автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Оптимизация структуры и алгоритмов функционирования локальных систем экологического мониторинга

На правах рукописи

ЗАДЫКЯН Анаит Арутюновна

ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ И АЛГОРИТМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ СИСТЕМ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

Специальность 05.11.13 — Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2006

Работа выполнена на кафедре мониторинга и автоматизированных систем контроля Московского государственного университета инженерной экологии и в НПО «Химавтоматика»

Научный руководитель: д.т.н., профессор Попов Александр

Александрович

Научный консультант: к.ф.-м.н.,Котов Сергей Владиленович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор Пушкин Игорь Александрович

доктор технических наук,

профессор Беляев Юрий Иванович

Ведущая организация: ГЕОХИ РАН

Защита состоится 2006 года в /^^часов на

заседании диссертационного совета % 212.145.02 при Московском государственном университете инженерной экологии по адресу: 105066 , Москва, ул.Старая Басманная, 21/4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУИЭ. Автореферат разослан » д^'Ъу&Щ 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.145.02, к.т.н., доцент

Мокрова Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Локальные системы экологического мониторинга в отличие от больших распределенных систем экологического мониторинга (региональных, государственных и др.) создаются с целью наблюдения и прогноза экологического состояния санитарно-защитных зон и прилегающих к ним территорий крупных промышленных предприятий, особоохраняемых территорий, природных заповедников и др. Эти объекты мониторинга являются форпостами на пути движения экологически опасных поллютантов, и поэтому их состояние должно постоянно контролироваться локальными системами экологического мониторинга (далее ЛСЭМ). Отдельные технические компоненты таких систем в виде: химико-аналитических комплексов, стационарных постов, стационарных и мобильных экоаналитических лабораторий и др., -разработаны и вполне доступны. Однако теоретические основы их системной организации и тем более оптимизация до настоящего времени не разработаны. Поэтому тема диссертационной работы весьма актуальна. Особую актуальность работе придает достигнутая цель -возможность применения оптимизированных по структуре, составу и алгоритмам функционирования ЛСЭМ в качестве первого звена систем экомониторинга высшего уровня.

ЛСЭМ функционируют на основе измерительной информации о текущем и прогнозируемом химическом составе наблюдаемых природных объектов. Эта информация корректируется с одной стороны с результатами производственного химического контроля по химическому составу отходов, а с другой с биохимическими показателями экосистем: сохранение разнообразия видов флоры и фауны.

ЛСЭМ могут являться активными компонентами больших распределенных систем. Для этого обязательным является требование общей сопоставимости результатов экоаналитических измерений на основе унификации приборно-методического и метрологического обеспечения.

Следует отметить также необходимость оптимизации и унификации программно-математического обеспечения (далее ПМО). Вопрос в том, что многие ЛСЭМ разрабатываются как составные части компьютерной сети данного промышленного предприятия. Это нельзя считать правильным, так как компьютерная среда предприятий разрабатывается в первую очередь как компонент управления

технологиями и может не учитывать ни специфику ЛСЭМ, ни дальнейшее включение ЛСЭМ в системы более высокого уровня.

В большинстве литературных источников, цитируемых в обзоре (гл. 1), речь идет или об объектах мониторинга, или об экоаналитических информационно-измерительных системах. В данной диссертации предлагается в соответствии с принципами теории управления представить ЛСЭМ в виде разомкнутой системы регулирования: техногенное воздействие —» объект мониторинга —> блок экоаналитических измерений —»■ измерительная информация.

Из такой постановки задачи исследований следует, что оптимизация структуры и алгоритмов функционирования ЛСЭМ возможна только при учете динамических свойств объекта мониторинга, а также статических и динамических характеристик средств измерений, Превращение незамкнутой ЛСЭМ в замкнутую означает создание системы управления качеством окружающей среды по ГОСТ Р ИСО 14000 «Системы управления окружающей средой».

Диссертация выполнена в рамках работ НПО «Химавтоматика» по реализации задач, сформулированных в основополагающем документе -«Основы Государственной политики в области обеспечения химической и биологической безопасности Российской Федерации на период до 2010 года и дальнейшей перспективы», утвержденным Президентом РФ 04.12.03 г. Пр-2194, раздел 13,14. Работа в этом направлении была представлена в качестве одной из актуальных работ МГУИЭ в заявке на НИР, направленной в Министерство науки в 2003 г.

Целью диссертационной работы является получение уравнения обобщенной функции С(х, 0 «объект мониторинга - измерительная система» и на этой основе проведение оптимизации структуры и алгоритмов функционирования ЛСЭМ по совокупности химико-аналитических и технико-экономических критериев.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие

задачи:

1. Предложить и обосновать математическую модель измерительной системы с учетом введения в ЛСЭМ блоков численного дифференцирования и интегрирования по времени измерительной информации и получить функцию С(х, 0, являющуюся отражением функции С(х, 0 в оптимальной по структуре, составу и алгоритмам функционирования ЛСЭМ.

2. Предложить и обосновать математические модели локальной экосистемы как объекта управления ЛСЭМ в режимах

«мгновенного точечного выброса» и «длительного техногенного воздействия», т.е. два варианта функции С(х, X).

3. Экспериментально подтвердить снижение пределов обнаружения средств измерений за счет введения в ЛСЭМ блоков длительного интегрирования концентрации в пробах воды и воздуха по времени.

4. Рассчитать технико-экономические показатели экоаналитических лабораторий как основных структурных элементов измерительного блока ЛСЭМ.

5. Предложить оптимальную структуру и алгоритмы функционирования ЛСЭМ как при штатной эксплуатации техногенного объекта, так и в режимах техногенных аварий.

