Оптимизация структуры и алгоритмов функционирования локальных систем экологического мониторинга тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Задыкян, Анаит Арутюновна

• Задыкян, Анаит Арутюновна
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Задыкян, Анаит Арутюновна

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация структуры и алгоритмов функционирования локальных систем экологического мониторинга»

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 диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Задыкян, Анаит Арутюновна

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Задыкян, Анаит Арутюновна, 2006 год

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.