19971028.pdf

СИСТЕМНАЯ ИНТЕГРАЦИЯ

ЭКОЛОГИЯ

А ВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ

ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА :

ИНТЕГРИРОВАННЫЙ ПОДХОД

Сергей Колтыпин, Андрей Петрулевич

Рассматриваются интегрированные системы экологического мониторинга атмосферы.

Описываются технические средства, программное обеспечение и информационные технологии

функционирования этих систем.

Экологический мониторинг: на

пути прогресса

Ни для кого не секрет, что за послед

ние десятилетия экологическая обста

новка во многих промышленных реги

онах России значительно ухудшилась.

Причины тому – не только в бескон

трольной техногенной деятельности,

но и в отсутствии достоверных данных

о состоянии окружающей среды. Полу

чение, обработка и распределение этой

информации по заинтересованным ор

ганизациям и органам

власти входят в задачи

систем экологического

мониторинга.

Наблюдения за экологи

ческим состоянием окру

жающей среды и, в час

тности, атмосферного

воздуха велись в нашей

стране многие годы, одна

ко делалось это, в основ

ном, в ручном режиме (от

бор проб воздуха – тран

спортировка в лаборато

рию – выполнение анали

зов – запись в журнал –

оформление итоговых от

четов), что не позволяло получать и ис

пользовать данные в реальном масшта

бе времени.

В 70х годах развитые страны Запада

также столкнулись с этой проблемой и

для ее решения начали активно исполь

зовать самые последние достижения

микроэлектроники, вычислительной и

измерительной техники. В результате

стали появляться городские, а затем и

региональные сети автоматических

постов контроля загрязнений атмосфе

ры, выросшие к настоящему времени в

мощные информационноизмеритель

ные системы, позволяющие оперативно

получать достоверные данные о качест

ве воздуха и принимать на их основе

необходимые решения по управлению

экологической обстановкой.

Пять лет назад небольшой коллектив

энтузиастов решил предпринять попыт

ку использования зарубежного опыта и

его развития. Так родилась научнопро

изводственная фирма ДИЭМ (Диагнос

тика, Информатика, Эко

логический Мониторинг),

специализирующаяся на

создании систем экологи

ческого мониторинга.

В основу концепции

экологического монито

ринга был положен интег

рированный подход, что

означает создание систем,

выполняющих весь ком

плекс необходимых опе

раций, включая:

первичные измерения;

сбор, передачу, накоп

ление и обработку из

мерительных данных;

Рис. 1. Архитектура системы экологического мониторинга

1/97

СИСТЕМНАЯ ИНТЕГРАЦИЯ

ЭКОЛОГИЯ

анализ экологической

ситуации;

поддержку принятия

решений по управле

нию экологической об

становкой;

распределение резуль

татов мониторинга

между пользователями.

За прошедшие годы спе

циалисты нашей фирмы

разработали ряд систем

промышленного и терри

ториального экологичес

кого мониторинга для

различных регионов Рос

сии. В их числе Москва,

Башкортостан, Якутия, Ас

траханская область.

В настоящей статье

описывается базовая сис

тема территориально

производственного мони

торинга атмосферного

воздуха. Большинство

приведенных техничес

ких решений реализовано

в системе мониторинга,

разработанной по заказу

предприятия «Астрахань

газпром».

тролируемой точке территории.

АСМ выполняет следующие функции:

получение и первичная обработка из

мерительной информации;

передача измерительных данных в

ЦМ по его запросу либо по собствен

ной инициативе;

оперативная идентификация аварий

ных ситуаций (превышение предель

но допустимых концентраций при

месей в атмосфере, пожар, вскрытие,

отказы оборудования) и извещение

об этом ЦМ;

прием и исполнение команд телеуп

равления, поступающих из ЦМ (уста

новка режимов измерений, синхро

низация времени, включение/выклю

чение измерительной аппаратуры,

калибровка приборов).

Станция мониторинга функциониру

ет в полностью автоматическом режи

ме, монтируется в закрытом павильоне

(рис. 2) и состоит из следующих функ

циональных подсистем:

подсистема жизнеобеспечения;

измерительная подсистема;

информационноуправляющая под

система;

подсистема связи.

Структурная схема АСМ приведена на

рис. 3.

Подсистема жизнеобеспечения

предназначена для поддержания внут

ри павильона необходимого темпера

турного режима, отработки аварийных

ситуаций (возгорание внутри павильо

на, вскрытие входной двери), а также

для идентификации отключения элек

тропитания и управления пуском стан

ции при его повторном включении.

Рис. 2. Автоматическая станция мониторинга атмосферного

воздуха

Архитектура системы

Система экологического мониторин

га включает (рис. 1):

информационноизмерительную сеть;

сеть передачи данных;

центр мониторинга (ЦМ);

сеть пользовательских терминалов.

