Пространственно распределенная автоматическая система экологического контроля радио запрос-ответного типа

• Автор: Иноземцев, Сергей Александрович
• Шифр специальности: 05.11.16
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 145 с. : ил.

Среди самых наукоемких областей создания информационноизмерительных и управляющих систем , включающих высшие уровни достижений современной техники приборостроения и информационных технологий следует рассматривать методы и средства создания пространственно-протяженных автоматических систем экологического контроля (АСЭК), являющихся неотъемлемой частью общего экологического мониторинга.
Информационно-метрологические возможности подобных систем напрямую увязаны с решением принципиально важных задач таких как:
- Обеспечение помехоустойчивой передачи, приема и преобразований сложных сигналов в цепях единой структуры с ЭВМ, в условиях многокилометровых каналов радиосвязи с мощными случайными индустриальными и синхронными помехами, из-за возможных многократных отражений от жилых и промышленных объектов.
- Применение измерителей первичной экологической информации локального и дистанционного принципа действия, сопрягающихся с устройствами цифровой и вычислительной техники;
- Реализуемость объемного видения экологических опасностей методом вычислительной томографией и применением специально созданных для этих целей экологических локаторов.
Современные методы построения автоматически действующих систем экологического мониторинга, охватывающих протяженные пространства промышленных и жилых регионов, позволяют придать им качественно новые свойства. Такие системы становятся средствами отображения состояния технологий крупных производств. Это означает, что они из разряда экономически затратных сооружений превращаются в разработки новых информационных технологий по управлению и регулированию техническими структурами предприятий.
Является очевидным, что проблемы экологических загрязнений окружающей природной среды всегда связаны с выбросами вредных веществ из технологических каналов с возможным дефектами и недостаточным качеством работы. Пространственная картина таких выбросов , привязанная на геодезически точных планах к важнейшими промышленными объектам, дает в реальном масштабе времени ценную информацию для принятия управленческих действий.
Новые функции систем экологического мониторинга по этой причине делает их экономически выгодными, а значит нужными для хозяйственного внедрения. С учетом последнего проектирование автоматических систем экологического контроля - АСЭК должно удовлетворять потребительским

требованиям рынка. В первую очередь к подобным требованиям можно отнести:

- Мобильность развертывания и установки элементов АСЭК;

-Автономность действия без связи с глобальными сетями и структурами других назначений;
- Информационную надежность запроса, передачи и приема необходимых измерительных данных от контролируемых зон экологических загрязнений;
- Дальность действия, в пределах не менее 10 км. по радиусу, соизмеримая с масштабами территорий крупнейших комбинатов;
- Полную автоматизацию работы системы на основе современной цифровой и вычислительной техники. Это требование является исключительным и единственно определяющим устранение субъективного вмешательства человека в результаты контроля его же деятельности.
Основное содержание диссертации посвящено научно-техническим вопросам создания АСЭК протяженных пространств промышленных и жилых регионов радио запрос-ответного типа. Такой вид системы рассматривается универсальным, легко исполнимым в модульном варианте и доступным для предприятий разной технологической направленности.
Важнейшими сторонами научно-технического анализа организованной структуры автоматизации системы экологического контроля окружающей среды рассматриваются:
1. Особенности передачи, приема и фильтрации кодированных шумоподобных сигналов радиосвязи в основе АСЭК, с учетом действия мощных индустриальных помех и проявления многократных волновых переотражений
2. Построение вычислительного, цифрового и программного комплекса управления системой из единого информационно- вычислительного центра (ИВЦ) АСЭК.
3. Построение оптимального радиоприема и передачи цифровых сигналов кодирования экологических данных от пространственно рассредоточенной системы экологических постов (ЭП).
4. Разработка информационно метрологической основы экологических локаторов с дистанционно действующими газоанализаторами.
5. Анализ возможностей действия АСЭК в режиме экологической томографии.
6. Представление экспериментально-технических результатов, полученных при выполнении диссертационной работы.
Таким образом, в полном соответствии с требованиями, предъявляемыми к диссертационным работам по специальности 05.11.16. »Информационноизмерительные и управляющие системы ( по отраслям))» в данной диссертации решена важная техническая задача, имеющая перспективы широкого применения, как в экологии, так и в промышленности для целей получения управленческой информации при наблюдении за технологическими процессами и регулировании качества их работы.