6. Разработать общий алгоритм функционирования ЛСЭМ в целом и автоматизированных рабочих мест (АРМов) эколога, системного инженера и дежурного ГУ ГОЧС.

Научная новизна диссертации состоит в следующем:

1. Предложена структура ЛСЭМ как разомкнутой системы управления, включающей в себя объект мониторинга и измерительную систему, и получено математическое выражение обобщенной функции С(х, 0.

2. Впервые предложено с целью повышения быстродействия и достижения требуемых пределов обнаружения экозагрязнителей ввести в структуру ЛСЭМ как дифференцирующие каналы, так и интегрирующие по времени состав пробы.

3. Разработаны основные направления оптимизации структуры и состава ЛСЭМ по совокупности химико-аналитических и технико-экономических критериев.

4. Предложен оптимальный алгоритм функционирования ЛСЭМ как адаптивной измерительной системы.

Практическая значимость.

В настоящее время в России созданы и разрабатываются десятки локальных систем экологического мониторинга. Среди функционирующих ЛСЭМ следует отметить такие объекты, как космодром Плесецк, объекты уничтожения химического оружия, производственная площадка НПО Радон (Московская область). Эти объекты имеют санитарно-защитные зоны площадью десятки тысяч гектаров. Среди разрабатываемых можно отметить г. Хабаровск и экосистему реки Амур. Практическая значимость полученных результатов состоит:

- в повышении основных химико-аналитических характеристик ЛСЭМ, т. е. чувствительности, точности, экспрессности;

- в снижении как стартовых, так и эксплутационных затрат на создание и функционирование ЛСЭМ;

- в возможности тиражирования разработанного алгоритмического базиса ЛСЭМ.

Результаты диссертационной работы могут быть использованы как для совершенствования существующих, так и при разработке новых ЛСЭМ. Результаты работы использованы также в учебном процессе, а именно: при разработке лекционного курса «Управление качеством окружающей среды» и методических указаний «Экологическая экспертиза и оценка воздействия на окружающую среду», «Основные критерии оценки загрязнения атмосферного воздуха». Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-19», на ежегодной студенческой научной конференции факультета "Автоматизация и Информационные Технологии" МГУИЭ - 2006. Публикации.

По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ. Положения. выносимые на защиту:

1. Обобщенная функция локальной экосистемы как объекта управления ЛСЭМ в режимах «мгновенного точечного выброса» и «длительного техногенного воздействия», т.е. два варианта функции С(х, г).

2. Математическая модель измерительной системы с учетом введения в ЛСЭМ блоков численного дифференцирования и интегрирования по времени измерительной информации и выведение функции С(х, являющейся отражением функции С(х, 0 в оптимальной по структуре, составу и алгоритмам функционирования ЛСЭМ.

3. Результаты оптимизации структуры и алгоритмов функционирования ЛСЭМ как при штатной эксплуатации техногенного объекта, так и в режимах техногенных аварий.

4. Снижение пределов обнаружения средств измерений за счет введения в ЛСЭМ блоков длительного интегрирования концентрации в пробах воды и воздуха по времени.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов и приложений. Общий объем работы составляет 4ЪЪ стр., в том числе основного текста - 4 23 стр., включая рисунки - 23 и таблицы - 48 таблицы, £ стр. списка литературы из <£$" наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность исследования локальных систем экологического мониторинга с целью оптимизации их структуры и алгоритмов функционирования, сформулирована цель исследования, указаны пути ее достижения, раскрыты научная и практическая ценность выполненной работы, а также перечислены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору существующих на сегодняшний день систем экологического мониторинга, их классификации, анализу наиболее распространенных методов экологического мониторинга, а также автоматизированным системам экомониторинга.

Во второй главе рассмотрены математические модели поведения концентрации поллютанта в случае техногенной аварии и при постоянной техногенной нагрузке. При этом функция, описывающая зависимость концентрации экозагрязнителя от расстояния от источника и времени, названа обобщенной С (х, 0.

ЛСЭМ можно представить в виде двухзвенной разомкнутой системы рис. 1.

воздействие

Рис. 1. Структурная схема ЛСЭМ: С(х, I) является измерительно преобразованной формой С (х, 0

При организации обратной связи ЛСЭМ в классическую систему управления качеством окружающей среды.

Целью нижеприведенных математических расчетов является получение функции С (х, () как информационной основы для принятия решений.

В результате математического описания дифференцирующих и интегрирующих блоков ЛСЭМ получены следующие формулы обобщенной функции разомкнутой системы.

1. При источнике мгновенного действия, имеющего массу

—>

поллютанта М (г), испускаемую в момент ( = 0, концентрация Смг по классической диффузионной модели при отсутствии ветра выражается формулой:

М , г2

-— ехр(--_

(4лО0 4ВГ

где О - коэффициент диффузии (см2/сек), г - расстояние от источника (м). Для производной от концентрации из формулы (1) получим

Смг(х,0:

Ы ( 2Х ( 40(!

М , г2

—>

Интеграл от концентрации Смг (х, г) по времени выражается формулой:

Сш (х, 0 = ]см (X, 1)с1т = С(х, сс)х(2-, (3)

Ф(х) = -^=]ехр(- уМ, (4)

-> —> ->

а Смг(х.оо;-установившееся значение интеграла С(х,0 в точке л: при

2. При источнике длительного действия с интенсивностью

//0 (г/сек), действующем, начиная с момента 10 = 0, для концентрации —►

С6я(х,г) получим:

Сдд(х,0=Сдя(х,^)х(2-2Ф(-~)). (5)

Производная от концентрации Сдп(х,() по времени выражается формулой:

Интеграл от концентрации Сдл(х,1) по времени определяется формулой:

СдД(х,() = jCät(x,T)dT=Cit(x,co)x

+ 2t)(1 - Ф(-^=)) - глР~ х ехр(-—) D " л/Ш \nD 4Dt

(7)

В процессе последующих математических операций получена зависимость С(х, t)/у от параметра у - Dt/r 2 для первого случая

£™L.J-«p(-L)t (8)

Г У 4у и представлена для ряда значений «у» на графике рис. 2.

