автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Система производственного мониторинга для подготовки решений по экологической безопасности газопроводов

На правах рукописи

ШЕСТЕРНЁВ Николай Романович

СИСТЕМА ПРОИЗВОДСТВЕННОГО МОНИТОРИНГА ДЛЯ ПОДГОТОВКИ РЕШЕНИЙ ПО ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ГАЗОПРОВОДОВ (на примере системы газопроводов Заполярное-Уренгой)

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (химическая технология)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004 г.

Работа выполнена в Московской Государственной Академии тонкой химической технологии им. М.В.Ломоносова

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Ярыгин Геннадий Андреевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ермуратский Петр Васильевич

кандидат технических наук Лукьянов Олег Викторович

Ведущая организация ООО "НадымГазпром"

Защита состоится " 27 " " апреля " 2004 года в 12.00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.120.08 при Московской Государственной Академии тонкой химической технологии им. М.ВЛомоносова по адресу: 119571, г. Москва, пр. Вернадского, 86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИТХТ им. М.ВЛомоносова (г. Москва, ул. Малая Пироговская, 1).

Реферат разослан "М" " " 2004

года.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Бурляева Е.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Наиболее распространенным фактором антропогенного воздействия, приводящего к отрицательным последствиям, является загрязнение природной окружающей среды, и, в частности, перенос вредных веществ на большие расстояния. В период существования технологических процессов, не обеспечивающих полную утилизацию отходов и замкнутых циклов воздуха, может быть разрешен ограниченный, строго контролируемый выброс токсичных веществ (ТВ) в атмосферу, который определяется по специальным методикам, учитывающим рассеяние ТВ, их накопление и миграцию. Хозяйственная деятельность предприятий (в первую очередь предприятий топливного комплекса) потребовала дальнейшей разработки и принятия научно обоснованных мер по ограничению выбросов и загрязнения ими природной среды и, прежде всего, атмосферного воздуха.

Одним из эффективных механизмов экологического регулирования является информационно-управляющая система. производственного экологического мониторинга, обеспечивающая подготовку управляющих решений по снижению антропогенных влияний на окружающую среду производственных комплексов.

Эффективность производственного экологического мониторинга существенно возрастает на предприятиях газовой отрасли ввиду значительной протяженности газопроводов (сотни и тысячи километров) и огромных крупнотоннажных объемов транспортировки газа." Эти же огромные масштабы создают трудности в подготовке управляющих экологических решений, поскольку существующие в настоящее время в системах мониторинга программные средства обработки и представления информации не поддерживают картографических режимов. (геоинформационных систем ГИС) - наиболее эффективных для производственных систем большой протяженности.

Таким образом, для предприятий газовой промышленност особую актуальность приобретает задача расчёта и прогнозирования воздействия на окружающую среду выбросов в атмосферу и сбросов в гидросферу загрязняющих веществ. Она важна как для органов законодательной и исполнительной власти (в качестве инструмента по научному обоснованию размеров платежей. за загрязнения и установлению нормативов), так и для предприятий (в качестве одного из инструментов по оптимизации затрат на производство).

Цель работы. Разработка информационно-управляющей системы экологического производственного мониторинга для повышения эффективности принятия решений на основе совершенствования методов обработки и представления информации для газопроводов Заполярное-Уренгой.

Задачи, решаемые для достижения цели. 1. Системный анализ производственного экологического мониторинга при подготовке управляющих решений с выделением системных факторов и определением "узких мест" в контуре подготовки управляющих решений. I РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ I

I библиотека I 3 •

2. Разработка геоинформационного подхода к расчёту экологической обстановки в районе системы газопроводов.

3. Разработка алгоритмического обеспечения оценки экологической ситуации для подготовки управляющих решений (для лица, принимающего решения).

4. Разработка программных средств, реализующих алгоритм оценки экологической ситуации -для лица, принимающего решения.

Научная новизна:

• впервые выполнен системный анализ производственного экологического мониторинга системы газопроводов Заполярное-Урентой и определено "узкое место" при подготовке управляющих решений: слабая сочетаемость моделей, описывающих процессы загрязнения (выброс, перенос, оседание примесей);

• разработана методика на основе геоинформационного подхода, с помощью которой проводится мониторинг не только отдельных компонент природной среды, но и целых. пространственных систем, что повышает эффективность расчётов экологической обстановки: в районе системы газопроводов;

• разработан алгоритм расчёта максимально-разовых приземных концентраций токсичных веществ на основе динамических ГИС-моделей зон загрязнения с использованием электронных карт промышленного района системы газопроводов;.

