Особенности проведения мониторинга атмосферного загрязнения с использованием данных мобильного измерительного комплекса

РИ

DOI:

Оценка качества окружающей среды, отслеживание динамики ее состояния и организация мониторинга наиболее значимых компонентов, являются актуальными для крупных городов и промышленных центров [3; 6; 10]. По оценкам Всемирной организации здравоохранения, в развивающихся странах увеличение загрязнения воздуха в городах привело к более чем 2 миллионам смертей в год, а также к различным случаям респираторных заболеваний. Одним из основных источников городского загрязнения атмосферы является сектор автомобильного транспорта [12].

В настоящее время вопросам применения автоматизированных систем в целях охраны окружающей среды отводится широкое место. Создание программного комплекса для задач контроля и прогнозирования загрязнения атмосферы является актуальным вопросом.

Материалы и методы

Для качественной и количественной оценки загрязнителей атмосферного воздуха широко используются газоанализаторы и хроматографы различных конструкций. Несмотря на то, что такие измерительные приборы работают по разным физическим принципам, в большинстве случаев они позволяют определять концентрацию многих загрязняющих веществ одновременно, производить калибровку в автоматическом режиме, а также хранить в памяти достаточное количество информации и, при необходимости, переносить его на внешний компьютер.

При этом следует отметить, что размещение соответствующих измерительных приборов в мобильных устройствах позволяет проводить мониторинг в разных городах и регионах. Данные измерений через специальные программы передаются на компьютер и подвергаются предварительной обработке. Наряду с этими данными на компьютер передаются данные о состоянии и навигации, и с помощью другого программного обеспечения эти данные составляют часть базы данных географических информационных систем (ГИС).

С учетом всего сказанного в качестве первоочередной задачи поставлена разработка научно-методических основ создания единой автоматизированной системы, позволяющей осуществлять мониторинг, моделирование и прогнозирование загрязнения атмосферы путем использования существующих и разработки новых измерительных приборов, методов и программ.

Основными компонентами загрязнения являются нетоксичная комбинация двуокиси углерода (CO2) и водяного пара (H2O). Но в атмосферу выбрасываются и такие вредные вещества, как окись углерода (угарный газ), сажа, окись серы и азота. В таблице 1 приведены значения предельной допустимой концентрации (далее – ПДК) для некоторых веществ, часто встречающихся в атмосфере [1].

Для моделирования атмосферного загрязнения применяются различные модели. На рисунке 1 представлена общепринятая классификация моделей загрязнения, и, как видно эти модели делятся на физические, математические и статистические [4].

У физических моделей симуляция распространения загрязнения осуществляется в аэродинамической трубе. Математические модели более сложны в разработке. Самые простые и быстрые модели не требуют много ресурсов компьютера и требуют мало времени для расчетов. При этом они не учитывают рельеф местности, вертикальное распределение метеорологических параметров и, в частности, направление и скорость ветра. Для нашего исследования была применена статистическая модель с метеорологическими параметрами в качестве аргументов.

Результаты и обсуждение

В качестве инструмента прогнозирования загрязнения была представлена разрабо- танная в Национальном Аэрокосмическом Агентстве программно-инструментальная система, охватывающая все этапы сбора, обработки и представления данных. Рассматриваемый кейс в основном охватывает этапы представления результатов обработки, построения моделей прогнозирования концентрации различных загрязняющих веществ и обработки данных существующих первичных датчиков. Также отражены схема мониторинга загрязнения атмосферы, состав первичных датчиков, используемых для практических измерений, методы испытаний и презентации результатов.

Программная часть предлагаемой системы состоит из четырех основных программ:

Таблица 1

Значения ПДК некоторых загрязнителей атмосферы, мг/м3

Рис. 1. Классификация моделей атмосферного загрязнения

программы ввода данных, программы моделирования, программы прогнозирования и программы представления результатов. Кроме того, в систему включена база данных мониторинга загрязнения атмосферы. Также для обеспечения работы системы было решено разработать несколько вспомогательных программ. Это программы для создания разных слоев электронной карты мониторинга и программы, определяющие координаты точек наблюдения и оптимальный маршрут между этими точками. Эти программы в процессе работы используют данные веб-сервиса Google Maps.

Данные для исследования получены с помощью набора первичных датчиков. Измерительные датчики устанавливаются на транспортное средство и составляют мобильную измерительную лабораторию. В указанное время группа специалистов выезжает на этой машине по заранее заданному маршруту и проводит замеры метеорологических параметров и концентраций различных загрязнителей атмосферы. Полученные данные вводятся в компьютер с помощью разработанной нами программы «Интерфейс». Программа обеспечивает ввод, визуализацию и хранение данных на жестком диске компьютера. Ввод данных осуществляется с помощью контроллеров Е14-140 производства «L-Card» (Россия) [8; 9].