С(х,1)

3 -

2 -

ут=±* 0,167

Уп1 =1(1-^4)^0,062

у+ 0,272

о

Ут У„ У„:

Рис. 2. График функции С(х,1) при мгновенном точечном выбросе

Зависимость С/С» от «у» для второго случая при ряде значений этого параметра представлена на графике рис. 3:

С(х,1)

■ 2-2Ф

( \ г

Ж,

(9)

На рис. 4 представлены графики изменения концентрации поллютанта при мгновенном точечном выбросе при различных скоростях ветра. За исходные данные были взяты: М= 2 кг, х = 20 м, а2 —сс3 = 0,2. Расчеты проводились по следующим формулам

Р

1 -1)3 ~ТехР(~ у

2<х1

C(tt)

Рис. 3. График функции С (х, 0 при постоянной техногенной нагрузке

Р= г-4М} , . (11)

Ш

* = — . (12)

д;

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований воздушной среды Леоновского лесопарка на содержание оксидов серы и фосфора и водной среды реки Яуза в районе Лихоборки на содержание кадмия.

В эксперименте участвовали два типа интегрирующих элементов, отличающихся только конструктивно, а параметры пробоотбора, состав элюента и режимы интегрирования были аутентичны.

С

I -и = 5 м/с

II -и = 2 м/с

Рис. 4. График изменения концентрации поллютанта при различных

скоростях ветра

Цель проведения эксперимента с применением двух конструктивно различных интегрирующих элементов состояла в том, чтобы показать независимость принципов оптимизации структуры ЛСЭМ от типов применяемых технических средств.

Режимы интегрирования, параметры и результаты измерений представлены в таблицах 1 и 2.

В эксперименте участвовали два основных элемента оптимальной структуры ЛСЭМ:

- мобильная экоаналитическая лаборатория экспресс-анализа и пробоотбора;

- стационарная экоаналитическая лаборатория «Инлан» -интеллектуальный лабораторный анализ.

Объект исследования был выбран неслучайно, так как НПО «Химавтоматика» периодически проводит анализ воздуха Леоновского лесопарка, и на протяжении нескольких лет превышения ПДК по 802 и Р205 не обнаруживалось.

Таблица 1

Результаты измерений концентрации 80г

Методы измерений

Методика ионной хроматографии ПНД Ф 14.1:2:4.19-98 Методика с интегрированием пробы

Юл 20 л 50 л 100л 150 л

на уровне ПДК рабочей зоны БОг не обнаружено на уровне ПДК атм. воздуха вОгне обнаружено не обнаружено не обнаружено следы 0.1 ПДК атм.воз-духа 0.1 ПДК атм. воздуха

Таблица 2

Результаты измерений концентрации Р2О5_

Методы измерений

Методика ионной хроматографии ПНД Ф 14.1:2:4.19-98 Методика с интегрированием пробы

Юл 50 л 100 л 150л 200 л

на уровне ПДК рабочей зоны Р205 не обнаружено на уровне ПДК атм.воздуха Р205 не обнаружено не обнаружено не обнаружено следы 0.08 ПДК атм.воздуха 0.07 ПДК атм.воздуха

Времена интегрирования проб и полученные соответствующие им результаты измерений концентрации кадмия приведены в таблице 3.

Таблица 3

Результаты измерений концентрации Сс1_

Методы измерений

Методика рентгенофлуо-ресценгного анализа ПДНФ 14.1:2:4.13398 Методика с интегрированием пробы

5л Юл 20 л 50 л 100 л

на уровне ПДК питьевой воды не обнаружено не обнаружено не обнаружено следы 0.2±0.02 ПДК питьевой воды 0.25±0.02 ПДК питьевой воды

Введя в процедуру измерения интегрирующие элементы и предусмотрев установку гидрофобных фильтров на выходе, мы получили

измеренные значения концентраций этих экозагрязнителей на достаточно низком уровне. Подтверждением правильности проведенных измерений может служить то, что значения концентраций в последних и предпоследних столбцах табл. 1, 2, отличающихся степенью интегрирования в 1,5 раза, практически полностью совпали.

По аналогичным основаниям был выбран объект контроля поймы реки Яуза в месте впадения ее притока - реки Лихоборка. Дело в том, что замеры, проводимые НПО «Химавтоматика», никогда не обнаруживали в воде присутствие солей кадмия в результате прямых измерений. Причина этого состоит в том, что ПДК кадмия чрезвычайно мала и составляет для природных вод 0,005 мг/л. Поэтому данный объект является наиболее представительным для исследований интегрирующих элементов ЛСЭМ при анализе водных сред.

В первых двух столбцах таблицы 3 представлены результаты измерений концентрации кадмия, полученные по методике экологического контроля водных сред ПНД Ф 14.1:2:4.133-98 (прямые измерения). В последующих столбцах табл. 3 приведены результаты измерений с использованием интегрирующих элементов ЛСЭМ. Из этих данных следует, что возможность получения количественной информации находится довольно далеко от пределов обнаружения стандартного приборно-методического обеспечения, применяемого для экологического контроля техногенных объектов.

В четвертой главе, посвященной оптимизации структуры ЛСЭМ, рассмотрены структурные элементы системы и их иерархическая соподчиненность.

