АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ ВОЗДУШНОГО БАССЕЙНА ГОРОДА

Изобретение относится к области экологии, а именно контролю состояния атмосферы, и может быть использовано при разработке систем экологического мониторинга городов и регионов.
При всем разнообразии подходов к созданию систем оперативного контроля воздуха они имеют некоторые общие тенденции. Как правило, основными элементами автоматизированных систем оперативного контроля воздушного бассейна индустриального центра являются наземные стационарные посты или датчики, мобильные измерительные комплексы и центр сбора и обработки информации [Балин Ю.С., Белан Б.Д., Надеев А.И., Панченко М.В. Система оперативного контроля загрязнения воздушного бассейна промышленных центров "Город", том 7, 1994 г., №02, стр.163]. Общим для этих систем является построение их по централизованному принципу: получение исходных данных на периферийных станциях или датчиках и передача информации на центральный пункт управления (реже на кустовой пункт) или центральную ЭВМ. Для связи элементов системы между собой используются обычно специальные или общественные телефонные каналы, реже радиоканалы. Перечень контролируемых ингредиентов может существенно отличаться на разных станциях как внутри одной, так и в разных системах. Число измеряемых параметров на станции или посту может быть минимальным, либо доходить до 30. В состав периферийных станций и постов в большинстве случаев включаются блоки измерения метеовеличин. При этом набор измеряемых элементов - переменный. В простейшем случае регистрируются скорость и направление ветра.
Известен способ формирования сети наблюдений для контроля загрязнения атмосферы города [RU 2102782 C1, 1998], включающий установку определенного (рассчитанного) количества стационарных автоматических постов контроля воздушного бассейна по административным районам города.
К недостаткам систем, образованных по такому принципу можно отнести невозможность определения без сложных расчетов источника примесей, загрязняющих воздушный бассейн.
Известна система контроля окружающей среды [JP 11118701, 1999], содержащая стационарные контрольные посты с детекторами для измерения концентрации веществ, направления и скорости ветра и других метеорологических величин и мобильный контрольный пост (транспортная единица).
Введение датчиков скорости и направления ветра не решает проблему идентификации источников, так как в воздушном бассейне города действует своя система циркуляции воздуха, которая не отражает направление основного переноса.
Наиболее близким техническим решением является локальная автоматизированная система экологического мониторинга [RU 61448 U1, 2007], содержащая стационарные контрольные посты наблюдения, мобильные контрольные посты, прямые и обратные связи, центральный контрольный пульт или диспетчерский центр, при этом стационарные контрольные посты наблюдения дополнительно включают автоматизированный гамма-спектрометр, метеокомплект приборов, датчик измерения уровня радиации и блок конвектора интерфейса.
К недостаткам прототипа также относится отсутствие дистанционных устройств контроля, ориентированных на конкретные источники загрязнения.
Задача полезной модели разработка системы контроля воздушного бассейна, сочетающей в себе эффективность пространственно репрезентативной сети и сети, «ориентированной на источники».
Технический результат - соединение обоих принципов в единой системе позволяет по данным сети наземных стационарных пунктов контроля составить объективную картину распределения загрязнений в контролируемой зоне, а по результатам лидарного зондирования выявить основные источники выбросов загрязнений в воздушном бассейне.
Поставленная задача достигается тем, что как и известная, предлагаемая автоматизированная система оперативного контроля воздушного бассейна города содержит стационарные пункты наземного контроля, мобильные станции, прямые и обратные связи, центр управления системой.
Новым является то, что система содержит устанавливаемые стационарно средства дистанционного контроля основных источников выбросов загрязнений и содержит мобильные станции двух типов: первый тип оснащен только газоаналитической аппаратурой, а второй дополнительно оснащен средством дистанционного контроля.
Кроме того, в качестве средств дистанционного контроля, система содержит лидары.
Предпочтительно, что система дополнительно содержит панорамный фотометр, установленный на центре управления системой.