В процессе измерения можно отображать на экране монитора до четырех входных сигналов, таким образом контролируя ход процесса измерения. Данные сохраняются на жестком диске компьютера для последующей обработки. При этом на жестком диске сохраняются файлы, в которых есть статусная информация, включающая координаты и время измерения.

На основе измерений создана база данных мониторинга загрязнения атмосферы и разработаны программы для автоматизации ввода данных в базу данных, размещенных в файлах различных форматов. В этой базе данных хранятся данные всех наблюдений, сделанных во время мониторинга, а также информация о концентрации загрязняющих веществ и метеорологических условиях, существовавших в момент проведения измерений. Также с помощью утилит преобразования сохраненные данные можно преобразовать в формат файла, используемый в таких программах, как Excel или MATLAB.

Вторая важная часть предлагаемой системы – программа построения модели исследуемого процесса – работает в среде MATLAB. В результате его реализации создается полиномиальная формула. Этот полином является функцией выбранной физической величины (в данном случае концентрации вредных смесей) от других влияющих факторов, в том числе температуры, скорости ветра, направления и т. д. Генерация полиномов осуществляется с использованием оригинальной модификации одного из известных алгоритмов метода расчета группы аргументов (МГУА) [5].

Известно, что на концентрации загрязнителей сильно влияют метеорологические факторы. Результат показал, что концентрация загрязняющих веществ в атмосфере ниже при условии увеличения количества осадков, низкой температуры и повышенного уровня влажности по сравнению с засушливым сезоном [11].

Следующей частью системы является программное обеспечение для прогнозирования, которое создано для прогнозирования на основе полученных моделей. Наконец, программа представления, последняя часть рассматриваемой системы, предназначена для отображения результатов мониторинга или прогнозирования в табличной или графической форме. Реализация этой части выполнена в программной среде MATLAB [9], и позволяет вывести карту загрязнения. Все этапы сбора и обработки сигналов, описанные выше (этапы мониторинга, моделирования и прогнозирования), а также структурная схема системы показаны на рисунке 2.

Первичные датчики позволяют измерять концентрацию различных загрязнителей атмосферы, а также метеорологические факторы. Датчики могут иметь как аналоговый, так и цифровой выход. Программа «Интерфейс» может принимать данные в любой из этих двух форм. Входящий в состав контроллера аналого-цифровой преобразователь (АЦП) преобразует аналоговые данные в цифровой формат с высокой точностью. Данные сохраняются в базе данных мониторинга или в формате программы «Интерфейс».

Система управления базой данных мониторинга обеспечивает ввод данных из файлов

Рис. 2. Структура программно-инструментальной системы для мониторинга, моделирования и прогнозирования атмосферного загрязнения

различных форматов, а также обеспечивает выборку для обработки с помощью системы запросов к базе данных. Система может реализовывать три разные задачи – процессы моделирования, прогнозирования и презентации.

Результатом работы программы моделирования является аналитическое представление зависимости концентрации загрязнения от метеопараметров с заданной точностью. Полученная формула отображается и сохраняется в таблице моделей. Программное обеспечение для прогнозирования рассчитывает загрязнение на основе одной из полученных моделей и отправляет его в программное обеспечение для презентации.

Программное обеспечение для презентации позволяет отображать распределение концентрации выбранного загрязняющего вещества в зоне мониторинга в графическом или табличном виде. В качестве входных данных для этой программы могут использоваться данные выбора из базы данных или данные прогноза. Все операции управления выполняются с помощью графического пользовательского интерфейса, который состоит из основной формы и нескольких вспомогательных окон. Программа предоставляет возможность также найти комплексный индекс загрязнения атмосферы. Для его расчета обычно используют 5 загрязняющих веществ, их среднесуточные концентрации, значения ПДК и показатели вредности [2].

Заключение

Показано значение мониторинга загрязнения атмосферы для экологической оценки состо- яния окружающей среды промышленного города или района, и указаны основные типы загрязнителей атмосферы, характерные для городских условий. Описаны особенности существующих моделей загрязнения атмосферы, показаны влияние метеорологических факторов на распространение загрязнения в атмосфере и подходы к их оценке. Представлена структура программно-инструментальной системы, разработанной для сбора, моделирования и прогнозирования информации о загрязнении атмосферы.