ГЛАВА 1. ОБЪЕКТЫ, ФИЗИКА И ТЕХНИКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО
МОНИТОРИНГА
1.1. Причины необходимости создания автоматических средств экологического мониторинга
В современном звучании экология - это собирательное понятие по основам жизненной безопасности человека и окружающей его природной среды.
Уровень нависших угроз перед всем живым таков, что протестным путем возникают многие природозащитные структуры и движения правовой, политической, социальной и научной направленности. Цель их деятельности сводится к попыткам заставить главных виновников возникновения жизненных опасностей уменьшить давление на природную среду и принять меры к восстановлению требуемой чистоты.
Причины ухудшения экологической ситуации определены всплеском развития цивилизации. Такой всплеск породил массу проблем из-за сверхмощных технологий и роста промышленных объектов, развития наземного, надводного, подводного, воздушного и космического транспорта, несоразмерного выкачивания природных ресурсов из недр Земли, океанов и морей, резкого увеличения энергопотребления, а также применения крайне опасных средств в военной области.
Особое место в разрушении земных устоев занимают: грубая
бесхозяйственность и отсутствие морального долга перед природой, породившей саму жизнь. Результаты противостояния экологов с многочисленными потребителями благ, за счет потерь высших ценностей, во многом зависят от информационных возможностей. Последние видятся в своевременности, достоверности, точности и объемной достаточности данных о масштабах загрязнений на территориях промышленных и жилых регионов, в трудно доступных местах, в пределах производственно - хозяйственных объектов, на землях полей и лесов, в пространствах воздуха, рек и водоемов, а также в сфере продуктов потребления и лекарств.
Источниками получения и распространения нужной информации могут являться только приборные средства, измерительно-информационные установки, комплексы и системы на их основе, в итоге образующие базу систем экологического мониторинга. Только они могут объективно отражать происходящие процессы в области изменений жизненных условий на Земле. И только по их информационным данным допустимо вырабатывать защитные действия на строго законодательной основе.
Многое из подобных действий преступно - изобретательно встречает сопротивление со стороны расчетливых нарушителей. В этом случае особую значимость приобретают автоматические системы, работающие в реальном масштабе времени и позволяющие точно устанавливать параметры

ГЛАВА 2. ПОСТРОЕНИЕ ЦИФРОВОЙ ПРОСТРАНСТВЕННОПРОТЯЖЕННОЙ РАДИО-ЗАПРОС-ОТВЕТНОЙ АСЭК С ОПТИМИЗАЦИЕЙ ЕЕ ПАРАМЕТРОВ
2.1. Предпосылки цифровых и вычислительных основ построения АСЭК
Уровень сложности построения и действия автоматической системы экологического контроля определяется ее главным функциональным назначением- в реальном масштабе времени получать и представлять большой объем измерительных данных о составе опасных веществ, угрожающих жизненным основам окружающей среды, в масштабах крупных промышленных и жилых регионов.
Требуемые объемы базы данных вызывают необходимость хранения их в неограниченных временных интервалах, а также применения уровней математической и логической обработки, подобных корреляционному и спектральному анализу кодирования и сжатия информационных сигналов, с учетом большого уровня помех.
Передача, прием, преобразование, хранение и отображение информации, получаемой от многочисленных дистанционно разнесенных источников разнообразного физического принципа действия, без кабельных связей, а также в условиях мощных индустриальных помех и сложных застроек, оказываются немыслимыми в исполнении без применения основ современной цифровой и вычислительной техники.
С введением управляющей ЭВМ все исходящие команды из единого информационно вычислительного центра (ИВЦ) могут иметь только цифровую природу. При этом все результаты, получаемые по таким командам, могут поступать на вход вычислительных средств лишь в цифровой форме чрез АЦП первичных приборов [23], [27] ,[28].
Таким образом, с учетом того, что самые эффективные средства отображения и документирования представлены тоже цифровыми аналогами, основы построения АСЭК можно предполагать только как цифровые.
Самая укрупненная схема архитектуры построения АСЭК приведена на рис. 1
Минимальные объемы УБ банка цифровых данных, связанные с прямыми оценками инградиентов экологических загрязнений, получаемые АСЭК от территориально распределенных источников первичной информации, ограничиваются числом Ып контролируемых параметров, а также количеством Л^зон экологического наблюдения, включая дискретное число Му угловых направленностей количества Мжж, обзорных экологических локаторов для вычислительной томографии.
Эти объемы дополняются количеством обращений к источникам первичных данных за обязательно требуемое время Тэ непрерывных экологических наблюдений.