• разработаны и прошли тестирование на контрольных задачах программные средства расчёта экологической ситуации для лица, принимающего решения.

Практическая значимость:.

• в составе подсистемы подготовки управляющих решений системы производственного экологического мониторинга создан блок расчета приземных концентраций загрязняющих веществ, позволяющий: давать достаточно точные интегральные оценки загрязнений окружающей среды за длительный период времени на картографической основе;

• на базе Maplnfo 6.0 разработано программное обеспечение ГИС производственного экологического мониторинга, которое испытано на контрольных задачах и внедрено в опытную эксплуатацию в составе имитационного макета информационно-управляющей системы,

• блок расчета приземных концентраций загрязняющих веществ обеспечит экономическую эффективность за счёт существенного снижения выплат за фактические выбросы и сбросы предприятия "система газопроводов Заполярное-Уренгой", которые значительно отличаются от условно-учётных, рассчитываемых по номенклатуре оборудования и плановому объёму производства.

Апробация работы: основное содержание диссертации и её отдельные положения,

касающиеся вопросов создания ГИС и картографической основы, докладывались на 12

Международной конференции "Применение космических снимков в науке и технике"(ИКИ РАН, май 2003), а также на 6-ой и 7-ой отраслевых конференциях Газпрома (2002-2003 годы).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в пяти научных работах: 3 статьи и 2 депонированных программных документа.

Структура. и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 116 страниц текста, в том числе 32 рисунка, 9 таблиц, 78 наименований информационных источников.

В первой главе проводится системный анализ производственного экологического мониторинга при подготовке управляющих решений. Обеспечение экологической безопасности системы газопроводов в окружающей природной среде представляет собой сложную научно-техническую проблему, решение которой требует совместного рассмотрения множества разнообразных задач подготовки и математической обработки информации. Выявление способов повышения эффективности обработки информации и подготовки управляющих решений возможно лишь на основе системного анализа ввиду огромной размерности решаемых задач и широкого спектра применяемых программных средств.

Структурная схема системного анализа приведена на рис.1. Системный анализ выполнен с учётом следующих основных принципов: исследование системных факторов, формирование контура обратной связи и анализ "узких" мест (критических точек) при подготовке управляющих экологических решений. Двойным контуром на схеме выделены блоки обработки информации, составляющие основное содержание диссертационного исследования.

Обеспечение экологической безопасности поддерживается механизмами экологического регулирования (государственными, отраслевыми, региональными, нормативными, экономическими и т.д.) (рис.2). По определению, главным информационным ресурсом механизмов экологического регулирования является экологический мониторинг загрязнений. окружающей среды. Тем самым в состав системных факторов включаются все подсистемы экологического мониторинга: от информационно-измерительной сети до организационного обеспечения.

Экологическое регулирование опирается на систему ограничительных документов, в число которых входят нормативы на допустимые выбросы и сбросы, как разовые, так и интегральные ( годовые ). Соблюдение ограничений на выбросы и сбросы поддерживается экономическими стимулами (регламентными платежами и прогрессивными штрафами). Этим определяется важность и актуальность точных и экспрессных расчетов фактических выбросов и сбросов с привязкой к региону в пространстве и во времени.

Обеспечение экологической безопасности

3

Система гспопроводов Окружаошря среда

К о н т У Р

о

б р

а т н о й

с в я 3 и

Механизмы экологического регулирования

7>

ЛПР^/^ужба производственного экологического мониторинга

Д 11 "Ц

Экологический мониторинг загрязнений' окружающей среды '

Представление экологической информации

Подготовка управляющих решений

Информационно-измерительная сеть

Инфсрмацдонно-упрашющая подсистема

Подсистема передачи данных 4-

Информационное и программное обеспечение

Математическое обеспечение

Организационное обеспечение

Анализ "узких мест* при подготовке управляющих решений

С и с т е м н ы е

Ф а к т о

Р

ы

Рис. 1. Структурная схема системного анализа производственного экологического мониторинга при подготовке управляющих решений.

Рис.2. Структура экологического регулирования.

Результаты таких расчётов представляют собой основное содержание экологической информации, передаваемой лицу, принимающему решения (ЛПР), и в службу промышленного экологического мониторинга из блока подготовки управляющих решений. Информационное, математическое и программное обеспечения расчётов поддерживаются соответствующими подсистемами экологического мониторинга. Математической основой расчётов служит совокупность математических моделей формирования выбросов, распространения и рассеивания токсичных веществ с выбросом, оседания, миграции и т.д.