В главе 2 была обоснована необходимость, а в главе 3 реализуемость введения в структуру ЛСЭМ интегрирующих и дифференцирующих звеньев. Это связано с тем, что ЛСЭМ должна решать задачи парирования угроз как при аварийных ситуациях на промышленных предприятиях (мгновенный точечный источник), так и при их нормативно-разрешенной деятельности (источник постоянного действия).

Предполагаемая оптимизация структуры ЛСЭМ представлена на рис. 5, в которую введены дифференцирующие и интегрирующие звенья.

Таким образом, система приобретает возможность адекватно реагировать на ситуацию быстрого нарастания концентрации опасного поллютанта, а также на медленное нарастание концентрации экотоксиканта при штатной работе промышленных предприятий. В случае возникновения аварийной ситуации система имеет возможность за

счет дифференцирующих звеньев определять направление мощности поражающего фактора, что позволит быстро определить возможный выход поражающего фактора за пределы санитарно-защитной зоны и принять меры по защите жилых районов. При штатной эксплуатации прогноз также необходим, но эта задача усложнена тем, что анализ должен проводиться на уровне концентраций природного фона.

При проведении технико-экономического анализа рекомендуется для исходных данных рассчитать зависимость В — }(т), где В - отпускная цена анализа, т - количество анализов за одну смену. Так, при количестве анализов в смену т = 2 отпускную цену анализа требуется установить на уровне 28 $ США, т.е. в 3,5 раза выше Ь (Ь - себестоимость одного полного анализа пробы, 20$). Это совершенно нереально вследствие достаточно высокой конкуренции в сфере экоаналитических измерений. Предельно возможным следует считать вариант от = 10, при котором В = 1,5Ь. Вариант т - 20 вполне приемлем, так как В = 1,2Ь.

Пятая глава раскрывает сущность алгоритмов функционирования ЛСЭМ, детально описывая алгоритмические блоки управления, обеспечения внутрисистемных связей, хранения и передачи информационных потоков.

Алгоритмическая база ЛСЭМ согласно принципиальной схеме рис. 6 сосредоточена в АРМ эколога.

В структуру этой базы входят алгоритмические блоки, представленные на рис. 6.

В соответствии с оптимальной структурой ЛСЭМ оптимальный алгоритм функционирования также состоит из 3-х подсистем:

- внешняя подсистема;

- инженерная подсистема;

- подсистема эколога.

Каждая из этих алгоритмических подсистем выполняет свои функции, но функционирует в едином общесистемном алгоритме.

Внешняя подсистема функционирует только в режиме чрезвычайной ситуации (ЧС). Ее функциями являются:

- оценка возможности выхода последствий ЧС за пределы санитарно-защитной зоны;

- предупреждение и при необходимости организация эвакуации;

- привлечение санитарно-медицинских служб.

Рис. 5. Оптимальная структура ЛСЭМ

Функциями инженерной подсистемы являются:

- дистанционный контроль исправности, как средств первичной информации, так и аппаратно-программных комплексов системы;

- контроль своевременной реализации проверочных и поверочных операций;

- принятие решений по восстановлению отказавших элементов и блоков системы;

- сообщение в подсистему эколога о временном отказе компонентов системы и предложений по введению дублирующего резерва.

Рис. 6. Структура алгоритма функционирования АРМ эколога

Подсистемы эколога в явном или в неявном виде присутствуют во всех существующих и проектируемых ЛСЭМ. Однако функции существующих подсистем эколога крайне ограничены и практически реализуют только информацию о превышении (не превышении) экологических нормативов.

Оптимизация алгоритмов функционирования этой центральной

подсистемы состоит в расширении ее функций на основе введенных в структуру ЛСЭМ интегрирующих и дифференцирующих звеньев, а также алгоритмических блоков обработки этой информации, а именно:

- управления техническими средствами ЛСЭМ в режиме ЧС;

- прогнозирования развития ЧС;

- долговременных экологических прогнозов;

- природоохранных инженерных решений. Основные результаты и выводы диссертации:

1. Предложена и обоснована математическая модель измерительной системы с учетом введения в ЛСЭМ блоков численного дифференцирования и интегрирования по времени измерительной информации и получена функция С (х, ¡), являющаяся отражением функции С (х, 0 в оптимальной по структуре, составу и алгоритмам функционирования ЛСЭМ.

2. Предложены и обоснованы математические модели локальной экосистемы как объекта управления ЛСЭМ в режимах «мгновенного точечного выброса» и «длительного техногенного воздействия», т.е. два варианта функции С (х, 0.

3. Экспериментально подтверждено снижение пределов обнаружения средств измерений за счет введения в ЛСЭМ блоков длительного интегрирования концентрации в пробах воды и воздуха по времени.

4. Рассчитаны основные технико-экономические критерии оптимизации приборно-методического обеспечения экоаналитических лабораторий.

5. Разработаны оптимальные алгоритмы функционирования ЛСЭМ при штатной эксплуатации техногенного объекта и в режимах техногенных аварий. Предложена оптимальная структура ЛСЭМ.

6. Разработан общий алгоритм функционирования ЛСЭМ в целом и автоматизированных рабочих мест (АРМов) эколога, системного инженера и дежурного ГУ ГОЧС.

7. Результаты, представленные в диссертации, применены НПО «Химавтоматика» при модернизации ЛСЭМ космодрома Плесецк, а также внедрены в учебный процесс при разработке лекционного курса «Системы экологического мониторинга» и методических указаний «Экологическая экспертиза и оценка воздействия на окружающую среду», «Основные критерии оценки загрязнения атмосферного воздуха».