Информационноизмерительная

сеть объединяет автоматические стан

ции мониторинга атмосферы (АСМ) и

стационарную аналитическую лабора

торию, оборудованную терминалами

ввода в систему результатов лаборатор

ных анализов.

Сеть передачи данных обеспечивает

сбор измерительной информации, по

ступающей от АСМ, по радио и/или те

лефонным каналам связи.

Центр мониторинга представляет со

бой ряд объединенных в локальную вы

числительную сеть IBM PC совмести

мых компьютеров, выполняющих фун

кции приема, накопления, обработки и

распределения данных.

Пользовательские терминалы (ло

кальные и удаленные) устанавливаются

в подразделениях и службах, решающих

задачи контроля и управления экологи

ческой обстановкой, и обеспечивают

их персонал данными мониторинга в

реальном масштабе времени.

Автоматические станции

мониторинга атмосферного

воздуха

Основная задача АСМ – оперативное

получение и передача в ЦМ информа

ции о качестве атмосферного воздуха и

метеорологической обстановке в кон

Рис. 3. Структурная схема автоматической станции мониторинга атмосферы

1/97

СИСТЕМНАЯ ИНТЕГРАЦИЯ

ЭКОЛОГИЯ

Поддержание постоянной

температуры (+20 ± 4°C) внут

ри станции обеспечивается

электронным блоком темпе

ратурной стабилизации, ра

ботающим по двум темпера

турным порогам: нижнему и

верхнему. Если температура

опускается ниже первого, то

включаются нагреватели, ес

ли выше второго, то конди

ционер.

Измерительная подсис

тема

лу и включает в себя штыревую антенну,

радиостанцию M120 фирмы Motorola

и контроллер пакетной радиосвязи

KPC3 американской фирмы Kantro

nics. Используется УКВдиапазон (144

174 МГц) при мощности 25 Вт, что

обеспечивает устойчивую передачу

данных на расстоянии до 40 км. Обмен

информацией между ЦМ и всеми АСМ

системы ведется на одной частоте по

протоколу AX.25.

Программное обеспечение

станции мониторинга

На программное обеспечение (ПО)

станции возложены решаемые в реаль

ном времени задачи как чисто техни

ческого (работа с аппаратурой), так и

информационного характера. При со

здании ПО разработчики столкнулись с

невозможностью его реализации в од

нозадачной системе MSDOS. Програм

мирование классическим способом

приводило к чрезмерному усложнению

программы и значительным временным

задержкам в управлении аппаратурой.

Возникла идея применения многоза

дачной операционной системы. При

этом требования к вычислительным ре

сурсам (быстродействию процессора,

объему дисковой памяти) со стороны

операционной системы должны были

быть минимальными, так как в приня

той аппаратной конфигурации MicroPC

отсутствует винчестер, а производи

тельность процессора 486SLC платы

5025A не превышала 40 единиц по про

грамме SysInfo (входит в пакет Norton

Utilities). Крайне желательной была так

включает набор авто

матических газоанализато

ров (в системе «Астрахань

газпром» это два прибора:

FID520 и AF20M французс

кой фирмы Environment SA,

измеряющих атмосферные

концентрации H 2 S, SO 2 , сум

марных углеводородов) и

датчиков метеопараметров: температу

ры воздуха, влажности, скорости и на

правления ветра. Газоанализаторы, а

также датчики температуры и влажнос

ти выдают аналоговые токовые сигна

лы (4...20 мА), датчики скорости и на

правления ветра имеют цифровые вы

ходы ТТЛ (0...5 В). Текущие значения по

направлению ветра выдаются в виде

последовательного кода Грея.

Информационноуправляющая

подсистема

Рис. 4. Схема функционирования программного

обеспечения станции мониторинга

плату аналогового ввода и цифрового

ввода/вывода 5710;

флэшдиск фирмы MSystems разме

ром 4 Мбайт;

видеоплату VGA 5420;

накопитель на гибком диске 5814;

VGAмонитор и клавиатуру для обес

печения работы оператора АСМ.

Все платы смонтированы в стандарт

ном шасси 5206. Плата 5710 предназна

чена для опроса приборов и датчиков, а

также для выдачи управляющих сигна

лов. Все программное обеспечение и

локальная база измерительной инфор

мации хранятся на флэшдиске.

Подсистема связи

построена на базе IBM PC

совместимого компьютера и выполняет

все функции, связанные с обработкой

данных и управлением станцией:

опрос приборов измерительной под

системы;

управление режимами измерений;

выполнение операций по первичной

обработке измерительных данных;

организация плановых и экстренных

поверок и калибровок приборов;

выявление и отработка аварийных

ситуаций;

организация сеансов связи с ЦМ;

прием и выполнение телекоманд;

обеспечение работы оператора;

ведение локальной базы данных.