Большинство используемых математических моделей прошли сертификацию, аккредитацию и давно применяется в экологических расчётах. Однако эти модели разрабатывались разными научными школами, предназначались для разных форм представления выходной информации, используют различный программный интерфейс, поэтому их совместное применение в экологических расчётах является сложной задачей.

Именно это "интерфейсное многообразие" математических моделей для экологических расчётов является основным "узким местом" при подготовке управляющих решений.

Система магистральных газопроводов Заполярное-Уренгой предназначена для обеспечения транспорта газа Заполярного месторождения вобъеме 1000 млрд. м3/год. Комплекс линейных сооружений системы общей протяженностью 194 км в административном отношении располагается в Пуровском и Тазовском районах Ямало-Ненецкого автономного округа Тюменской области.

Эксплуатация системы газопроводов "Заполярное-Уренгой" сопряжена с опасностью негативного воздействия на природную среду в результате ее загрязнения и возможных аварий. Экологическая безопасность системы газопровода должна обеспечиваться не только проектными технологическими решениями, системой технического обслуживания газопровода и защитными мероприятиями, но и средствами комплексного контроля за состоянием различных компонентов природной среды.

Оборудование, эксплуатируемое на ряде объектов газопровода "Заполярное-Уренгой", является источником химического и физического (шумового) воздействия на атмосферный воздух.

Химическое воздействие обуславливается поступлением загрязняющих веществ в атмосферу от технологического оборудования.

Основным источником воздействия на атмосферный воздух являются объекты КС "Пуртазовская" (98% из общего предполагаемого объема выбросов). К ним относятся:

• газоперекачивающие агрегаты (ГПА);

• котельные;

• электростанции;

• установки очистки газа.

Газовые выбросы загрязняющих веществ в атмосферу компрессорной станцией "Пуртазовская" показаны в табл. 1.

Таблица 1.

Годовые выбросы загрязняющих веществ в атмосферу КС "Пуртазовская".

Загрязняющее вещество Кол-во выбросов загрязняющих веществ, т/год

Оксид углерода - 1600

Диоксид азота 650

Оксид азота 160-

Метан 214

Углеводороды (по керосину) 0,66

Бензин 0,97

Углеводороды (по бензину) 0,03

ИТОГО 2625,7

Производственные сточные воды от площадки ВЖК (вахтовый жилой комплекс), от насосной АЗС, дождевые стоки, с обвалованных площадок склада резервного, дизельного топлива для котельной и дизельной электростанции, наземного склада топлива самотеком собираются в насосную станцию с грязеотстойником для очистки сточных вод от мехпримесей производительностью 6 м3/час.

Очищенные производственные и хозяйственно-бытовые сточные воды через канализационные насосные станции перекачиваются в резервуар с последующим сбросом на водосборную площадь р. Малая Ярьяха. Характеристика вод после очистки приведена в табл. 2.

Таблица 2.

Характеристика очищенных сточных вод КС "Пуртазовская" и ВЖК.

Наименование загрязняющих веществ - ПДК, мг/л Фактическая концентр аци после очистки, мг/л

Взвешенные вещества 30 4

Минерализация 1000 568

БПКполн. 3 2,3

Фосфаты (по Р) 0,2 0,15

Хлориды (анион) 300 295

СПАВ 0,1 0,08

Нитраты (по Ы) 9 0,01

Сульфаты (анион) • 100 23

Азот аммонийный • 0,4 0,3

Железо общее 0,1 0,08

Нитриты (по Ы) 0,02 0,01

Нефтепродукты 0,05 0,01

Проведение производственного экологического мониторинга позволит контролировать воздействие объектов на различные компоненты природной среды и на этой основе осуществлять природоохранные мероприятия, а также своевременно предотвращать или

локализовывать негативное воздействие опасных природных и техногенно-природных процессов.

Контроль осуществляется как путем непрерывных измерений (с помощью автоматических средств контроля) на территории ВЖК, так и периодически — посредством отбора проб для проведения последующих анализов в аналитической лаборатории.

Информационно-измерительная сеть представляет собой комплекс технических и программных средств, предназначенных для сбора и первичной обработки измерительных данных об экологических параметрах контролируемых компонентов природной среды (рис. 3).