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Потапкин В.А., Попов A.A., Задыкян A.A., Системы управления качеством окружающей среды. Математическое обеспечение // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - Москва, 2004. №12 - С. 26-29.

2. Попов A.A., Потапкин В.А., Задыкян A.A., Методика и приборы для оценки эффективности природоохранных инженерных решений на основе экоаналитических измерений //Приборы. - Москва, 2004. №12 (54).-С. 38-41.

3. Попов A.A., Потапкин В.А., Задыкян A.A., Химико-аналитическая систематизация экозагрязнителей и оптимальные приборно-методические решения //Экологические системы и приборы. - Москва, 2005. №2. - С. 35.

4. Попов A.A., Потапкин В.А., Задыкян A.A., Мобильные экоаналитические LIMS //Приборы. - Москва, 2005. №6 (60). - С. 11-15.

5. Задыкян A.A., Потапкин ВА., Структура системы управления качеством окружающей среды //Приборы. - Москва, 2005. №9. - С. 60-62.

6. Основные критерии оценки загрязнения атмосферного воздуха/К.П.Латышенко, А.А.Задыкян; Федер. агентство по образованию, Моск. гос. ун-т инж. экологии, ф-т АИТ, кафедра «Мониторинг и автоматизированные системы контроля». - М.: МГУИЭ, 2006. - 32 с.

7. Экологическая экспертиза и оценка воздействия на окружающую среду/К.П.Латышенко, А.А.Задыкян; Федер. агентство по образованию, Моск. гос. ун-т инж. экологии, ф-т АИТ, кафедра «Мониторинг и автоматизированные системы контроля». - М.: МГУИЭ, 2006. - 32 с.

8. Задыкян A.A., Попов A.A. Системная организация информационно-измерительных каналов локальных систем экологического мониторинга //Математические методы в технике и технологиях: сборник трудов XIX Международной научной конференции. Том 8. - Воронеж: ВГТА, 2006. - С. 215-217.

9. Задыкян A.A. Интегрирующие измерительные каналы локальных систем экологического мониторинга//Студенческая научная конференция факультета «Автоматизация и информационные технологии»: тезисы докладов аспирантов, магистрантов и студентов. - М.: МГУИЭ, 2006. - С. 31-32.

Подписано в печать Тираж 70 экз. Заказ 56 Отпечатано в Типографии Т-1 Москва, Окружной проезд, д. 16

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СИСТЕМ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО

МОНИТОРИНГА (литературный обзор).

1.1. Классификация систем экологического мониторинга.

1.2. Методы и системы мониторинга природных объектов.

1.3. Автоматизированные системы экологического мониторинга.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБОБЩЕННОЙ

ФУНКЦИИ ЛСЭМ.

2.1. Техногенные аварии (мгновенный точечный источник).

2.2. Штатная эксплуатация (постоянный источник).

2.3. Быстродействие ЛСЭМ.

2.4. Расчет производных и интегралов от концентрации поллютанта по времени.

2.5. Расчет особых точек графиков концентрации при источниках мгновенного и длительного действий.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1. Анализ воздушных сред на содержание S02 и Р205.

3.2. Анализ водных сред на содержание Cd.

3.3. Комментарии к результатам экспериментов.

3.4. Метрологическая корректировка результатов измерений.

ГЛАВА 4. ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ ЛСЭМ.

4.1. Эксплутационные и конструктивные требования к ЛСЭМ.

4.2. Устройства первичной информации (УПИ).

4.2.1. Оптимизация приборно-методического обеспечения ЛСЭМ по химико-аналитическим критериям.

4.2.2. Технико-экономические критерии оптимизации выбора приборно-методического обеспечения ЛСЭМ.

4.3. Интегрирующие и дифференцирующие каналы.

4.4. Центральный контроллер системы (ЦКС).

4.5. Автоматизированные рабочие места (АРМ).

ГЛАВА 5. ОПТИМИЗАЦИЯ АЛГОРИТМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

ЛСЭМ.

5.1. Алгоритм функционирования АРМ эколога.

5.2. Алгоритм функционирования АРМ системного инженера.

5.3. Алгоритм функционирования АРМ ГУ ГОЧС.

Локальные системы экологического мониторинга в отличие от больших распределенных систем экологического мониторинга (региональных, государственных и др.) создаются с целью наблюдения и прогноза экологического состояния санитарно-защитных зон и прилегающих к ним территорий крупных промышленных предприятий, особоохраняемых территорий, природных заповедников и др. Эти объекты мониторинга являются фортпостами на пути движения экологически опасных поллютантов, и поэтому их состояние должно постоянно контролироваться локальными системами экологического мониторинга (далее ЛСЭМ). Отдельные технические компоненты таких систем в виде: химико-аналитических комплексов, стационарных постов, стационарных и мобильных экоаналитических лабораторий и др., - разработаны и вполне доступны. Однако теоретические основы их системной организации и тем более оптимизация до настоящего времени не разработаны. Поэтому тема диссертационной работы весьма актуальна. Особую актуальность работе придает достигнутая цель - возможность применения оптимизированных по структуре, составу и алгоритмам функционирования ЛСЭМ в качестве первого звена систем экомониторинга высшего уровня.

ЛСЭМ функционируют на основе измерительной информации о текущем и прогнозируемом химическом составе наблюдаемых природных объектов. Эта информация корректируется с одной стороны с результатами производственного экологического контроля по химическому составу отходов, а с другой с биохимическими показателями экосистем: сохранение разнообразия видов флоры и фауны.

ЛСЭМ могут являться активными компонентами больших распределенных систем. Для этого обязательным является требование общей сопоставимости результатов экоаналитических измерений на основе унификации приборно-методического и метрологического обеспечения.