Предпочтительно также, что система содержит акустический локатор (содар), или высотную метеорологическую мачту для измерения температуры и ветра по вертикали.
При этом стационарные пункты наземного контроля представляют собой контейнеры с приборами, системами микроклимата, метеорологии и энергопитания.
Предлагаемая автоматизированная система оперативного контроля воздушного бассейна предназначена для определения уровня загрязнения в приземном слое воздуха;
измерения объема и количества выбросов от источников, расположенных на контролируемой территории; выявления следов распространения примесей над городом; обследования одиночных и распределенных источников выбросов; наблюдения за ходом фотохимических процессов и, наконец, сбора, обработки, хранения и передачи информации.
В предлагаемой системе в качестве средств дистанционного зондирования используются лазерные локаторы (лидары), работающие в индикаторном режиме.
Во-первых, измеряемые ими коэффициенты обратного рассеяния прямо пропорциональны массовой концентрации взвешенных веществ. Во-вторых, газовые примеси в результате физико-химических преобразований в итоге также превращаются в частички аэрозоля. В-третьих, как правило, газовые выбросы сопровождаются аэрозольными. И, в-четвертых, аэрозоль является хорошим трассером атмосферных движений, что позволяет дистанционно оценить скорость переноса загрязнений. Размещаться они должны на возвышенных местах или крышах высотных зданий так, чтобы радиусами их действия полностью охватывалась вся площадь города, и шлейфы оптически плотных выбросов не создавали теневые зоны. Дополнением к лидарным измерениям по восстановлению поля загрязнений над городом может быть телемониторный режим, осуществляемый панорамным фотометром - широкоформатным фотометром "все небо", применяющийся в некоторых системах контроля [NASA - invented pollution detected to be marketed. // Space World. 1979. 10 p]. Однако у этого средства есть один существенный недостаток (не считая трудностей методического характера), этот прибор применяется пока только в дневное время. Учитывая, что основной элемент лидара - лазерный передатчик - имеет относительно небольшой ресурс работы (с точки зрения постоянного режима эксплуатации) в предлагаемой системе объединен широкоформатный фотометр и лидары в общий комплекс для увеличения срока функционирования лидаров.
Известно, что метеорологический потенциал загрязнения воздуха во многом определяется стратификацией температуры и ветра по вертикали. Эти же характеристики важны и для прогноза уровней загрязнений по большинству из имеющихся моделей. Поэтому в состав системы может быть введено устройство, которое измеряет эти характеристики - акустический локатор (содар) [Гладких В.А., Макиенко А.Э., Федоров В.А. Акустический доплеровский локатор «Волна-3» том 12, 1999 г., №05, стр.437-444] или высотная метеорологическая мачта.
Полезная модель иллюстрируется графическими материалами.
На фиг. представлена общая схема системы контроля воздушного бассейна
Система собирается по централизованному принципу и состоит из следующих компонентов (фиг): центра управления системой (ЦУС) 1, на которой монтируется
панорамный фотометр 2, содар 3 [Гладких В.А., Макиенко А.Э., Федоров В.А. Акустический доплеровский локатор «Волна-3» том 12, 1999 г., №05, стр.437-444], приемная антенна радиоканала 4; несколько лидаров 5; мобильных станций (МС-1 и МС-2) 6 и 6'; пунктов наземного контроля (стационарные контрольные посты наблюдения) 7.
Система имеет открытый характер. К ней могут подключаться подсистемы, например, промышленных датчиков 8, контроля водоснабжения 9.
В состав системы входит аналитическая лаборатория 10.
В состав также может входить высотная метеорологическая мачта 11.
Потребители информации 12 подключаются к ЦУС 1 через прямые и обратные линии связи.
Центр управления системой (ЦУС) 1 предназначен для управления всей системой контроля, сбора, обработки, накопления и долговременного хранения информации, выдачи предупреждений и прогнозов, обслуживания потребителей оперативной и климатической информацией, подготовки материалов для предъявления штрафных санкций. Его сердцевину составляют две ЭВМ, одна из которых работает в оперативном режиме. Вторая ведет - обработку климатической информации и одновременно является «горячим» резервом для первой управляющей. В состав ЦУС 1 входят следующие средства отображения информации: табло, дисплеи, цифропечатающие устройства, графопостроители и т.п. он имеет узел связи с периферийными станциями и потребителями, устройства обмена информации по радиоканалу, накопители информации для долговременного хранения.
В качестве лазерных локаторов-индикаторов (лидаров) целесообразно использовать отлаженные и наиболее надежные аэрозольные лидары типа «ЛОЗА». Лидарные комплексы располагаются на крышах высотных зданий или на башнях. При этом аппаратура управления, регистрации и обработки данных зондирования находится в помещении, а приемопередатчик лидара 5 может быть удален от него на расстояние до 500 м.
Количество лидаров 5 зависит от размеров контролируемой площади, уровня загрязнения воздуха, расположения организованных источников выбросов, розы ветров и ряда других факторов. Выполненные ранее исследования показывают, что для городов с населением 500-600 тыс. человек необходимо 3-4 лидара с потенциалом по дальности 5 км для восстановления поля загрязнений над всей его территорией.
В системе используются мобильные станции двух типов.
Первый тип станции 6, оснащается только аналитической аппаратурой, традиционный и хорошо известен в литературе [Куксинский В.В., Миляев В.Б. // Труды ГГО. 1987. Вып.492. С.122-127.]. Второй тип мобильной станции 6' имеет в своем составе лидары, в частности СКР-лидар [Аршинов Ю.Ф., Бобровников С.М., Сериков И.Б., Шелефонтюк Д.И., Шумский В.К., Базылев П.В., Луговой В.А., Столяров Н.Н. Калибровка КР-лидарного
газоанализатора выбросов в атмосферу из труб предприятий с помощью удаленной газовой кюветы том 10, 1997 г., №03, стр.353]. Такая станция позволяет измерять концентрацию газов и взвешенных веществ на срезах труб предприятий.
2
2
3
2
2
2
4
3
Наземные пункты контроля 7 представляют собой контейнеры с приборами, системами микроклимата, метеорологии и энергопитания. Они устанавливаются стационарно в заранее выбранных местах. Набор измеряемых параметров может изменяться в зависимости от состава выбросов в каждом городе, например, может быть установлен следующий состав измеряемых величин: NО, NO, SO, NH, HS, НСО, СO, CO, CH, О, а также температура, влажность, скорость ветра и направление ветра.
В зависимости от площади города, уровня загрязнения на его территории необходима установка от 10 до 30 пунктов наземного контроля.
Система работает следующим образом.
При нормальных условиях в дежурном режиме находятся только наземные пункты контроля 7, которые собирают информацию об уровне загрязнения в микрорайонах города. Лидарные комплексы 5 производят периодический осмотр территории города и контроль основных источников выбросов. С помощью широкоформатного фотометра 2 дежурный оператор ведет визуальный контроль состояния воздушного бассейна. Мобильные станции 6 и 6' проводят плановые обследования или маршрутные измерения. Содар 3 дает сведения о вертикальной стратификации атмосферы. Поступившая информация обрабатывается в ЦУС 1 и составляется прогноз будущей обстановки.
При появлении сведений о превышении ПДК, предельно-допустимых выбросов (ПДВ) или прогноза неблагоприятных метеоусловий мобильные станции переключаются на обследование микрорайона, в котором зафиксировано ПДК, или предприятия, превысившего ПДВ. Наземные посты, лидарные комплексы и содар переходят в учащенный режим наблюдений.
Таким образом, введение дистанционных средств, в состав системы оперативного контроля, существенно расширяет ее возможности и придает ей качественно новый уровень.