среды в базе данных сервера системы (фиг. 2) содержит дешифратор 30, элементы 31-33 И, элементы 34, 35 задержки. На чертеже показаны информационный 26 и синхронизирующий 27 входы, группа сигнальных 36-38 выходов, группа управляющих 39-41 выходов и синхронизирующий 42 выход.
Модуль 3 памяти (фиг. 3) выполнен в виде постоянного запоминающего устройства, имеющего входы считывания 43-45 и информационный выход 46.
Модули 4, 5 и 6 (фиг. 4) адресации сообщений внешних детекторов состояния окружающей среды в базе данных сервера системы выполнены идентично и содержат первый 50 и второй 51 регистры, сумматор 52, компаратор 53, счетчик 54, группу 55 элементов И, элемент 56 И, элементы 57, 58 задержки. На чертеже показаны информационный 59, управляющий 60 и синхронизирующий 61 входы, а также информационный 62, синхронизирующий 63 и сигнальный 64 выходы.
Модуль 7 установки общего числа сообщений внешних индикаторов состояния окружающей среды, подлежащих обработке в системе (фиг. 1), выполнен в виде регистра, имеющего информационный 57 и синхронизирующий 58 входы и информационный 59 выход.
Модуль 8 (фиг. 4) контроля числа принятых системой сообщений содержит счетчик 66, компаратор 67 и элемент 68 задержки. На чертеже показаны информационный вход 65, счетный вход 69, а также тактирующий 21 и управляющий 22 выходы.
Модуль 9 (фиг. 5) интеграции адресных сигналов содержит группу 73 элементов ИЛИ и элемент 74 ИЛИ. На чертеже показаны группы информационных входов 81-83 и группы синхронизирующих входов 84-86, а также адресный 16 и синхронизирующий 17 выход.
Система работает следующим образом.
В процессе мониторинга критических ситуаций данные каждого из внешних индикаторов состояния окружающей среды в соответствии с установленным регламентом поступают на вход системы в виде сообщений (кодограмм), имеющих следующую структуру
Перед началом работы системы в модуль 7 с информационного входа 12 по синхронизирующему сигналу с входа 14 устанавливается код заданного количества сообщений, которые должны быть получены от внешних индикаторов состояния окружающей среды в соответствии с установленным регламентом.
В процессе представления зафиксированных данных территориально-распределенными внешними индикаторами состояния окружающей среды в соответствии с установленным регламентом каждое из сообщений поступает на информационный вход 11 модуля 1 системы мониторинга (фиг. 1), и синхронизирующим импульсом с входа 13 заносится в регистр модуля 1. Выход 24 модуля 1 является информационным выходом 15 системы, предназначенным для выдачи принятых сообщений на информационный вход сервера базы данных системы.
Код идентификатора внешнего индикатора состояния окружающей среды с выхода 25 модуля 1 поступает на информационный 26 вход модуля 2 и далее на вход дешифратора 30, а синхронизирующий импульс с входа 13 через вход 27 модуля 2 системы задерживается элементом 34 задержки на время занесения кода идентификатора внешнего индикатора состояния окружающей среды в регистр модуля 1 и срабатывания дешифратора 30, и далее поступает на входы элементов 31-33 И.
Дешифратор 30 расшифровывает поступивший код, открывая один из элементов 31-32 И, и подготавливает цепь прохождения сигнала с выхода элемента 34 задержки. Для определенности положим, что высокий потенциал поступил на один вход элемента 31 И.
Учитывая то обстоятельство, что открытым по одному входу будет только элемент 31 И, то пройдя этот элемент И, синхроимпульс с выхода 36 поступает на вход считывания фиксированной ячейки памяти постоянного запоминающего устройства 3.
В фиксированной ячейке памяти модуля 3 хранятся следующие данные:
Считанные данные с выхода 46 модуля 3 поступают на информационные входы 59 всех модулей 4, 5 и 6, однако приняты они будут только модулем 4, поскольку высокий потенциал с выхода 39 модуля 2 поступает на управляющий вход 60 модуля 4 и открывает по одному входу группу элементов 55 И и элемент 56 И.
Одновременно с этим синхронизирующий импульс с выхода элемента 34 модуля 2 задерживается элементом 35 задержки на время считывания фиксированной ячейки памяти постоянного запоминающего устройства 3, и с выхода 42 модуля 2 через синхронизирующий вход 61 модуля 4 проходит через элемент 56 И на синхронизирующие входы регистров 50 и 51.
