АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ИНФОРМАЦИОННО- ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ИНФОРМАЦИОННО- ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ. В. П. Челибанов E-mail: chelibanov@mail. ru

Объекты контроля 1). Воздушная среда (газовые компоненты атмосферного воздуха естественного и антропогенного происхождения, пыль и аэрозоль, шум, электромагнитные поля). 2). Вода. 3). Почва. 4. Биосфера. 5. Объекты материальной культуры человечества.

Составляющие компоненты автоматизированных информационно-измерительных систем) АИИС 1. Аппаратные средства (СИ) 2. Методическое обеспечение выполнения измерений. 3. Метрологическое обеспечение СИ.

АИИС в задачах атмосферного мониторинга.

Что понимается под атмосферным мониторингом? Система (непрерывных и достоверных) наблюдений за состоянием атмосферного воздуха, его загрязнением и за происходящими в нем природными явлениями, а также оценка и прогноз состояния атмосферного воздуха, его загрязнения. Статья 1. ФЕДЕРАЛЬНОГО ЗАКОНА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ. «Об охране атмосферного воздуха»

Цель мониторинга Разработка мероприятий по обеспечению снижения антропогенной нагрузки на окружающую среду, созданию условий для рационального природопользования и устойчивого развития.

Экономические аспекты мониторинга Связаны с формированием рынка товаров и услуг для обеспечения получения качественной аналитической информации. Товар. Под товаром на рынке понимается произведенный производителем продукт, способный к процедуре полноценного отчуждения. Часто товар связан с понятием предоставления услуги.

Отчуждение товара Понятие, всецело связанное со способностью выполнять полезные функции на рынке в отсутствии его разработчиков или создателей. Товар – исключает понятие авторского сопровождения при использовании потребителем продукта. (Например, СИ, комплекса…

Отчуждение товара Использование потребителем продукта (или товара) возможно только при наличии Технического описания и инструкции по эксплуатации. Часто необходима разработка технологии применения продукта на объекте (для СИ – это методика измерения)

Структуры привлекаемые к созданию товара. РАН (фундаментальные и прикладные исследования). НИИ и КБ (прикладные промышленно-ориентированные исследования). Государственные университеты и институты (НИЛы, центры, ориентированные на учебный процесс). Технопарки (консолидированные структуры создаваемые под выполнение прикладных исследований и их последующего внедрения в производство). Структуры частного капитала (сбалансированная структура ориентированная на получение производственной прибыли) Промышленные предприятия (относительно слабая способность к иновационной деятельности).

Структура себестоимости промышленной продукции в РФ. Должна включать затраты по обеспечению сохранения природной среды (воздух, вода, почва), затраты по обеспечению безопасных условий труда… Что мы наблюдаем в действительности?

Технические аспекты понятия мониторинга

Концептуальные подходы в задачах атмосферного мониторинга. Применение автоматических газоаналитических средств измерения на каждый анализируемых компонент. Построение автоматических комплексов СИ и Станций. Сорбция газообразных веществ на жидкие и твердые поглотители для последующего анализа в лабораториях. Применение методов и средств измерений обеспечивающих одновременное определение многих компонентов газовой среды и формирование «образа запаха» . Подход по обеспечению качества атмосферного воздуха.

Система управления качнством атмосферного воздуха в г. Санкт-Петербург.

Концепция применение автоматических газоаналитических средств измерения. Основные загрязнители: Озон, CO, NO 2, SO 2, Пыль – PM 10. 0, PM 2. 5 Специфические загрязнители: NO, CO 2, NH 3, H 2 S, HF, HCL, CL 2, О 2. Пыль- PM 1. 0 , Метеорологические параметры: Направление и скорость ветра, Температура, давление, относительная влажность.

Методы измерения веществ, реализованные в СИ. Газовый анализ (Основной перечень. ) Оптическое поглощение в УФ области спектра. Недисперсионный ИК анализ (NDIR). Гомогенная хемилюминесценция в газовой фазе (газофазное титрование). Электрохимия. Резонансная флуоресценция. Лазерная нефелометрия. Гетерогенная хемилюминесценция совмещенная с термокаталитическим конвертированием. Гравиметрия.

Методы измерения веществ, реализованные в СИ. Газовый анализ (Дополнительный перечень. ) Спектрометрия ионной подвижности, (IMS). Пламенно-ионизационное детектирование, (ПИД). Ослабление β-радиации. Метод микробаланса.

Методы измерения веществ в конденсированной фазе. Флуоресцентный анализ, Хроматография, Масс-спектрометрия, Гравиметрия, Спектроскопия в УФ, видимой и ИК области спектра. Комбинационное рассеяние света, (в том числе, THz-рамановская спектроскопия, КРС совмещенное с технологией SERS – поверхностно усиленого рамановского рассеяния света). Лазерно-индуцированная спектроскопия плазмы (LIBS). Колориметрия и др. методы.

Необходимость методического и метрологического обеспечения процедуры выполнения измерений. Применение СИ референтного и эквивалентного типа. Неопределенность объекта исследования.

Технология создания типовой Системы станций атмосферного мониторинга. 1 УРОВЕНЬ. Комплекс, Автоматическая Станция атмосферного мониторинга. 2 УРОВЕНЬ. Система станций атмосферного мониторинга и ее позиционирование к электронной карте промышленного региона. 3 УРОВЕНЬ. Формирование ГИС.

Требования к архитектуре автоматических станций атмосферного мониторинга. Функциональное назначение автоматических станций. Эксплуатационные характеристики автоматических станций. - Функции передачи информации на внешний терминал. - Функции управления и контроля.

Функциональное назначение автоматических станций. Получение информации в автоматическом режиме измерения. Формирование базы данных результатов измерений. Формирование сводок и отчетов. Оперативное извещение о появлении факта превышения уровня ПДК по измеряемым компонентам атмосферного воздуха.

Реализация функций Станции мониторинга Обеспечение важнейших функций мониторинга – достоверность и непрерывность рядов получаемых данных. Высокий уровень защищенности программно-аппаратного ядра комплекса, базы данных. Генерация протоколов в формате данных, принятых Росгидрометом в соответствии с нормативными Документами РФ. Полная совместимость с существующими подходами в мониторинге атмосферного воздуха, принятыми в США и Евросоюзом. Разработана и сертифицирована, как объект промышленной эксплуатации.

Каковы общие требования законодательства РФ на поставляемые СИ и Станции атмосферного мониторинга? Все СИ, применяемые на Станции должны быть Сертифицированы и внесены в Государственный реестр средств измерения РФ. Все СИ и Станция построенная на их основе должны иметь заключение об экологической экспертизе, проведенной в подведомственных организациях РОСГИДРОМЕТА. На СИ должны быть предоставлены положительные Заключения Методической комиссии Росгидромета об их применимости на постах. Сама Станция, или измерительный комплекс, должны быть Сертифицированы и внесены в Государственный реестр средств измерения РФ. Все применяемые изделия в составе станций должны иметь сертификат ГОСТ-Р об электрической безопасности и электромагнитной совместимости.

Каковы общие требования законодательства РФ на поставляемые СИ и Станции атмосферного мониторинга? Все СИ и Станция должны иметь действующие Свидетельства об аттестации или клеймо Госповерителя в паспорте. Причем, поверка Комплекса или станции должна быть проведена в составе с используемым регистратором данных (Дата Логгером). Все СИ должны быть произведены на основании Лицензий РФ, выданных производителю оборудования Госстандартом. СИ должны иметь Утвержденную Методику выполнения измерений в в составе измерительного комплекса или Станции атмосферного мониторинга. Формат предоставления данных должен соответствовать документам ОНД-86 и РД-52. 04. 186 -89. Рекомендованная Росгидрометом форма представления данных по мониторингу ТЗА-4.

Система Станций атмосферного мониторинга (АСКЗА). Необходимые и достаточные требования для ее реализации.

Мероприятия по обеспечению качества получаемой аналитической информации потребителями. Организация получения информации пользователями со станций АСКЗА через выделенные линии доступа в сеть – ADSL, Протокол TCP/IP. Организация получения информации пользователями с применением радиоканалов.

Мероприятия по обеспечению качества получаемой аналитической информации потребителями. Ежегодное планирование бюджетных средств для поддержания полноценного функционирования станции, Системы станций атмосферного мониторинга. Первичная подготовка и ежегодная переподготовка специалистов по обслуживанию: СИ, Станций АСКЗА, Системы управления качества атмосферного воздуха. Формирование отдела по обеспечению функционирования АСКЗА СО на системном уровне.

Отдел по обеспечению функционирования АСКЗА СО. Социальные аспекты мониторинга. ГИС Менеджер. Обеспечивает инвентаризацию выбросов; Трансляцию уровня загрязнений, как информации получаемая от Станций; Ведение электронных карт. Системный администратор. Обеспечивает работоспособность сервера и ведет базу данных. Аналитическая группа. Работа по использованию базы данных, построение и поддержание методик определения. Формирование годового отчета, выдача рекомендаций по подфакельным измерениям. Получение среднестатистических оценок и расчет риска. Работа с общественностью.

Типовая Станция атмосферного мониторинга типа СКАТ. текущие значения ПО установленное на ПАК 8816 позволяет: просматривать измеряемых компонент, обеспечивает хранение данных с различным (выбранным) усреднением, трансляция значений в табличном и графическом виде, формирование отчетов с заданными характеристиками, в том числе в рекомендуемой унифицированной форме Росгидромета ТЗА-4. Используемые каналы связи: фиксированная, сотовая, LAN, проводная связь по стандартным протоколам. Реализована функция инициативной сигнализации превышения значений заданного уровня (ПДК) по любому из измеряемых компонентов атмосферного воздуха. Возможна передача инициативных сообщений пользователю по фиксированной и сотовой связи факта возникновения аварий. В «активной» версии ПО предусмотрена процедура изменения конфигурации станции, выполнение операций по градуировке каналов.

Станция мониторинга СКАТ с совмещенными функциями. Средства измерений экологических лабораторий объединены в единую сеть сбора, обработки, архивации, протоколирования и передачи данных с использованием специализированного регистратора данных - Data Logger. Данные с ПАК станций типа СКАТ через сервер поступают на терминалы пользователям.

Структура программно-аппаратного комплекса ПАК 8816 СКАТ 4 уровень Рабочие станции пользователей С помощью web-браузера пользователи просматривают данные в базе центрального сервера. GSM-каналы, телефонные каналы, сеть Internet, локальная сеть 3 уровень Сервер объединения и хранения данных (центральный сервер) Опрашивает один или несколько автономных регистраторов данных, формирует базу данных, предоставляет пользователям web-интерфейс. GSM-каналы, телефонные каналы, сеть Internet, локальная сеть 2 уровень Автономный регистратор данных (data-logger) Формирует базу данных автономной станции. RS-232/RS-485, возможна реализация взаимодействия через GSM- канал. Протокол Modbus. 1 уровень Система сбора данных автономной станции Устройство распределенного сбора данных и управления на базе интерфейса RS- 485 с поддержкой протокола Modbus.

Структура программно-аппаратного комплекса Регистратор данных Каналы Пользователь LAN, Internet, GSM, телефонн ые Сервер объединения RS-232/RS-485/GSM и хранения данных Регистратор данных (data-logger) Пользователь (оператор) Система сбора данных Web-интерфейс Измерительный комплекс

Система сбора данных Интерфейсы RS-232/RS-485 Обмен данными по протоколу Modbus Масштабируемость: до 247 устройств в сети модульная конструкция протяженность сети до 1200 м и может быть увеличена с использованием повторителей Способность снимать показания с различных типов датчиков в любых комбинациях: аналоговые входы/выходы по току и напряжению дискретные входы/выходы

Регистратор данных (data-logger) Интерфейсы RS-232, Gigabit Ethernet Возможность организации взаимодействия с центральным сервером по беспроводным и проводным каналам связи Промышленное исполнение: расширенный диапазон рабочих температур повышенная вибростойкость фильтр пыли для входного потока воздуха монтаж в стандартную 19” стойку Подключается к специальному источнику бесперебойного питания, который обеспечивает: коррекцию формы питающего напряжения, плавное включение/выключение временную поддержку питания при отсутствии напряжения во внешней сети звуковую и светодиодную индикацию состояния установку дополнительных батарейных модулей

Сервер объединения и хранения данных Компьютер под управлением ОС Windows XP Professional. При повышенных требованиях к сохранности данных и производительности возможна реализация на серверной аппаратной и программной (Windows Server) основе Формирует общую базу данных по результатам опроса регистраторов данных Предоставляет web-интерфейс пользователям (выполняет функции web-сервера) Может быть объединен с регистратором данных в одном компьютере

Рабочая станция оператора Для выполнения базовых функций нет необходимости устанавливать дополнительное ПО Оперативное оповещение пользователя об аварийных ситуациях с помощью программы Alarm. Client Доступ к web-интерфейсу на центральном сервере: просмотр текущих данных просмотр тревог формирование отчетов экспорт таблиц данных в MS Excel просмотр розы ветров и розы концентраций просмотр графиков настройки доступа пользователей к данным индивидуальная настройка отображения графиков и диаграмм

Web-интерфейс пользователя Таблица архивных данных

Web-интерфейс пользователя Роза ветров

Web-интерфейс пользователя Графики

Web-интерфейс пользователя Роза концентраций

Web-интерфейс пользователя Отчет за месяц

Автоматизированная система контроля загрязнения атмосферы (АСКЗА СО) ОБЩАЯ СХЕМА ИНФОРМАЦИОННЫХ ПОТОКОВ ГИС Посты мониторинга Инвентаризация Сервер Метеостанции выбросов АСКЗА СО Интенсивность Метеопрогноз потоков транспорта Расчетные Сводные данные Краткосрочный Выявление поля загрязнения мониторинга атмосферы прогноз загрязнения систематических атмосферы несанкционированных городов области выбросов

Общие принципы функционирования АСКЗА СО Основное требование к подобной информационной системе – обеспечить возможность интегрировать разнородные и асинхронные данные наблюдений, дополняя их, при необходимости, результатами расчетов. Этого можно достичь путем использования этих данных не столько для воспроизведения текущих полей концентрации, сколько для уточнения с их помощью сведений о выбросах отдельных источников (путем решения обратной задачи). Моделирование Расчетные модели Усвоение данных Оценка уровней воздействия Выбросы Измерения

ПРИВЯЗКА РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТА К ДАННЫМ ИЗМЕРЕНИЙ Процедура привязки необходима для исключения случайных ошибок, связанных с погрешностями задания исходных данных

ПРИМЕР РАСЧЕТА СРЕДНЕГОДОВОГО ПОЛЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВЫБРОСАМИ АВТОТРАНСПОРТА Примесь: Азота Диоксид (мкг/м 3) Область: 3*3 кв. км

Пример краткосрочного прогноза загрязнения атмосферы выбросами объектов энергетики Примесь: Азота диоксид Область: 25*25 кв. км

Форматы первичных данных, получаемых от станций атмосфе мониторинга.

Формат предоставления данных ТЗА-4

Типовые варианты станций размещаемых в экологических павильонах и всепогодных шкафах.

Станции, размещенные на различных типах автомобилей.

Спасибо за внимание.