книги / Методы и автоматизированные системы аналитического контроля технологических процессов и окружающей среды. Методы и автоматизированные системы промышленного аналитического экологиче

1.2. Требования к средствам обработки информации

В иерархически построенной сети наземных измерений вычислительные средства обработки информации используются практически на всех уровнях сети. В стационарных и передвижных постах загрузчик данных не только управляет работой анализаторов, но и производит первичную обработку собранных данных. В локальных и центральном вычислительных центрах определяются по моделям уровни загрязнения среды по основным и дополнительным ингредиентам, строятся карты изолиний, рассчитываются прогнозы, вычисляются вероятные источники загрязнений и т.п. Специфику решаемых задач, требования надежности и работы в реальном времени необходимо учитывать при проектировании вычислительных центров.

Вычислительный центр сети мониторинга загрязнений выполняет следующие функции:

•управление работой сети наземных измерений в оперативном, штормовом режимах и режиме проверки работоспособности;

•сбор информации от стационарных постов и передвижных лабораторий контроля загрязнений;

•ведение банков данных оперативного и долговременного хранения информации с обеспечением надежности хранения информации и защиты от несанкционированного доступа;

•обработку информации для получения общей картины загрязнений, для вычисления прогнозов, интегральных оценок экологического состояния среды и др.;

•подготовку и выдачу информации о загрязнениях в плановом порядке в виде сводных таблиц, картографического материала и т.п.;

•передачу информации в автоматическом режиме в главный вычислительный центр.

Вычислительный центр мониторинга выбросов выполняет следующие функции управления работой всех служб наблюдения:

•автоматический и автоматизированный сбор информа-

11

ции от арбитражных стационарных постов и передвижных лабораторий контроля выбросов;

•ведение банков данных информации о выбросах и информации, собранной службами наблюдения, с обеспечением надежности хранения информации и защиты от несанкционированного доступа;

•обработку информации для определения вероятных источников выбросов, вычисление объемов выбросов по предприятиям, подготовку предложений по природоохранным мероприятиям, вычисление ущерба от выбросов в окружающую среду и т.п.;

•подготовку в плановом порядке и по запросам справок, сводок о текущем состоянии по загрязнению и выбросам в окружающую среду, ходе и эффективности проведения природоохранных мероприятий.

Сравнение функций, выполняемых центрами мониторинга загрязнений и выбросов, показывает, что состав вычислительных центров может быть достаточно близок по аппаратурной части, а отличаются они лишь составом программного обеспечения. Естественно, возникает желание объединить оба центра в один. Однако более целесообразно оставить две независимые службы контроля загрязнений и контроля выбросов и, соответственно, два вычислительных центра.

Приведем некоторые аргументы в пользу данного технического решения:

1. Контроль загрязнений в нашей стране исторически про-

водился в системе Госкомгидромета и существенно связан

скомплексом гидрометеорологических наблюдений.

2.Разработка и проведение природоохранных мероприятий в России поручены природоохранительным комитетам. Эта деятельность предполагает наличие развитых инспекционных служб, в том числе и дляслежениязавыбросами от предприятий.

3.Две службы контроля окружающей среды лишь частично перекрывают функции друг друга. В то же время наличие двух служб существенно повышает достоверность получаемой ин-

12

формации и надежность работы системы наземного мониторинга в целом.

4. Стоимость собственно вычислительного центра незначительна по сравнению со стоимостью измерительных средств

исистемы передачи данных, поэтому наличие двух центров не увеличивает заметно стоимость системы мониторинга в целом

ичисло обслуживающих специалистов.

Вцелом аппаратура вычислительных центров включает в себя центральную ЭВМ (сервер), коммуникационную систему для приема и передачи данных и некоторое количество специальных автоматизированных рабочих мест (АРМ) для решения прикладных задач обработки и отображения информации.

1.3. Задачи региональной сети и основные требования к ней

Сеть передачи данных наземных измерений со станций комплексного мониторинга решает следующие задачи:

•осуществляет регулярную (один раз в 10 мин, 30 мин, 1 ч

ит.п.) передачу данных измерений от стационарных постов

ипередвижных лабораторий;

•передает данные, поступающие от населения, о тревожных и аварийных ситуациях;

•передает данные по каналам связи от вычислительного центра пользователям информации (исполнительной власти, населению и т. п.).