Необходимая репрезентативность, полнота, достоверность и точность измерительных данных об экологической обстановке на контролируемой территории достигается за счет правильного выбора состава контролируемых параметров и схемы размещения измерительных звеньев и пунктов контроля на местности, выполнения регламента измерений и наблюдений,. использования метрологически аттестованных средств контроля и аттестованных методик отбора проб и их анализа.

В состав ИИС входят датчики, измерительные приборы и оборудование, скомпонованные. в автономные модули, называемые измерительными звеньями, которые предназначены для проведения определенного типа измерений и наблюдений и передачи данных. В системе используются следующие измерительные звенья:

Информационно-управляющая подсистема (ИУП) представляет собой комплекс технических и программных средств, обеспечивающих организацию процесса сбора, обработки, хранения, распределения и представления информации в системе ПЭМи осуществляющих управление режимами работы измерительной сети.

Центр мониторинга (ЦМ) предназначен для сбора, обработки, анализа, хранения и распределения информации о состоянии контролируемых компонентов природной среды на объектах системы газопроводов "Заполярное-Уренгой", контроля за работой системы ПЭМ в целом, подготовки отчетной документации для представления в надзорные органы и подготовки информации для лица, принимающего решения.

Программное обеспечение Центра мониторинга и автоматизированных рабочих мест функционирует на базе IBM PC - совместимых компьютеров. В качестве общесистемной и сетевой среды используется операционная система MS Windows 2000 Professional. Компьютеры снабжаются необходимыми офисными приложениями и набором системных утилит, позволяющих выполнять системное сопровождение и техническое обслуживание программных комплексов. АРМ-ПСД подключен к локальной сети АСУ 111 КС "Пуртазовская" с использованием сетевых карт стандарта NE2000 или совместимых с ними.

Рис.3 • Структурная схема информационно-управляющей подсистемы.

В состав прикладного программного обеспечения входят системы управления базами данных (СУБД), позволяющие организовывать накопление, обработку, хранение и защиту измерительной информации, вести операции по ведению баз данных (извлечение, обновление, добавление и удаление), а также поиск информации по запросам пользователей.

Важную роль в расчётах экологической ситуации играют математические модели. Вследствие сложности процесса распространения примесей, его ярко выраженной нелинейности, наличия многочисленных факторов воздействия, из которых основные, метеорологические, носят случайный характер и изменяются во времени и пространстве, не существует моделей, достаточно точно описывающих процесс переноса. Во множестве моделей, с той или иной точностью описывающих процесс рассеяния или просто предсказывающих уровень загрязнения, можно выделить несколько групп, объединенных по типу используемых математических методов.

Прежде всего, это модели диффузионные. При этом формализация подхода сводится к описанию динамической трансформации полей концентрации примесей дифференциальными уравнениями типа полного уравнения диффузии при некоторых упрощающих предположениях.

При моделировании процесса распространения загрязнений в атмосфере следует принимать во внимание масштабность процесса. Очевидно, что на.больших расстояниях эффекты осредняются, масштабы вариации контрольных параметров уменьшаются, амплитуды колебаний сглаживаются. Таким образом, в этом случае загрязнение окружающей среды следует рассматривать с точки зрения системного анализа как процесс процесса переноса и превращения загрязняющих веществ, а именно,- поглощение, перенос и накопление вредных веществ в других средах и объектах окружающей среды. В региональных моделях основную роль играет атмосферный перенос.

Источники выбросов классифицируются по их пространственной конфигурации и продолжительности действия. Источники выбросов никогда не бывают точечными. Выбросы всегда осуществляются с начальным разбавлением, степень которого определяется концентрацией (объемной активностью) примеси в газовоздушной смеси. Строго говоря, практически все источники осуществляют объемный выброс. Для начального разбавления примеси наилучшим является т.н. «метод виртуального источника».

Наиболее популярной и чаще всего используемой моделью диффузии примеси является так называемая гауссова модель. Она рекомендована для практического применения всеми Международными организациями, включая: Всемирную метеорологическую организацию (ВМО), Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ), Научный комитет по

действию атомной радиации (НКДАР) ООН, Всемирную организацию здравоохранения (ВОЗ) и др. Использование гауссовой модели учитывает практически все особенности рассеяния

Все практические реализации гауссовой модели атмосферной диффузии являются полуэмпирическими. Это означает, что параметры модели устанавливаются на основе опытных . данных. Оценки таких параметров были выполнены в работе применительно к рельефу местности газопровода и используются в моделях расчётов АРМ эколога.

