Автоматизированные системы мониторинга

Как известно, первые автоматические системы слежения за параметрами внешней среды были созданы в военных и космических программах. Известно, что уже в 50-е гг. в системе ПВО США использовалось семь эшелонов плавающих в Тихом океане автоматических буев, но самая впечатляющая автоматическая система по контролю качества окружающей среды была, несомненно, реализована в «Луноходе».

В настоящее время процесс миниатюризации электронных схем дошел уже до молекулярного уровня, делая реальным полностью автоматизированные, с всеобъемлющим программным обеспечением, сложные многоцелевые и в то же время компактные, полностью автономные системы слежения за качеством окружающей среды.

Их развитие в настоящее время сдерживается не техническими, а, прежде всего, финансовыми трудностями и, как ни странно, организационными проблемами многоуровневого управления такими системами. Они все еще стоят очень дорого и, становятся настолько информативными и потенциально мощными, что их создание и эксплуатация приобретают политическое значение.

Можно даже сказать, что социально и психологически общество не готово к использованию таких систем, которые по существу опередили свое время, что в современном обществе скорее является правилом, чем исключением.

К основным структурным блокам современных автоматических систем мониторинга относятся:

– датчики параметров ОПС (температуры, концентрации соли в воде, солнечной радиации, ионной формы металлов в водной среде, концентрации основных загрязнений атмосферы и вод, включая СПАВ, гербициды, инсектициды, фенолы, бенз(а)пирен и др.);

– датчики биологических параметров (прироста древесины, проектного покрытия растительности, гумуса почв и т.д.);

– автономное электропитание на основе совершенных аккумуляторов или солнечных батарей;

– миниатюризированные радиопередающие и радиоприемные системы с радиусом действия 10 – 15 км;

– компактные радиостанции (радиус действия сотни и тысячи км);

– система спутниковой связи;

– современная вычислительная техника;

– программное обеспечение.

Результаты выдаются в табличном и графическом вариантах.

В качестве простейшей автоматизированной системы слежения за параметрами окружающей среды можно рассмотреть систему мониторинга экологического состояния водной среды «Радуга», разработанную Ассоциацией по решению экологических проблем г. Выборга. Эта система предназначена для измерения параметров водной среды, первичной обработки данных и передачи информации по радиоканалу, обработки и хранения информации в ЭВМ, выдачи результатов измерений в графическом и табличном вариантах на дисплей или принтер. Система позволяет оперативно следить за состоянием водной среды, обеспечивает качественный мониторинг при проведении работ по восстановлению нормального экологического и санитарного состояния водоемов. Она может применяться для контроля химического состава промышленных сточных вод и слежения за соблюдением уровней ПДК, а также для контроля требуемого качества технологических вод в различных производственных процессах.

Серийно выпускаемое в настоящее время подобное оборудование производит измерение четырех-шести параметров с помощью одной головки, погруженной в контролируемую среду, с выдачей полученных показаний на шифровом индикаторе, с записью в память прибора. Преимущества системы «Радуга» состоят в следующем. Одна приемная станция обслуживает до 16 автоматических передающих станций. К одной передающей станции возможно подключение 16 датчиков. Таким образом, система «Радуга» может измерять в автоматическом режиме до 256 параметров. Использование передачи данных по радиоканалу позволяет существенно увеличить расстояние от передающих станций до приемной. Возможно накопление и хранение получаемой информации в контроллере приемной станции в течение суток с последующей передачей в сжатом (архивированном) виде в ЭВМ для последующей обработки; представление результатов измерений в графическом или табличном виде на дисплее с последующей печатью. Система «Радуга» работает круглосуточно в автоматическом режиме с передачей данных из контроллера в ЭВМ один раз в сутки. Цикл опроса каждого датчика задается в интервале от 1 ч до суток. Таким образом, данная система может служить «сторожем», фиксируя залповые, аварийные сбросы, обычно скрываемые предприятиями, которые приурочивают их, как правило, к ночному времени с воскресенья на понедельник. В настоящее время в качестве датчиков могут использоваться все ионселективные электроды, дающие показатели насыщения водородом, кислородом, ионами хлора, брома, йода, нитратов, нитритов, аммонийного азота, сульфатов, сульфитов, тиосульфатов, меркоптанов, фосфатов и ряда тяжелых металлов.

Дистанционное зондирование Земли из космоса предоставляет уникальную возможность получать ценную информацию о земных объектах и явлениях в глобальном масштабе с высоким пространственным и временным разрешением. Космическая съемка поверхности Земли определяет физические, химические, биологические, геометрические параметры объектов наблюдения в различных средах Земли, как правило, используя функциональную зависимость между инструментальной способностью космической техники и искомыми параметрами

Для мониторинга окружающей среды на базе космических средств наиболее продуктивно используется информационная спутниковая система, которой присущи целостность, целенаправленность, динамизм, преемственность, совместимость, автономность. Структурно эта сложная спутниковая система мониторинга включает орбитальный и наземный сегменты: первый осуществляет функцию наблюдения, второй, наряду с наблюдением, -функции оценки и прогноза Прогресс в области космических технологий открыл широкие возможности для международного сотрудничества. К настоящему времени создана глобальная метеорологическая спутниковая сеть. Автоматические спутники, оснащенные многоспектральными радиометрами, в настоящее время являются одним из главных инструментов непрерывного мониторинга окружающей среды на Земле. Орбитальная Международная космическая станция (МКС) является научной космической лабораторией, где ставят сложнейшие эксперименты и проводят испытания новой аппаратуры, визуальные и инструментальные наблюдения.