Данные, передаваемые от стационарных постов и передвижных лабораторий, невелики по объему (сотни байт), но передаются достаточно часто. Скорость передачи данных невелика – сотни бит в секунду. Требования к надежности передаваемых данных не предельно жесткие, так как процессы в атмосфере

иводе распространяются в течение десятков минут, часов. Данные от вычислительного центра пользователям должны

передаваться 1–2 раза в сутки, объем их достаточно велик (единицы и десятки килобайт). Поэтому скорость передачи и требо-

13

вания к надежности передачи данных должны быть достаточно высоки.

При передаче данных от точек измерения передатчиком является загрузчик данных, а приемником – конечная ЭВМ в вычислительном центре. При передаче данных пользователям передатчиком является конечная ЭВМ, а приемником выступает автоматизированное рабочее место эколога, установленное в исполнительных и других заинтересованных службах. Наконец, при передаче данных от населения передатчиком и приемником является человек. Во всех случаях расстояние между абонентами сети передачи данных может измеряться десятками километров.

Важным вопросом проектирования сети передачи данных является выбор каналов связи и технических средств передачи. В качестве каналов связи могут выступать радио, сотовая телефонная связь и традиционные телефонные линии, телеграф, телетайп, радиорелейные линии, другие современные средства коммуникации (например, спутниковые).

При использовании телеграфных, телетайпных, радиорелейных линий для передачи данных от точек измерения возникает необходимость в разработке дополнительного аппаратного и программного обеспечения для стыковки каналов связи с конечными ЭВМ, что затягивает и удорожает разработку сети наземных измерений.

1.4. Информационное и программное обеспечение

Информационное обеспечение системы комплексного экологического мониторинга должно содержать:

•упорядоченную структуру информационных потоков (входных, внутренних, выходных);

•инфраструктуру собственно информационной базы дан-

ных;

•методики сбора данных от стационарных и передвижных

постов;

•методики передачи данных, полученных от постов раз-

14

личного уровня (включая лидары);

•методики обработки данных и расчета интегральных показателей состояния окружающей среды;

•методики определения источников выбросов;

•структуру пользовательских организаций сети и эксплуатационных служб.

Программное обеспечение сети комплексного экологического мониторинга должно включать:

•развитые операционные системы типа Windows и др.;

•стандартные базы данных типа dBASE, ORACLE, SQL

сдрайверами для передачи данных между различными прикладными системами с единым форматом представления, например в соответствии со стандартом STEP;

•картографическое и графопостроительное обеспечение;

•мониторы для управления сбором данных;

•прикладные пакеты программ, работающие в реальном времени, для обработки и передачи данных от стационарных и передвижных постов наблюдения;

•прикладные пакеты программ для построения прогнозов и определения источников выбросов.

1.5. Базы данных сети мониторинга

Базой данных называют совокупность хранимых операционных данных, используемых прикладными системами некоторого потребителя. Основополагающим при проектировании или выборе структуры базы данных является модель представления данных.

По способу организации различают реляционные, иерархические и сетевые базы данных.

Реляционные базы данных строятся на основе реляционной модели данных, использующей математическое понятие теоре- тико-множественного отношения. База данных при этом представляется в виде совокупности таблиц.

15

Иерархические базы данных строятся на основе иерархической модели, в которой данные имеют структуру простого дерева. База данных представляется при этом в виде совокупности деревьев.

Сетевые базы данных строятся на основе сетевой модели, в которой данные имеют структуру ориентированного графа. База данных представляется ориентированной сетью.

Выбор базы данных конкретного вида зависит от характера выполняемых задач. В соответствии с общей структурой сети наземных измерений должны быть созданы следующие основные базы данных: по воздуху, выбросам и отходам, водным объектам, картографии и др. Большинство из них целесообразно строить как реляционные, используя, например, dBASE. В то же время, скажем, для картографических систем могут быть использованы базы данных иерархического типа.

Способы доступа в базу данных должны быть простыми

и«направляемыми» самой системой. Порядок доступа должен зависеть от организации базы данных.

Уровень доступа определяет точку входа в базу данных

иобласть ее вывода на экран: чем выше уровень доступа, тем более обширной будет представленная информация.

Частная, с точки зрения потребителей, база данных создается на трех уровнях:

1)уровень доступа в базу данных;

2)уровень прикладных программ;

3)уровень данных.

На уровне доступа в базу данных осуществляется управление авторизованным доступом и собственно доступ в базу данных. Затем потребитель входит в уровень прикладных программ, в котором он может выполнить определенное число функций в зависимости от разрешенного уровня доступа. Выполнив функции, потребитель попадает в уровень данных.

Способы взаимодействия потребителя с архивом, прикладными программами и данными не должны зависеть от деталей

16

PNRPU

построения базы данных. Технико-конструктивные аспекты должны входить в исключительную компетенцию ответственного и операторов системы, а потребитель должен подключаться только к прикладным функциям системы.

База должна иметь защиту от несанкционированного доступа на любом уровне.

Создание единого информационного пространства с унифицированным представлением данных для обмена между прикладными системами мониторинга и управления окружающей средой целесообразно на основе применения PDM-систем (систем интеграции информации иуправления данными об объектах).

17

2. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

2.1.Методы и средства химического анализа

Воснове автоматического контроля окружающей среды лежит химический анализ, поэтому его часто называют автоматическим аналитическим контролем.

Химический анализ (от греч. analysis – разложение, расчленение, разбор) – совокупность операций, цель которых – установить, из каких веществ состоит исследуемый объект (качественный анализ) или в каких количествах в него входят те или иные вещества (количественный анализ).

Различают три группы методов анализа: физические, физи- ко-химические и химические.

Физические методы анализа основаны на измерении физических величин, присущих анализируемому веществу, например плотности, вязкости анализируемого вещества и др.

Физико-химические методы анализа основаны на химических превращениях анализируемого вещества и измерении физических величин, сопровождающих эти превращения, например температуры или излучения в процессе окисления анализируемого вещества.

Химические методы анализа основаны на химических превращениях и измерении количества продуктов этих превращений.

Используемое в научной и технической литературе подразделение методов анализа на физико-химические и химические весьма условно.

Взависимости от наличия предварительного воздействия на анализируемое вещество различают: методы анализа без преобразования анализируемого вещества (непосредственное измерение физических свойств) и методы с предварительным преобразованием анализируемого вещества. При реализации послед-

18

них используются физические и химические методы преобразования анализируемого вещества.

Физическими называют преобразования, при которых изменяются физические свойства анализируемого вещества, а состав остается неизменным (например, изменение агрегатного состояния вещества).

Химическими называют преобразования, при которых изменяется состав анализируемого вещества.

Методы анализа состава веществ подразделяют на избирательные и интегральные.

Избирательными (селективными) называют методы анализа состава, базирующиеся на использовании физического явления или химической реакции, избирательно (однозначно) зависящей от концентрации в смеси определенного компонента или группы компонентов одного класса.

Интегральными (неизбирательными) называют методы анализа состава, базирующиеся на различии в физико-хими- ческих свойствах компонентов смеси.

Анализ сырья и продукции химических производств осуществляется с помощью средств аналитической техники – автоматических и полуавтоматических анализаторов и индикаторов. Эти средства называют анализаторами качества или аналитическими приборами.

Анализатор – измерительный прибор, измерительные установки или измерительные системы, предназначенные для анализа состава или свойств анализируемого вещества.

Автоматический анализатор – анализатор, в котором все операции осуществляются автоматически.

Полуавтоматический анализатор – анализатор, в котором автоматически осуществляется большая часть операций (обычно не автоматизированы операции ввода и вывода пробы анализируемого вещества).

Индикатор (определитель, сигнализатор) – анализатор, вырабатывающий информацию о качественном составе анализируемого вещества (например, о наличии или отсутствии какоголибо компонента).

19

20

Рис. 1. Классификация автоматических анализаторов

20