В результате этого код опорного адреса записи поступающих сообщений от данного внешнего индикатора состояния окружающей среды заносится в регистр 50, а количество сообщений, которое должно поступить от данного внешнего индикатора состояния окружающей среды, заносится в регистр 51 модуля 4.
С выхода регистра 50 код опорного адреса записи поступает на один вход сумматора 52, к другому входу которого подсоединен выход счетчика 54, а с выхода регистра 51 код количества сообщений, подлежащих приему, поступает на один вход компаратора 53, другой вход которого также соединен с выходом счетчика 54.
Параллельно с этим синхронизирующий импульс с выхода элемента 56 И задерживается элементом 57 задержки на время занесения кодов в регистры 50, 51 и поступает на синхронизирующий вход компаратора 53. С поступлением этого импульса компаратор 53 сравнивает показания регистра 51 с показаниями счетчика 54.
Учитывая, что к настоящему времени счетчик 54 находится в исходном состоянии и его показания равны нулю, то компаратор 53 выдаст сигнал на своем первом выходе, с которого синхронизирующий импульс, во - первых, поступает на синхронизирующий вход сумматора 52, суммирующего код опорного адреса с выхода регистра 50 с нулевым кодом счетчика 54, и на его выходе 62 будет зафиксирован код опорного адреса сервера базы данных, который с выхода 62 модуля 4 поступает на информационный вход 81 модуля 9, и далее через элементы 73 ИЛИ группы выдается на адресный выход 16 системы.
Во-вторых, этот же синхронизирующий импульс поступает на счетный вход счетчика 54, занося в него первую единицу, свидетельствующую о том, что одно сообщение от данного внешнего индикатора состояния окружающей среды уже принято.
И, наконец, в-третьих, этот же импульс задерживается элементом 58 задержки на время срабатывания сумматора 52 модуля 4, и с выхода 63 модуля 4 поступает на вход 84 модуля 9, и далее через элемент 74 ИЛИ выдается на синхронизирующий выход 17 системы, откуда он выдается на вход первого канала прерывания сервера базы данных.
С приходом этого импульса сервер базы данных переходит на подпрограмму записи данных данного внешнего индикатора состояния окружающей среды с выхода 15 по адресу, установленному на адресном выходе 16 системы.
Кроме того, синхронизирующий импульс с выхода 17 системы поступает на счетный вход 69 модуля 8 и далее поступает на счетный вход счетчика 66, подсчитывающего число сообщений, поступивших от внешних индикаторов состояния окружающей среды, нарастающим итогом. Зафиксированное число сообщений счетчика 66 выдается на один вход компаратора 67, на другой вход которого с входа 65 модуля 8 поступает код заданного количества сообщений, которое должно быть принято от внешних индикаторов состояния окружающей среды с выхода модуля 7.
По синхронизирующему импульсу с входа 69, задержанному элементом задержки 68 на время срабатывания счетчика 66, компаратор 67 сравнивает показания счетчика с заданным числом сообщений, поступающих с выхода модуля 7.
Если показания счетчика 66 будут меньше заданного количества сообщений, то компаратор 67 модуля 8 формирует на своем выходе 70 тактирующий импульс, который поступает на тактирующий выход 21 системы в качестве управляющего сигнала для приема системой очередного сообщения.
Если же показания счетчика 66 будут равны заданному числу подлежащих приему сообщений из модуля 7, то компаратор 67 модуля 8 формирует импульс на выходе 22 системы, который является сигналом окончания работы системы.
Особенность работы модулей адресации сообщений внешних индикаторов состояния окружающей среды заключается в том, что каждый из них отслеживает получение заданного количества сообщений от конкретного внешнего индикатора состояния окружающей среды.
Действительно, сигнал получения всех заданных сообщений на сигнальном выходе 64 каждого из модулей 4, 5, 6 адресации сообщений объектов будет выдан только в том случае, если показания счетчика 54 и код заданного числа подлежащих приему сообщений будут одинаковы.
Это обстоятельство будет зафиксировано на табло отображения результатов мониторинга.
Таким образом, введение новых модулей позволило существенно расширить функциональные возможности системы путем проверки наличия данных от всех внешних индикаторов состояния окружающей среды, необходимых для подготовки отчетных данных в реальном масштабе времени.
Источники информации, принятые во внимание при составлении описания заявки:
1. Патент РФ №2498399 (29.05.2012)
2. Патент РФ №2587109 (16.04.2015) (прототип).