Следует отметить также необходимость оптимизации и унификации программно-математического обеспечения (далее ПМО). Вопрос в том, что многие ЛСЭМ разрабатываются как составные части компьютерной сети данного промышленного предприятия. Это нельзя считать правильным, так как компьютерная среда предприятий разрабатывается в первую очередь как компонент управления технологиями и может не учитывать ни специфику ЛСЭМ, ни дальнейшее включение ЛСЭМ в системы более высокого уровня.

В большинстве литературных источников цитируемых в обзоре (гл.1) речь идет или об объектах мониторинга, или об экоаналитических информационно-измерительных системах. В данной диссертации предлагается в соответствии с принципами теории управления представить ЛСЭМ в виде разомкнутой системы регулирования: техногенное воздействие —> объект мониторинга —* блок экоаналитических измерений —* измерительная информация.

Из такой постановки задачи исследований следует, что оптимизация структуры и алгоритмов функционирования ЛСЭМ возможна только при учете динамических свойств объекта мониторинга, а также статических и динамических характеристик измерений. Превращение незамкнутой ЛСЭМ в замкнутую означает создание системы управления качеством окружающей среды по ГОСТ Р ИСО 14000 «Системы управления окружающей средой».

Цель работы. Целью данной диссертационной работы является получение уравнения обобщенной функции С(х, t) «объект мониторинга - измерительная система» и на этой основе проведение оптимизации структуры и алгоритмов функционирования ЛСЭМ по совокупности химико-аналитических и технико-экономических критериев.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Предложить и обосновать математическую модель измерительной системы с учетом введения в ЛСЭМ блоков численного дифференцирования и интегрирования по времени измерительной информации и получить функцию С(х, t), являющуюся отражением функции С(х, t) в оптимальной по структуре, составу и алгоритмам функционирования ЛСЭМ.

2. Предложить и обосновать математические модели локальной экосистемы как объекта управления ЛСЭМ в режимах «мгновенного точечного выброса» и «длительного техногенного воздействия», т.е. два варианта функции С(х, t).

3. Экспериментально подтвердить снижение пределов обнаружения средств измерений за счет введения в ЛСЭМ блоков длительного интегрирования концентрации в пробах воды и воздуха по времени.

4. Рассчитать технико-экономические показатели экоаналитических лабораторий как основных структурных элементов измерительного блока ЛСЭМ.

5. Предложить оптимальную структуру и алгоритмы функционирования ЛСЭМ как при штатной эксплуатации техногенного объекта, так и в режимах техногенных аварий.

6. Разработать общий алгоритм функционирования ЛСЭМ в целом и автоматизированных рабочих мест (АРМов) эколога, системного инженера и дежурного ГУ ГОЧС.

Научная новизна.

1. Предложена структура ЛСЭМ в виде разомкнутой системы управления, включающей в себя объект мониторинга и измерительную систему, и получено математическое выражение обобщенной функции С(х, t).

2. Впервые предложено с целью повышения быстродействия и достижения требуемых пределов обнаружения экозагрязнителей ввести в структуру ЛСЭМ как дифференцирующие каналы, так и интегрирующие по времени состав пробы.

3. Разработаны основные направления оптимизации структуры и состава ЛСЭМ по совокупности химико-аналитических и технико-экономических критериев.

4. Предложен оптимальный алгоритм функционирования ЛСЭМ как адаптивной измерительной системы.

Практическая значимость.

В настоящее время в России созданы и разрабатываются десятки локальных систем экологического мониторинга. Среди функционирующих ЛСЭМ следует отметить такие объекты, как космодром Плесецк, объекты уничтожения химического оружия, производственная площадка НПО Радон (Московская область). Эти объекты имеют санитарно-защитные зоны площадью десятки тысяч гектар. Среди разрабатываемых следует отметить г. Хабаровск и экосистему реки Амур. Практическая значимость полученных результатов состоит:

- в повышении основных химико-аналитических характеристик ЛСЭМ, т. е. чувствительности, точности, экспрессности;

- в снижении как стартовых, так и эксплутационных затрат на создание и функционирование ЛСЭМ;

- в возможности тиражирования разработанного алгоритмического базиса ЛСЭМ. Результаты диссертационной работы могут быть использованы как для совершенствования существующих, так и при разработке новых ЛСЭМ. Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель измерительной системы с учетом введения в ЛСЭМ блоков численного дифференцирования и интегрирования по времени измерительной информации и получение функции С(х, t), являющейся отражением функции С(х, t) в оптимальной по структуре, составу и алгоритмам функционирования ЛСЭМ.

2. Обобщенная функция локальной экосистемы как объекта управления ЛСЭМ в режимах «мгновенного точечного выброса» и «длительного техногенного воздействия», т.е. два варианта функции С(х, t).

3. Снижение пределов обнаружения средств измерений за счет введения в ЛСЭМ блоков длительного интегрирования концентрации в пробах воды и воздуха по времени.

4. Результаты оптимизации структуры и алгоритмов функционирования ЛСЭМ как при штатной эксплуатации техногенного объекта, так и в режимах техногенных аварий. Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-19», на ежегодной студенческой научной конференции факультета "Автоматизации и Информационных Технологий" МГУИЭ - 2006. Публикации.

По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы составляет 133 стр., в том числе основного текста 123 стр., включая 23 рисунка и 18 таблиц. Список литературы содержит 75 наименования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате решения поставленных задач для достижения цели диссертационной работы -оптимизации структуры и алгоритмов функционирования локальных систем экологического мониторинга — можно сделать следующие выводы:

1. Обоснована математическая модель измерительной системы с учетом введения в ЛСЭМ блоков численного дифференцирования и интегрирования по времени измерительной информации и получена функция С (х, t), являющегося отражением функции С (х, t) в оптимальной по структуре, составу и алгоритмам функционирования ЛСЭМ.

