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 14 000 «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 работыоптимизации 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.