Подбор конфигурации управляюще

го компьютера производился по пока

зателям надежности и потребляемой

мощности. В результате был выбран

промышленный компьютер MicroPC

фирмы Octagon Systems, обладающий,

кроме всего прочего, широким диапа

зоном рабочих температур 40°С...

+85°С. Потребляемая мощность состав

ляет всего около 20 Вт. Конфигурация

компьютера включает в себя:

процессорную плату 5025A (про

цессор 486) с оперативной памятью

4 Мбайт;

предназначена

для обмена измерительной и служеб

ной информацией с ЦМ по радиокана

(ACM)

Рис. 5. Технология обработки информации в Центре мониторинга

1/97

СИСТЕМНАЯ ИНТЕГРАЦИЯ

ЭКОЛОГИЯ

Рис. 6. Результат моделирования переноса загрязнений в атмосфере

же совместимость программ с MSDOS в

целях обеспечения общности программ

ных средств системы в целом.

Для реализации ПО была выбрана

многозадачная операционная среда

DESQview фирмы Quarterdeck, позволя

ющая запускать в пределах физической

памяти компьютера любое число па

раллельных процессов обычных DOS

программ. Все процессы работают в ре

жиме разделения времени и являются

совершенно равноправными и незави

симыми друг от друга. При этом

DESQview предоставляет возможность

обмена данными между ними по специ

альному протоколу через систему «поч

товых ящиков».

Управляющая программа АСМ запус

кается в виде четырех параллельно ра

ботающих процессов: измерительного,

коммуникационного, управляющего и

операторского. Все процессы работают

циклически и обмениваются сообще

ниями друг с другом (рис. 4).

Измерительный процесс

ванию платы 5710 – опрос аналоговых и

цифровых входов, выдача сигналов на

цифровые выходы и т. п.

низм управления станцией, повысить

надежность ее работы и дала широкие

возможности модификации и развития

программного обеспечения станции, в

частности, его оперативной настройки

на различные конфигурации измери

тельной аппаратуры.

Коммуника

ционный процесс

обеспечивает пере

дачу данных. Контроллер пакетной ра

диосвязи KPC3 подключается к одному

из последовательных портов платы

5025A.

запус

кается по необходимости и обслуживает

работу пользователяоператора. Все дей

ствия синхронизируются управляющим

процессом, который посылает команды

другим процессам и принимает от них

данные и сообщения о выполнении ко

манд. В

Операторский процесс

Информационные технологии

центра мониторинга

Центр мониторинга разворачивается

в виде семейства информационновы

числительных программноаппарат

ных комплексов, объединенных в ло

кальную вычислительную сеть (рис. 1).

В их числе:

коммуникационный комплекс (КК),

обеспечивающий прием информа

ции от измерительной сети;

диспетчерский комплекс (ДК), пред

назначенный для оперативной обра

ботки принятой информации, ото

бражения текущей экологической си

туации и управления работой изме

рительной сети;

зало

жены алгоритмы решения всех задач из

мерения, поддержки жизнеспособности

станции, реакции на различные события

и обмена информацией с Центром мо

ниторинга. Режимы работы программ

ного обеспечения станции задаются на

основе системы конфигурационных

файлов.

Описанная архитектура программно

го комплекса станции мониторинга

позволила реализовать гибкий меха

управляющий процесс

выполня

ет элементарные действия по обслужи

1/97

СИСТЕМНАЯ ИНТЕГРАЦИЯ

ЭКОЛОГИЯ

архивный комплекс (АК), предназна

ченный для ведения долговременных

архивов измерительной информа

ции и ее статистической обработки;

геоинформационный моделирую

щий комплекс (ГМК), на котором по

измерительным данным проводится

математическое моделирование теку

щей экологической ситуации на кон

тролируемой территории и составля

ются прогнозы динамики ее развития.

Аппаратное обеспечение комплексов,

входящих в состав Центра мониторин

га, базируется на IBM PC совместимых

компьютерах класса 486 или Pentium.

Локальная сеть строится на коаксиаль

ном кабеле и адаптерах Ethernet

(NE2000) с использованием одноранго

вой сетевой операционной системы

LanSmart 3.22. Оборудование Центра

включает в себя также аппаратуру связи

и ряд периферийных устройств: прин

теры, источники бесперебойного пита

ния и др.

Концепция информационных техно

логий центра мониторинга основана на

требованиях к системам реального вре

мени. Сетевой обмен между перечис

ленными комплексами происходит на

двух уровнях: посредством передачи

файлов на разделенном дисковом про

странстве и путем передачи электрон

ных сообщений средствами сетевого

протокола NetBIOS. Первый использу

ется для обмена содержательной ин

формацией, а второй для передачи со

общений о событиях и управляющих

команд между комплексами в реальном

времени (рис. 5).