Подробное рассмотрение всех подсистем производственного экологического мониторинга приводит к выводу, что технические, информационные и программные ресурсы позволяют решать задачи большой размерности и сложности. Исключение составляют программные средства моделирования распространения загрязнений.

Действительно, проведённый анализ показал, во-первых, закрытость большинства программных комплексов, невозможность перенастройки при утверждении новых нормативов и лимитов выбросов, и во-вторых, - наличие весьма ограниченных возможностей по работе с пространственно распределенными данными. "Географический" взгляд на данные часто позволяет по-новому понять и объяснить их.

Таким образом, перспективным направлением при моделировании распространения -загрязнений является: более полное использование технологий ГИС (географических информационных систем) предоставляющих богатый инструментарий по визуализации, обработке и анализу пространственно-распределенных данных.

Во второй главе исследуется геоинформационный подход к расчёту экологической обстановки в районе газопровода. При моделировании экологических ситуаций необходимо учитывать как - временные факторы (например, интенсивность образования выбросов, зависящую от сезона; интенсивность осадков и другие), так и пространственные (взаиморасположение источников выбросов, распределение зон загрязнения в пространстве и другие).

Учитывать разномасштабность координатных интервалов времени, используемых при моделировании экологических ситуаций, следует при совместном рассмотрении нескольких процессов, которые характеризует резко отличающаяся интенсивность изменения определяющих факторов. Это в полной мере относится к таким процессам, как перенос примеси, накопление загрязнений. Определяющие факторы для каждого из этих процессов имеют разную интенсивность (интенсивность образования выбросов, интенсивность осадков и т.д.).

Ряд исследователей (А.М.Смирнов, Е.В.Дедиков, В.М.Шек, М.Ф.Каневский, В.В.Демьянов, А.А.Филиппова и др.) подчеркивают, что в настоящее время ГИС является необходимым элементом при реализации любых сложных проектов экологической

направленности, в том числе мониторинговых ГИС - это особая информационная система. Она ориентирована на манипулирование географическими (пространственно распределенными) данными, на их анализ, моделирование и отображение в целях решения задач планирования и управления (в том числе имеющих экологическую направленность).

Базовым компонентом любой ГИС являются пространственные данные о географических объектах, включающие сведения об их местоположении и свойствах. Полный набор однотипных объектов одного класса в пределах данной территории образует слой.

Тематические слои в геоинформационной системе сопровождаются атрибутивными базами данных (БД), содержащими необходимую для исследований информацию: цифровую, описательную, графическую и т.д. Эта информация связывается с пространственными объектами через систему идентификаторов.

В качестве программной среды разработки математической модели распространения загрязнений выбрана ГИС ARC/INFO ArcView (фирма ESRI- Environmental Systems Research Institute). Выбор не случаен, поскольку в составе ЕГСЭМ (Единой государственной системы экологического мониторинга) 22 процента от всех видов специализированного программного обеспечения занимает ГИС семейства ARC/INFO.

Известно, что на процесс распространения загрязнений влияют множество факторов, имеющих случайный характер (сила и направление ветра, распределение концентраций примесей в пространстве и т.д.) и факторов, поведение которых известно заранее - сезонная интенсивность образования выбросов и другие. Аппарат математического моделирования позволяет реализовать динамику экологических процессов, учесть, например, нестационарность выбросов (и таким образом избежать неоправданного завышения значений концентраций и больших штрафов за загрязнение окружающей среды, трат лишних средств на проведение природоохранных мероприятий).

Для каждого заданного интервала времени определяется свое значение мощности и состава выброса. Изменение мощности выброса определяется коммутациями на газонасосных станциях, которые по времени совпадают с началом и концом смен, времени суток, профилактик и т.д. Эта информация позволит представить весь период моделирования в виде последовательности интервалов, в течение которых мощность источника и исходный состав выброса остаются постоянными.

Выбрасываемая воздушно-газовая смесь участвует в процессах переноса и оседания примеси. Изменение концентрации веществ-загрязнителей в единичном объеме приземного слоя атмосферы с течением времени показано на рис.4.

Концентрация в выбросе основных загрязнителей может быть выражена в долях ПДК или в . В случае присутствия в выбросе веществ - загрязнителей, обладающих

суммированным (аддитивным) действием, используется понятие «группа суммации».

Модель распространения загрязнений строится с использованием объектно-ориентированного подхода к построению сложных систем Как показано на рис. 5, структура модели включает такие основные блоки, как модели-процессы, модель внешних связей, репозиторий, базы масштабированных данных (знаний) о предметной области. Объектно-ориентированные модели - это:

• Модель - монитор осуществляет создание и управление сценарием моделирования (установкой временных интервалов, интерфейсом внутренней модели и исходных данных, выбор альтернатив и др.).

• Модель внешних связей системы - определяет правила взаимодействия (интерфейс) с внешним миром, контроль доступа и управление распределенной обработкой данных.

• Внутренняя модель - динамическая модель распространения примеси на базе ГИС Она реализует взаимодействие моделей-объектов, учитывает пространственно-временные факторы рассеяния и позволяет, пополнять базы масштабированных данных (знаний) о предметной области.

Модели - процессы (модель образования выброса, переноса, оседания примеси), соответствующие заданным этапам распространения загрязнений.

Репозиторий используется для хранения и управления библиотеками моделей-объектов и процессов, метаданных.

Рис. 5. Структура математической модели процесса распространения загрязнений.

Базы масштабированных данных (знаний) о предметной области включают электронные карты экологического содержания и т.д.

Модель внешних связей-обеспечивает интерфейс с внешней средой.

При этом сама математическая модель реализована в виде интегрированной ГИС, которая учитывает пространственно-временные факторы рассеяния и позволяет пополнеть базы масштабированных данных (знаний) о предметной области.

Кроме того, ГИС обеспечивает естественную взаимосвязь моделей-процессов («образование выброса», «перенос примеси», «оседание (накопление) примеси») и моделей-объектов («промышленный выброс», «среда-переносчик», «земная поверхность»).

Динамическая ГИС модель загрязнения - это совокупность зон (областей) загрязнения, образованных в приземном слое атмосферы за период времени At. В соответствии с моделью данных ГИС, такие зоны помещаются на отдельном слое пространственных данных и сопровождаются атрибутивной информацией о временных характеристиках образования загрязнения, параметрах источника выбросов, веществах-загрязнителях. К объектам такого слоя могут применяться групповые операции, например — наложение на карту поверхности; выбор жилых объектов, попадающих в зоны аварийного превышения значений ПДК и т.д.

Алгоритмическому обеспечению расчётов экологической ситуации для подготовки управляющих решений посвящена третья глава. Отдельные модели загрязнения, построенные в различных временных и географических масштабах, могут объединяться в интегрированные ГИС-модели объектов с использованием принципа пространственно-временного масштабирования (в соответствии с методикой геоинформационного подхода).

Элементарные объекты этой модели загрязнения образованы за п временных координатных интервалов, длительностью АТц, согласно правилам:

Modell = £ SubModel(, если п е [l,.~, Ll+l ] ;

7=1

1.

Modell - Model^ + ^SubModell, если • n = aLk+l+b, ;.

j-Щп-Ь)

а, b -целые

где:

к - номер координатного интервала времени (1 -час, 2-сутки, 3-неделя и т.д.),

ке[0,...,К]; пеИ\ 7* - к-ый координатный интервал времени;

Г*" - п-ый координатный интервал времени длительности Д7* ; Ьк - количество (к-1)-ых координатных интервалов времени.

Методика расчета концентраций вредных веществ на базе ГИС-моделей загрязнения состоит из следующих основных этапов:

1. Расчет максимальных приземных концентраций вредных веществ.

2. Расчет параметров распределения приземных концентраций относительно каждой оси розы ветров.

3. Построение интегральной поверхности зоны загрязнения вдоль каждого из направлений ветра.

4. Настройка модели процесса распространения загрязнений.

5. Моделирование распространения загрязнений с использованием ГИС-технологий, сохранение результатов в репозитории и подготовка данных для ЛПР.

Для расчета полей максимальных концентраций вдоль каждого из 1 - направлений ветра используется методика ОНД-86. Степень загрязнения атмосферы выбросами вредных веществ из непрерывно действующих источников здесь определяется по наибольшему значению разовой приземной концентрации вредных веществ которая устанавливается на

некотором расстоянии от места выброса при неблагоприятных метеорологических

условиях, когда скорость ветра достигает опасного значения, и в приземном слое происходит интенсивный турбулентный обмен.

По гауссовой модели, горизонтальная и вертикальная диффузии примеси подчиняются нормальному закону распределения. Но поскольку перенос ветром заметно сильнее диффузии в перпендикулярном направлении, в модели гаусса параметры нормального распределения входят в итоговое уравнение только как промежуточные величины. Т.е. использовать в явном виде нормальный закон для моделирования распределения примеси не представляется возможным.