Спутниковые системы принадлежат главным образом Российской Федерации, США, Японии, Индии и Китаю. Первый искусственный спутник Земли был запущен в СССР 4 октября 1957 г. Обширная научная Программа выполнялась на отечественном орбитальном космическом комплексе «Мир» до вывода его с орбиты в 2001 г.. Новый российский спутник «Монитор-Э», выведенный на орбиту в 2005 г., предназначен для информационного обеспечения решения задач по направлениям природопользования, картографирования территорий, контроля загрязнения окружающей среды и чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. Выполняемые в России работы по спутниковым системам дистанционного зондирования земли создали предпосылки для функционирования отдельных систем экологического и ресурсосберегающего мониторинга. Сегодня функционируют системы спутникового мониторинга лесных пожаров Авиалесоохраны, мониторинга Госкомрыболовства и др.

Спутники США, предназначенные для исследования окружающей среды, ведут непрерывные наблюдения с 1960 г. Они находятся как на геостационарных, так и на полярных орбитах и передают огромные объемы климатической, океанографической и метеорологической информации. Национальная спутниковая система США удовлетворяет запросы потребителей этой информации и обеспечивает решение проблем национальной безопасности путем представления данных дистанционного зондирования окружающей среды из космоса.

Япония эксплуатирует спутники серии ГМС. Следующее поколение - многофункциональный транспортный спутник МЕТЕОСАТ, запущенный в 1999 г., предназначен для решения двух задач: продолжения наблюдений, начатых спутниками серии ГМС, а также обеспечения деятельности авиации.

Станции пользования этими данными расположены в АзиатскоТихоокеанском регионе. Спутниковые системы будущего, которые введены в эксплуатацию с 2001 г., включают спутники МЕТЕОСАТ второго поколения и полярную систему EPS, которая введена с 2002 г.

По мере развития практики автоматизированных систем мониторинга загрязнения окружающей природной среды постоянно совершенствуется, применяемая для этих целей, измерительная, контролирующая и анализирующая аппаратура. Широко используются телеметрические системы с центром сбора информации, разветвленной сетью анализаторов и аппаратурой передачи данных с использованием электронной обработки информации.

В последние десятилетия получили широкое развитие автоматизированные системы мониторинга загрязнения атмосферного воздуха. В настоящее время можно выделить четыре основных типа автоматизированных систем мониторинга загрязнения атмосферного воздуха:

- промышленные системы, включающие автоматические анализаторы контролирующие выбросы определенных промышленных предприятий и степень загрязнения воздуха в районах расположения предприятий;

- городские системы, предназначенные, для измерения уровня загрязнения воздушного бассейна города вредными выбросами многих промышленных предприятий;

-региональные системы, рассчитанные на сброс и статистическую обработку измерительной информации о загрязнении атмосферы на значительной территории;

- системы глобального мониторинга, применение которых связано с использованием космических станций.

Системы могут иметь различное количество контрольных пунктов, различные типы и количество первичных измерительных преобразователей (датчиков).

В региональных и глобальных системах мониторинга в настоящее время все более широкое развитие получают лазерные методы измерения загрязнения окружающей среды. Так, метод лазерного зондирования позволяет осуществлять оперативный контроль степени загрязнения атмосферы в широких масштабах. Регистрируя и расшифровывая следы взаимодействия лазерных импульсов с атмосферными слоями, можно извлечь информацию о давлении, плотности, температуре, концентрации различных составляющих атмосферы и других параметрах. Перспективность метода лазерного зондирования для анализа загрязнения атмосферы обусловлена специфическими особенностями лазерного излучения: монохроматичностью, когерентностью, высокой энергетической плотностью, направленностью и др. Очень малая длительность лазерного импульса (до 10–12 с), его высокая мощность (сотни 100МВт в импульсе) и высокая направленность позволяют зондировать небольшие объемы атмосферы на высотах до нескольких десятков километров, а при использовании серии импульсов – на высотах до 100 км. Высокая чувствительность характеристик лазерного излучения к малейшим вариациям загрязняющих веществ на трассах зондирования как аэрозольной, так и газовой природы дает возможность с помощью лазерных локаторов оперативно установить концентрацию и источники загрязнений и определить их роль на различных высотах в атмосфере. Для обработки записанных сигналов обычно используют ЭВМ.

Основу организационной структуры мониторинга геологических, литотехнических или эколого-геологических систем составляет так называемая автоматизированная информационная система (АИС), которая создается на базе компьютерных средств и представляет собой систему сопряжения с ГИС.

Система АИС призвана обеспечить решение всех основных задач, связанных с получением и обработкой информации, получаемой в ходе мониторинга геологических, литотехнических или эколого-геологических систем.

Отсюда следует и сама структура АИС. Автоматизированная информационная система мониторинга геологических, литотехнических или экологогеологических систем состоит из четырех взаимосвязанных основных блоков, каждый из которых направлен на решение одной из задач. Первый блок АИС составляет автоматизированная информационно-поисковая система (АИПС).

Эта система по существу представляет собой базу данных, реализованную с помощью ЭВМ. Вторым блоком АИС является автоматизированная система обработки данных (АСОД), направленная на целенаправленную обработку и оценку поступающей информации. Третий блок АИС это автоматизированная прогнозно-диагностическая система (АПДС). Этот блок реализуется с помощью ГИС-технологий. Четвертый блок АИС составляет автоматизированная система управления (АСУ). Все четыре блока АИС связаны друг с другом и образуют единую функционирующую систему.

Информационное обеспечение АИС составляет всесторонняя информация: с одной стороны, о геологической среде и ее компонентах, с другой – технических системах и оказываемых ими техногенных воздействиях. Данные собираются как из наблюдательных сетей эколого-геологического мониторинга, так и из сторонних источников (административных органов, проектных и производственных организаций, геологических и производственных фондов, научных библиотек, архивов, метеостанций, СЭС и др.).