2. Предложены и обоснованы математические модели локальной экосистемы как объекта управления ЛСЭМ в режимах «мгновенного точечного выброса» и «длительного техногенного воздействия», т.е. два варианта обобщенной функции С (х, t).

3. Экспериментально подтверждено снижение пределов обнаружения средств измерений за счет введения в ЛСЭМ блоков длительного интегрирования концентрации в пробах воды и воздуха по времени.

4. Рассчитаны основные технико-экономические критерии оптимизации приборно-методического обеспечения экоаналитических лабораторий.

5. Разработаны оптимальные алгоритмы функционирования ЛСЭМ как при штатной эксплуатации техногенного объекта, так и в режимах техногенных аварий и предложена оптимальная структура ЛСЭМ.

6. Разработан общий алгоритм функционирования ЛСЭМ в целом и автоматизированных рабочих мест (АРМов) эколога, системного инженера и дежурного ГУ ГОЧС.

7. Результаты, представленные в диссертации, применены НПО «Химавтоматика» при модернизации ЛСЭМ космодрома Плесецк.

1. Арутюнова А.К. Разработка научно-методического обеспечения локальной системы экологического мониторинга атмосферы территориально-производственного комплекса: Автореф. дис. канд. техн. наук. - Москва, 2005. - 162 с.

2. Афанасьев Ю.А., Фомин С.А. Мониторинг и методы контроля окружающей среды. -М., 1998.-208 с.

3. Безуглая Э.Ю. Мониторинг состояния загрязнения атмосферы в городах. — Л., 1986.- 237 с.

4. Беляев Ю.И., Котельников А.А., Предместьин В.Р. Эвристический подход к идентификации состояния объектов с распределенными параметрами: Тез. докл. П1 Всесоюзная научная конференция КХТП-Ш. -М., 1989. С. 137-138.

5. Берлянд ME. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнение атмосферы. Л, 1975. -328с.

6. Борисенко М.Г. Автоматизированная подсистема идентификации многосвязных объектов управления: Автореф. дис. канд. техн. наук. Москва, 2006. — 160 с.

7. Бретшнайдер Б., Курфюрст И. Охрана воздушного бассейна от загрязнений. Л,1989.-288с.

8. Владимиров А.М., Ляхин Ю.И., Матвеев Л.Т., Орлов В.Г. Охрана окружающей среды. Л.: Гидрометеоиздат, 1991.-425 с.

9. Владимиров В.В. Урбоэкология. М., 1999. - 204 с.

10. Вредные химические вещества: Справ. Изд. /Под ред. В.А.Филова и др. — Л., 1988 —1990.-Т. 1-4.

11. Гильденскиольд Р.С. Санитарная охрана атмосферного воздуха городов. М., 1976.- 166с.

12. Голицын А.Н. Основы промышленной экологии. М.: ИРПО, изд. центр «Академия», 2002. - 240 с.

13. Данилов-Данильян В.И., Залиханов М.Ч., Лосев К.С. Экологическая безопасность. Общие принципы и российский аспект. М.: Изд-во МНЭПУ, 2001. - 332 с.

14. Дончева А.В. Экологическое проектирование и экспертиза М.: Аспект Пресс, 2002.-286 с.

15. Жукова Г.С., Митрохин С.И, Дарсалия В.Ш. Дифференциальные уравнения. М.: РХТУ им. ДНМенделеева, 1999. - 336 с.

16. Задыкян А.А., Потапкин В.А., Структура системы управления качеством окружающей среды //Приборы. Москва, 2005. - №9. - С. 60-62.

17. Закон РСФСР «Об охране атмосферного воздуха» от 14.07.82.

18. Закон РСФСР от 19 декабря 1991г. «Об охране окружающей природной среды».

19. Зарубин Г.П., Новиков Ю.В. Гигиена города. М., 1986. - 271 с.

20. Игошин КВ. Инвестиции, организация управления и финансирования. М., 1999. -368 с.

21. Изделия электротехнические. Общие требования безопасности: ГОСТ 12.2.007.075.

22. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. — 137 с.

23. Инженерная экология и экологический менеджмент /Под ред. Н.И. Иванова, И.М. Фадина. М.: Логос, 2003. - 528 с.

24. Инструкция о порядке составления отчета об охране атмосферного воздуха по форме №2-ТП (воздух). / Утв. Госкомстатом РФ от 07.08.90. №17-24.

25. Инструкция по инвентаризации источников выбросов вредных веществ в атмосферу предприятиями министерства нефтяной и газовой промышленности РСФСР от 01.07.89.

26. Информационно-измерительные системы. Общие требования, комплектность и правила составления эксплуатационной документации: ГОСТ 27300-87.

27. Комплект информационно-нормативных документов по аналитическим измерениям в области контроля воздуха рабочей зоны и экологического контроля окружающей среды. СПб: ВНИИМ им. ДИМенделеева, 1994. - 347 с.

28. Кораблев И.В., Беляев Ю.И, Вент Д.П, Вепренцева О.Н. Размещение средств контроля в системах экологического мониторинга атмосферы мегаполиса //Приборы. 2004.-№6(48).-С. 29-33.

29. Кормшшцын В.И. и др. Основы экологии. М., 1997. - 368 с.

30. Котельников А.А. Интерполяционный метод экологического мониторинга акватории водохранилищ: Дис. канд. техн. наук. Москва, 2005. - 165 с.

31. Лейте В. Определение загрязняющих веществ в атмосфере и на рабочем месте. -Л, 1980.-345 с.