В условиях, когда можно выделить один фактор, оказывающий превалирующее воздействие на рассеяние (ветер), логнормальный закон является более удобной формой описания распределения примеси, скапливающейся в приземном слое атмосферы вдоль оси направления ветра. В направлении, перпендикулярном оси воздействия ветра, все факторы, оказывающие влияние на рассеяние, действуют достаточно равномерно, так что их суммарное воздействие можно описать нормальным законом распределения .Рис.6 иллюстрирует расчёты поверхности интегральной зоны загрязнений на 1-том слое ГИС.

В диссертации разработан алгоритм расчёта распространений загрязнений предложенной методики (рис.8). Расчёты выполняются для нескольких интервалов отображаются на слое ГИС "зона загрязнения", как показано на рис.7.

на основе времени и

В четвёртой главе изложены результаты разработки программных средств геоинформационной поддержки принятия решений. Рассмотрение идеи внедрения геоинформационного подхода для подготовки управляющих решений в системе производственного экологического мониторинга проводилось в предыдущих главах на основе простейшей (учебной) ГИС Arc View 3.1. Однако для промышленного применения-программные средства разрабатываются на основе гораздо более совершенной системы ГИС Maplnfo Professional 6.0.

В настоящее время накоплены большие объемы пространственной и атрибутивной информации (карты, космические и аэрофотоснимки, данные экспедиционных исследований и т.д.) по объектам строительства СМГ «Заполярное-Уренгой».

ГИС Maplnfo оснащена широким спектром средств для ввода, редактирования и проверки векторных карт, кроме этого есть большой список дополнительных приложений, которые позволяют, автоматизировать эти операции. Для составления тематических карт по трассе трубопровода предпочтительнее использовать синтезированные многозональные космические снимки высокого разрешения, например, Landsat.

После создания скорректированных изображений осуществляется их привязка в системе -Maplnfo. Изображения, сохраненные в формате GeoTIFF, привязываются автоматически с использованием утилиты «Register a Raster Image» из стандартного набора программ Maplnfo.

В этом случае необходимо только указать, проекцию, в которой проводилась геометрическая коррекция растровых файлов и имя файла. После привязки растра создаются слои (таблицы) Maplnfo. Каждый из слоев должен содержать как минимум один слой тематической информации, представленной на топокарте.

Картографическое обеспечение создает научно-методическую и информационную основу для формирования баз и банков экологической информации о состоянии природной. среды для создания геоинформационных систем и принятия управленческих и проектных решении.

Методика составления: электронных карт системы магистральных газопроводов "ЯмалИнвест" включает:

• создание фонда* базовой картографической информации, содержащего различные карты, составленные на основе имеющихся к началу наблюдений материалов;

• сбор, обработку и систематизацию оперативных данных аэрокосмических и наземных наблюдений для их картографирования;

• перевод обработанных данных в картографическую форму: составление оперативных карт развития наблюдаемых явлений, условий их распространения и происходящих при этом изменений;

• анализ составленных карт с целью выявления закономерностей распространения наблюдаемых явлений, оценки и прогноза состояния окружающей природной среды.

Наилучший метод интерполяции пространственных данных выбирается для каждого конкретного обследования, исходя из имеющейся информации. Для исполнителей рекомендуется комплекс программ, позволяющий по опытным точкам рассчитывать концентрации в узлах регулярной сетки желаемой густоты и строить изолинии с заданным шагом.

Структура каталога для хранения карт или собственно, КБД, представляет собой иерархическую систему папок файловой системы (рис.9).

Рис. 9. Струта^ра каталога для хранения карт.

1 лавная папка «ECO_DB», в ней первый уровень вложенности соответствует «MAIN_DB» (расположение Базы Данных «ЯмалГазИнвест»), «MDB» (расположение Картографического банка данных), «PROGRAM» (расположение программного обеспечения) и «TEST» (расположение тестируемых карт и баз данных).

У папки «MDB» второй уровень вложнности - это Стройка, например, «Заполярное -Уренгой» (ZAP_UR), в перспективе расширения системы (включение других строек) соответствующие папки могут быть добавлены. Папка «ZAP_UR» включает следующий уровень иерархии - это папки «2002», «ADDITIONAL_DATA» и «TEMP». С использованием разработанных картографических баз данных созданы макеты автоматизированных рабочих мест картографа и инженера-эколога, который является лицом, принимающим решение. Функциональные возможности АРМ эколога включают;

• поиск и просмотр карт, таблиц и тематических карт;

• просмотр составных карт и формирование рабочих наборов;

• выполнение расчетов или поиск пространственной или атрибутивной информации (например, платы за выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных источников и др.).

