Совершенствование системы распределенного экологического мониторинга города Тулы

ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ

РЕСУРСОВ

УДК 502.7:502.55

Э.В. Рощупкин, канд. техн. наук, доц.,

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ РАСПРЕДЕЛЕННОГО ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ГОРОДА ТУЛЫ

Приводится описание результатов совершенствования системы распределенного экологического мониторинга атмосферного воздуха, построенной на базе стационарных и мобильных постов наблюдения.

Ключевые слова: прогноз, временной ряд, мониторинг, моделирование, нейронная сеть, мобильный пост, стационарный пост.

Воздействие промышленной деятельности человечества на окружающую среду в последнее время становится наиболее ощутимым. Проблема защиты окружающей среды в настоящее время стала наиболее значимой для большинства промышленно развитых стран. Чистый атмосферный воздух становится одним из самых дефицитных природных ресурсов, что делает вопросы непрерывного контроля его содержания на наличие вредных и опасных веществ, представляющих серьезную опасность для жизни и здоровья человека наиболее актуальными.

В Тульском государственном университете разработана и построена распределенная система экологического мониторинга, состоящая из

стационарных и мобильных постов наблюдения [1]. Вредными и опасными компонентами атмосферного воздуха являются различные химические соединения, а также пыль, причем влияние последней на организм человека иногда превышает воздействия, оказываемые отравляющими химическими соединениями. Одними из источников пыли в атмосфере городов являются шахтные отвалы (терриконы) и золоотвалы ТЭЦ.

Физическая сущность пыления труб и золоотвалов ТЭЦ, а также отвалов горно-рудных предприятий различна. Наибольшие концентрации примесей вблизи высотных источников возникают при штилевых ситуациях, в то время как интенсивность пыления отвалов и золоотвалов наименьшая [2]. Принимая во внимание полидисперсность пыли, решение задачи пыления несколько усложняется тем, что, во-первых, для каждой фракции частиц необходимо найти критическую скорость отрыва от подстилающей поверхности, а во-вторых, указать интенсивность пыления источника. Критическая скорость отрыва частиц пропорциональна радиусу частиц. Спектральная фракция золы и шлаков ТЭЦ очень близка к фракции песков, для которых установлены критические скорости отрыва в сухом и влажном состояниях. Для анализа параметров пыления источников необходима информация о размерах частиц и их количестве. Для получения данной информации применяются датчики пыли (пылемеры).

На рис. 1 приведена структура стационарного поста наблюдения с датчиком пыли.

Рис. 1. Структура стационарного поста наблюдения с датчиком пыли

Стационарный пост накапливает непрерывно и архивирует информацию с подключенных датчиков в базе данных Microsoft Acces. Доступ к базе данных осуществляется по запросу центрального компьютера системы мониторинга через сеть Internet посредством Ethernet соединения (по локальной сети подключенной к сети Internet) или с помощью блока передачи данных по сетям GSM/GPRS. Данный блок применяется в тех местах установки стационарных постов наблюдения, где нет возможности осуществить проводное подключение к сети Internet. Блок представляет из себя GSM модем для передачи данных по сетям GSM/GPRS с установленной SIM картой любого сотового оператора.

На рис. 2 приведена структура мобильного поста наблюдения с датчиком пыли. Мобильный пост автоматизированной системы экологического мониторинга содержит несколько датчиков на различные токсичные газы, датчик пыли, блок управления подачей и расходом анализируемого воздуха, блок преобразования (нормализации) сигналов с датчиков, блок определения географического положения в пространстве мобильного поста наблюдения, блок автономного питания и блок связи для передачи информации на центральный компьютер автоматизированной системы экологического мониторинга.

Входной

фильтр

Анализируемый

газ

Блок определения географического положения

Концентрация 1

Датчик газа 1 Управление 1

4

Концентрация 2

Датчик газа 2

Управление 2

Блок управления

• • • • • • газоанализатором

Концентрация N

Датчик газа N

Управление N

Концентрация пыли

Датчик концентрации

Управление пылемером

и размера частиц

Управление

компрессором

Устройство

СВЯЗИ С

центральным

компьютером

Блок

автономного

питания

Рис. 2. Структура мобильного поста наблюдения с датчиком пыли

Структурная схема содержит входной фильтр поступающего воздуха для анализа, токсичных веществ, который служит барьером от влаги и пыли окружающего воздуха. Для анализа размера и количества частиц пыли входной фильтр не используется. В качестве устройства управления в мобильных постах используются микроконтроллеры высокой надежности, большой вычислительной мощности, гибкости при программировании и малой потребляемой мощности, что актуально в мобильном исполнении. Результаты замеров газоанализатора записываются в базу данных мобильного поста наблюдения. Доступ к базе данных осуществляется по запросу центрального компьютера системы мониторинга через сеть Internet посредством блока передачи данных по сетям GSM/GPRS (аналогично стационарному посту наблюдения). Информация о наличии и о концентрации вредных веществ привязывается к координатам измерения с помощью встроенного блока определения географических координат на базе Системы Глобального Позиционирования (GPS или на базе Global Positioning System) (США) или глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС (Россия).

Структурная схема системы распределенного мониторинга представлена на рис. 3.

Рис. З. Структура системы распределенного экологического мониторинга

Система содержит центральный компьютер со специальным программным обеспечением, позволяющим по томам ПДВ и прогнозам полученных с помощью нейронных сетей с каждого поста наблюдения строить карты рассеивания вредных веществ в атмосфере. Автоматизированная система экологического мониторинга рассчитывает прогноз распространения вредных примесей в атмосфере и формирует маршрут движения мобильных бригад экологической разведки для корректировки информации о прогнозе распространения примесей в атмосфере.

На каждый стационарный и мобильный пост существует нейронная сеть прогноза, которая дает прогнозное значение на 1 час вперед по предыдущим замерам концентраций вредных веществ в атмосфере.

Экспертная система через определенные промежутки времени оценивает качество прогнозов и принимает решение о дообучении нейронных сетей постов наблюдения или даже изменения их структуры с последующим обучением по последним поступившим данным за определенный период времени. В качестве основы для экспертной системы используется информация томов ПДВ (предельно допустимых выбросов) и метеопараметров.

Список литературы

1. Рощупкин Э.В. Система распределенного автоматизированного мониторинга загрязнения атмосферного воздуха промышленных регионов// Безопасность жизнедеятельности. №5. 2010. С. 46-52.

2. Аргучинцев В.К.,Аргучинцева А.В. Моделирование мезомас-штабных гидротермодинамических процессов и переноса антропогенных примесей в атмосфере и гидросфере региона оз. Байкал. Иркутск : Изд-во Иркут. гос. ун-та, 2007. 255 с.

E.V. Roshchupkin

PERFECTION OF SYSTEM OF THE DISTRIBUTED ECOLOGICAL MONITORING OF TULA

The description of results of perfection of system of the distributed ecological monitoring of atmospheric air constructed on the basis of stationary and mobile posts of observation are resulted.

Key words: the forecast, a time series, monitoring, modeling, a neural network, a mobile post, a stationary post.

Получено 16.12.10