32. Ливчак И.Ф., Бурашников Ю.М. Развитие и уточнение расчета загрязнения атмосферного воздуха вредными веществами от выбросов // Инженерная экология. — 2002. -№2. С. 51-52.

33. Лозоновская И.Н. и др. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении. -М., 1998.-287 с.

34. Луканин В.Н., Трофименко Ю.В. Промышленно-транспортная экология. М.: Высш. шк., 2001.-273 с.

35. Мазур И.И. Инженерная экология М., 1996. - 637 с.

36. Мазур И.И., Молдаванов О.И. Курс инженерной экологии,- М.,2001. — 510 с.

37. Машины вычислительные и системы обработки данных. Требования электрической и механической безопасности и методы испытаний: ГОСТ 25861-83.

38. Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды: ГОСТ 15150-69.

39. Моделирование динамики геосистем регионального уровня /Под ред. П.М.

40. Хомякова. -М.: Издательство Московского университета, 2000. -382 с.

41. Монин АС., Шишков Ю.А. Глобальные экологические проблемы. М., 1991. - 48с.

42. Новиков Ю.В., Дударев А.Я. Санитарная охрана окружающей среды современного города. Л, 1978. -216 с.

43. Орлов Д. С. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении. М.: Высш. Шк., 2002.-334 с.

44. Охрана природы. Атмосфера. Классификация выбросов по составу: ГОСТ 17.2.1.01-76.

45. Охрана природы. Атмосфера Источники и метеорологические факторы загрязнения, промышленные выбросы: ГОСТ 17.2.1.04-77.

46. Охрана природы. Атмосфера Правила установления допустимых выбросов вредных веществ промышленными предприятиями: ГОСТ 17.2.3.02-78.

47. Охрана природы. Атмосфера. Правила кошроля качества воздуха населенных пунктов: ГОСТ 17.2.3.01-86.

48. Плоцкий Л.М., Лапшенков Г.И. Автоматизация химических производств. М.: Химия, 1982.-296 с.

49. Попов А.А., Потапкин В.А., Задыкян А.А., Методика и приборы для оценки эффективности природоохранных инженерных решений на основе экоаналитических измерений //Приборы. 2004. - №12 (54). - С. 38-41.

50. Попов А.А., Потапкин В.А., Задыкян А.А., Химико-аналитическая систематизация экозагрязнителей и оптимальные приборно-методические решения //Экологические системы и приборы. 2005. -№2. - С. 3-5.

51. Попов А.А., Потапкин В.А., Задыкян А.А., Мобильные экоаналитические LIMS // Приборы. 2005. - №6 (60). - С. 11-15.

52. Потапкин В.А., Попов А.А., Задыкян А.А., Системы управления качеством окружающей среды. Математическое обеспечение //Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика 2004. - №12. - С. 26-29.

53. Потапкин В.А. Методика оценки эффективности инженерных природоохранныхрешений на основне хроматографических измерений: Дис. канд. техн. наук. Москва, 2005. -125 с.

54. Руководство по гигиене атмосферного воздуха /Под ред. К.А. Буштуевой. М., 1976.-416 с.

55. Семенченко Б.А., Белов П.Н. Метеорологические аспекты охраны окружающей среды.-М., 1984. -96 с.

56. Систер В.Г., Котов С.В., Попов АА. и др. Экоаналитические технологии. М.: ИРИДИУМ МЕДИА групп, 2004. - 312 с.

57. Средства вычислительной техники. Общие технические требования, правила приемки, методы испытаний, маркировка, упаковка, транспортирование и хранение: ГОСТ 21552-84.

58. Старокожева Е.А., Борисова Л.Б. Оценка качества атмосферы территориально-производственных комплексов //Экология и промышленность России. 2001. - №1. - С. 2325.

59. Тарасов В.В. Мониторинг атмосферного воздуха М., 2000. - 97 с.

60. Федеральный Закон от 20.12.2001 № 7 ФЗ «Об охране окружающей среды».

61. Федеральный закон от 4.05.99 № 96 ФЗ «Об охране атмосферного воздуха».

62. Федорова А.И., Никольская АН. Практикум по экологии и охране окружающей среды. М.: Изд. центр ВЛАДОС, 2003. - 288 с.

63. Шустов С.Б., Шустова Л.В. Химические основы экологии. М, 1994. - 239 с.

64. Эдельштейн Ю.Д., Котельников А.А., Наумов В.Ю., Лыкова Н.В. Автоматизированные системы экологического мониторинга: Учебное пособие /Под ред. д.т.н., проф. Д.П.Вента НИРХТУ им. ДИМенделеева, 2000.

65. Экология и безопасность жизнедеятельности /Под ред. Л.А. Муравья. М, 2000. -447 с.

66. Экология, охрана природы и экологическая безопасность /Под ред. проф. В.И. Данилова-Данильяна М., 1997. - 744 с.

67. Экология /Под ред. В.В.Денисова Ростов-на-Дону: Издательский центр «МарТ», 2002.-640 с.

68. Эколого-экономические проблемы России и ее регионов /Под ред. проф. В.Г. Глушковой. М., 2000. - 120 с.

69. Экологическая экспертиза и оценка воздействия на окружающую среду: Методические указания /К.П.Латышенко, А.А.Задыкян; Федер. агентство по образованию,

70. Моск. гос. ун-т инж. экологии, ф-т АИТ, кафедра «Мониторинг и автоматизированные системы контроля». М.: МГУИЭ, 2006. — 32 с.

71. Электрическая энергия. Совместимость технических средств. Нормы качества электрической энергии в системе электроснабжения общего назначения: ГОСТ 13109-97.