Внешний вид АРМ-а эколога представлен на рис. 10.

ШЯИИМИИИ—ДВИ?а'."" -п- " ■ .1""~ Г| 6 ЛМ

Рис.10. Рабочее окно АРМ инженера-эколога - лица, принимающего решения.

Интерфейс составлен таким образом, чтобы вся необходимая информация была в поле зрения (управление слоями, информация об объекте, карта и условные обозначения). Окно «Слои» в верхней части содержит список слоев активного окна «Карты». Средствами диалога можно формировать произвольный состав слоев и тематических карт, если этого требуют решаемые задачи. Предусмотрена возможность, подгружать необходимые слои не входящие в состав База Данных, например аэро- и космоснимки, и т.д. (любые файлы Maplnfo).

Дальнейшее наполнение функциональными возможностями. АРМа Эколога предполагается проводить на этапе внедрения системы в ЗАО «Ямалгазинвест», после принятия пилотного проекта системы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выполнен системный анализ производственного экологического мониторинга системы газопроводов Заполярное-Уренгой и определено "узкое место" при подготовке управляющих решений: слабая сочетаемость моделей, описывающих процессы загрязнения (выброс, перенос, оседание примесей).

2. Разработана методика на основе геоинформационного подхода, с помощью которой проводится мониторинг не только отдельных компонент природной среды, но и целых пространственных систем, что повышает эффективность расчётов экологической обстановки в районе системы газопроводов.

»- 638?.

3. Разработан алгоритм расчёта максимально-разовых приземных концентраций токсичных веществ на основе динамических ГИС-моделей зон загрязнения с использованием электронных карт промышленного района системы газопроводов.

4. В составе подсистемы подготовки управляющих решений системы производственного экологического мониторинга создан блок расчета приземных концентраций загрязняющих веществ, позволяющий давать достаточно точные интегральные оценки загрязнений окружающей среды за длительный период времени на картографической основе.

5. На базе Maplnfo 6.0 разработано программное обеспечение ГИС производственного экологического мониторинга, испытано на контрольных задачах и внедрено в опытную эксплуатацию в составе имитационного макета информационно-управляющей системы.

6. На базе программных средств ГИС производственного экологического мониторинга разработано автоматизированное рабочее место "Лица, принимающего решения - инженера-эколога" (АРМЭ). АРМЭ прошло тестирование на реальных картах и подготовлено к промышленной эксплуатации.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Кузин Р.Е., Шестернёв Н.Р. Системный анализ промышленного экологического мониторинга газопроводов "Заполярное-Урентой". -Сб. статей "Оптимизация и обработка информации", вып. 3, Изд. Вл.ГУ, 2003-С.27-36.

2. Тёмкин В.М., Шестернёв Н.Р. Методика составления, структура и содержание карт для картографического банка данных объектов систем • магистральных трубопроводов ЗАО "Ямалинвест". Депонированный отчёт о НИР, инв.№ ТИ-03/14, Питер-Газ, 2003,212 с.

3. Шестернёв Н.Р., Варущенко С.С. Создание и внедрение блока производственного экологического мониторинга в специализированную географическую информационную систему для объектов газопроводов "Заполярное-Уренгойн.\\Депонированный программный документ, ОФАП ЦНИИГазИнформ, инв.№ 111/2003 ОФАП-195 с.

4. Шестернёв Н.Р., Чугунов Л. С, Еремеев Ю.Н., Марцев Ю.П. Организация инженерно-экологических изысканий для проектирования и строительства системы магистральных газопроводов на примере газопровода "СРТО-Торжок" на участке Уренгой-Надым. "Проблемы экологии газовой промышленности" научно-технический сборник. -2003,№3.

5. Ярыгин Г.А., Шестернёв Н.Р. Задачи инженерно-экологических изысканий при строительстве магистральных газопроводов на примере газопровода "СРТО Торжок". ж."Экологические приборы и системы", №6,2003.

Подписано в печать 18.03.2004 Формат 60x84/16. Бумага писчая. Отпечатано на ризографе. Уч.изд.листов 1,4 Тираж 100 экз. Заказ № 40 Лицензия на издательскую деятельность ИД №03507 (per. № 003792) код 221 Издательско-лолиграфический центр МИТХТ им.М.В.Ломоносова 119571, Москва, просп. Вернадского. 86