Коммуникационный комплекс обес

печивает организацию связи ЦМ с АСМ

и удаленными терминалами по радио

и/или телефонному каналу с возмож

ностью двустороннего инициирования

сеансов. В штатном режиме они иници

ируются КК по расписанию. В случае

возникновения на АСМ аварийной си

туации сеанс инициируется самой АСМ

немедленно. По окончании любого се

анса полученные данные и соответству

ющие электронные сообщения переда

ются на ДК.

Диспетчерский комплекс представля

ет собой автоматизированное рабочее

место диспетчера ЦМ, ведущего теку

щий контроль экологической ситуации

на территории. ДК принимает от КК и

обрабатывает данные следующих ти

пов:

текущая измерительная информация;

сообщения о превышениях допусти

мых концентраций;

сообщения об аварийных ситуациях

на станциях;

запросы от пользователей удаленных

терминалов на получение сводок и

прогнозов.

ДК информирует диспетчера о теку

щей ситуации в контролируемом реги

оне, пересылает принятые данные и за

просы на АК и ГМК, передает оператив

ную информацию о качестве воздуха на

локальные терминалы.

Программное обеспечение ДК предо

ставляет диспетчеру Центра возмож

ность формировать и пересылать на КК

команды телеуправления станциями

мониторинга. После приема очередной

команды КК инициирует сеанс связи с

соответствующей станцией и передает

ей телекоманду, а впоследствии прини

мает квитанцию о ее выполнении.

Поддержка запросов удаленных тер

миналов реализована по следующему

алгоритму. Пользователь удаленного

терминала, подключенного к ЦМ, с по

мощью специальных программных

средств формирует запрос на получе

ние информации (текущей или ретро

спективной) об экологической ситуа

ции. Запрос отсылается в ЦМ, где он

принимается КК, распознается ДК и ста

вится в очередь на выполнение у АК

и/или ГМК. Результат выполнения за

проса вновь передается на КК и отсыла

ется на соответствующий терминал. По

мимо обработки запросов КК по своей

инициативе передает на терминалы те

кущие сводки в соотвествии с заданны

ми регламентами.

С целью повышения надежности рабо

ты всей системы и обеспечения сохран

ности информации был реализован ме

ханизм сквозной буферизации данных

путем передачи их через систему «поч

товых ящиков». Первичные измерения

хранятся на станциях мониторинга в те

чение установленного срока (обычно 30

дней) и одновременно записываются в

директориюпочтовый ящик для отправ

ки в Центр. После успешной передачи по

каналу связи почтовый ящик очищается.

На КК в центре из приемного почтового

ящика данные переписываются в почто

вый ящик ДК. Почтовый ящик КК очища

ется только после успешной перезаписи

файлов по локальной сети. Аналогичный

механизм реализован и на ДК при пере

даче обработанных данных другим ком

плексам Центра.

Архивный комплекс представляет со

бой систему ведения баз измеритель

ных данных с широкими возможностя

ми их статистической обработки, ин

формационного поиска, генерации от

четов, формирования графиков и т. п. в

диалоговом и пакетном (по запросам

терминалов) режимах.

Геоинформационный моделирую

щий комплекс включает в себя обшир

ную картографическую базу данных о

территории (карты расположения ис

точников и реципиентов загрязнений,

природных ландшафтов, рельефа, почв,

речной сети и др.) и позволяет в реаль

ном времени на основе методов мате

матического моделирования путем ре

шения прямых и обратных задач пере

носа составлять карты текущих и про

гнозируемых загрязнений контролиру

емой территории (рис. 6). Кроме того,

ГМК позволяет разыгрывать в диалоге с

пользователем различные сценарии

развития экологической обстановки в

случае принятия тех или иных управ

ленческих решений.

Все программные средства КК, ДК и

ГМК реализованы на языке C++ в среде

Borland C++ 3.1 (КК – для DOS, ДК и

ГМК – для Windows 3.1), АК реализован

в среде FoxPro 2.5.

В целом ЦМ представляет собой со

временную распределенную систему

обработки данных, функционирующую

в реальном масштабе времени.

Заключение

Решение задач экологического мони

торинга невозможно без применения

современных средств измерения и свя

зи, новых компьютерных технологий.

Практика эксплуатации систем монито

ринга показала эффективность и жиз

неспособность как общей концепции

ДИЭМ, так и отдельных технических ре

шений в реальных условиях.

Интегрирование всех составных час

тей мониторинга в единой технологии

минимизирует затраты на их стыковку,

сокращает время обмена и преобразо

вания данных, исключает потери ин

формации, повышая тем самым надеж

ность и эффективность создаваемых

систем.

Открытая архитектура аппаратного и

программного обеспечения позволяет

наращивать состав измерительной ап

паратуры и вводить новые алгоритмы

контроля состояния окружающей сре

ды, развивать и модернизировать уже

внедренные системы.

1/97

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: