Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка систем производственного экологического мониторинга объектов сбора и магистрального транспорта газа

ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Петрулевич, Андрей Александрович

ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ.

1.1. Проблема обеспечения экологической безопасности на предприятиях газовой промышленности.

1.2. Системы мониторинга атмосферного воздуха как элемент обеспечения экологической безопасности объектов добычи и транспортировки газа.

1.3. Этапы становления и развития систем мониторинга атмосферного воздуха.

1.4. Архитектура систем мониторинга атмосферного воздуха.

1.5. Цели и основные результаты работы.

1.5.1. Актуальность темы.

1.5.2. Цели работы.

1.5.3. Научная новизна.

1.5.4. Практическая ценность.

1.5.5. Апробация.

1.5.6. Публикации.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМАХ МОНИТОРИНГА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА (СМА).

2.1. Схема функционирования СМА и задачи математического моделирования.

2.1.1. Процессы рассеяния загрязняющих веществ в атмосферном воздухе.

2.1.2. Информационно-технологическая схема функционирования

2.1.3. Задачи математического моделирования в СМА.

2.2. Типы задач математического моделирования.

2.2.1. Проведение непосредственных расчетов при функционировании СМА.

2.2.2. Моделирование в целях управления работой СМА.

2.2.3. Моделирование при проектировании СМА.

2.3. Геоинформационно-моделирующий комплекс как звено СМА.

2.4. Архитектура и технология работы геоинформационно-моделирующего комплекса.

2.4.1. Геоинформационная подсистема.

2.4.2. Модули математического моделирования.

2.4.3. Информационная база.

2.4.4. Структура и технология работы ГМК.

2.5. Реализация геоинформационно-моделирующего комплекса.

2.6. Выводы по главе.

ГЛАВА 3. РАСЧЕТЫ РАССЕЯНИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ПРИ

ФУНКЦИОНИРОВАНИИ СМА.

3.1. Прямая задача расчета разовых концентраций загрязняющих веществ.

3.1.1. Базовая модель.

3.1.2. Расчет распределения концентраций на территории.

3.2. Прямая задача расчета пространственных распределений средних концентраций загрязняющих веществ.

3.2.1. Базовая модель расчета средних концентраций от единичного источника выбросов

3.2.2. Расчет угловых распределений.

3.3. Обратная задача расчета распределений разовых концентраций загрязняющих веществ.

3.4. Обратная задача расчета распределений средних концентраций загрязняющих веществ.

3.5. Программная реализация задач в составе геоинформационно-моделирующего комплекса сма.

3.6. Выводы по главе.

ГЛАВА 4. ЗАДАЧА РАЦИОНАЛЬНОГО РАЗМЕЩЕНИЯ

ИНФОРМАЦИОННО- ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СЕТИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ СМА.

4.1. Задача формирования информационно-измерительной сети и подходы к ее решению.

4.2. Требования к размещению постов контроля загазованности атмосферного воздуха.

4.3. Информативность размещения.

4.4. Критерии оценки информативности.

4.4.1. Максимальный незарегистрированный уровень загазованности.

4.4.2. Предельное показание сети.

4.4.3. Минимальный отклик сети ПКЗ на возникновение высоких концентраций.

4.4.4. Степень дублирования ПКЗ.

4.5. Алгоритм построения рационального размещения.

4.6. Программная реализация.

4.6.1. Структура программного комплекса.

4.6.2. Информационная база программного комплекса.

4.6.3. Технология функционирования программного комплекса.

4.7. Выводы по главе.

ГЛАВА 5. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОМ СЕТИ И ЗАДАЧ ОБРАБОТКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА АТМОСФЕРЫ ООО «АСТРАХАНЬГАЗПРОМ».

5.1. Краткая характеристика предприятия и существующих технических средств контроля экологической безопасности.

5.2. Проектирование информационно-измерительной сети контроля загазованности атмосферного воздуха.

5.3. Решение задач контроля и оценки экологической обстановки.

5.4. Выводы по главе.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка систем производственного экологического мониторинга объектов сбора и магистрального транспорта газа"

1.1. Проблема обеспечения экологической безопасности на предприятиях газовой промышленности.

Для России экологические проблемы имеют чрезвычайную важность. Во многих районах под влиянием техногенной деятельности произошло существенное ухудшение экологической обстановки: природная среда характеризуется высокими уровнями загрязнения, идет деградация почв, ухудшилось состояние биоты, ухудшилось здоровье населения. Деятельность хозяйственных объектов привела к тому, что ряду территорий присвоен статус зон экологического бедствия и зон чрезвычайной экологической ситуации.

Для многих регионов и территорий проблемы обеспечения экологического равновесия стоят крайне остро. Это территории размещения многих химических производств, объектов энергетики, металлургии, ряда объектов добычи природных ископаемых, прохождения трубопроводов, продуктопроводов, транспортных магистралей, ряда военных объектов, крупных очистных сооружений, полигонов захоронения отходов, и др. Для этих территорий хозяйственная деятельность и экологическое состояние территории оказываются теснейшим образом связаны между собой: экологически опасные производства и зоны их размещения должны рассматриваться совместно.

В настоящее время признано, что задача обеспечения экологической безопасности производственных объектов и территорий их размещения является одной из важнейших при проектировании объектов, их строительстве и реконструкции. Эта позиция находит отражение в природоохранном законодательстве РФ, нормативных и правовых актах, признается на международном уровне, реализуется большинством крупных компаний. При участии России готовится к подписанию международная Конвенция по экологической безопасности, целью которой является «обеспечение состояния защищенности человека, населения и защита окружающей природной среды от угрозы и от последствий возникновения чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера». В проекте Конвенции говорится, что «защищенность достигается комплексом средств и решений, обеспечивающих недопущение чрезвычайных ситуаций, их идентификацию, доведение информации до соответствующих лиц и проведение защитно-спасательных мероприятий».

В целях обеспечения экологической безопасности на опасных предприятиях и на территориях их размещения создается множество взаимоувязанных систем, обеспечивающих:1. Технологический контроль за производством2. Контроль технического состояния оборудования.

3. Контроль и прогнозирование воздействия предприятия на окружающую среду, контроль и прогнозирование состояния и качества компонентов природной среды на промплощадке и на прилегающей к предприятию территории4. Использование полученной в ходе контроля информации для принятия плановых и оперативных решений, предотвращающих либо минимизирующих последствия неблагоприятных экологических ситуаций5. Проведение мероприятий по предупреждению, минимизации и ликвидации негативного экологического воздействия на персонал, территорию и население.

Вопросы экологической безопасности предприятий и прилегающих территорий могут быть успешно решены только в случае, если задача контроля и управления окружающей средой последовательно решается на всех стадиях создания (реконструкции) промышленных объектов: при ведении предпроектных и изыскательских работ, на этапе проектирования, в ходе строительства, при эксплуатации и, наконец, при ликвидации предприятий.

В большинстве случаев важнейшим фактором, влияющим на экологическую безопасность, является готовность владельца и руководства предприятия, администрации региона решать соответствующие организационные, технические и финансовые проблемы. В ряде случаев системы, обеспечивающие экологическую безопасность оказываются дорогостоящими, их стоимость может составлять 10-15 и более процентов от стоимости основных производственных фондов предприятия, их эксплуатация также требует значительных затрат.

В ОАО «Газпром» задача обеспечения экологической безопасности рассматривается как одна из наиболее приорететных. Повышение экологической безопасности добычи, транспортировки и хранения газа стоит в ряду важнейших задач, обеспечивающих устойчивое развитие отрасли (наряду с задачами повышения надежности поставок газа и снижением эксплуатационных затрат) [81]. Вопросы обеспечения экологической безопасности входят в число важнейших при принятии решений по новым объектам и при оценке деятельности уже существующих объектов. На предприятиях отрасли ведется реконструкция систем, обеспечивающих производственно-экологическую безопасность. При проектировании новых объектових неотъемлемой частью являются технические и программные средства, установки, системы, решающие задачи экологического контроля, безопасного управления производством, обеспечения безопасности производственного персонала и населения. Примерами являются системы обеспечения экологической безопасности, создаваемые на предприятиях, добывающих, транспортирующих и перерабатывающих сероводородсодержащее сырье (ООО «Астраханьгазпром», ООО «Оренбурггазпром») и на других предприятиях отрасли (газопроводы «Россия-Турция», «Ямал-Европа»).

В комплексе обеспечения экологической безопасности предприятий газовой промышленности важнейшую роль играют системы производственного экологического мониторинга (ПЭМ), решающие задачи контроля воздействия предприятия на окружающую среду, контроля состояния и качества компонентов природной среды в зоне ответственности предприятия, доведения этой информации до лиц, принимающих решения по проведению природоохранных и спасательных мероприятий. Изучению систем данного класса посвящена настоящая диссертационная работа.

1.2. Системы мониторинга атмосферного воздуха как элемент обеспечения экологической безопасности объектов добычи и транспортировки газа Экологическая безопасность работы предприятий газовой промышленности может быть обеспечена только в случае, если руководство и технологические службы предприятия обеспечены оперативной, достоверной и полной информацией об интенсивности воздействия промышленных объектов на окружающую среду, состоянии компонентов природного комплекса на промплощадке и прилегающих к обьекту территориях. Для решения этой задачи в соответствии с требованиями природоохранного законодательства РФ и действующих нормативных документов на предприятиях создаются системы производственного экологического мониторинга (ПЭМ).

Системы ПЭМ - это принадлежащие предприятиям системы, контролирующие (а) интенсивность воздействия предприятия на окружающую среду и (б) состояние окружающей среды (например, уровень ее загрязнения) в зоне ответственности предприятия. Системы ПЭМ включают:- Системы мониторинга источников воздействия предприятия на окружающую среду (выбросы, сбросы, отходы и т.п.).- Системы мониторинга уровня загрязнения природных сред в рабочей и санитарно-защитной зоне (СЗЗ) предприятия, за пределами СЗЗ с целью обеспечения допустимых экологических условий для людей и биоты.

Системы ПЭМ взаимодействуют с другими системами, обеспечивающими экологическую безопасность предприятия и территории: с природоохранной службой предприятия, системами управления технологическими процессами предприятия, санитарно-медицинскими службами предприятия, аварийно-спасательными службами предприятия, с пожарной службой, с производственной системой оповещения персонала об экологической опасности, с территориальными природоохранными службами, с санитарно-медицинскими службами территории, с системами оповещения населения об экологической опасности, со службами МЧС, и с другими системами и службами.

Важность создания систем ПЭМ на объектах газовой промышленности обусловила постановку данной проблемы на отраслевом уровне. В ОАО «Газпром» в 1993 - 1995 гг. была разработана концепция ПЭМ отрасли, которая нашла отражение в «Технико-экономическом обосновании производственного экологического мониторинга газовой промышленности» [74]. В настоящее время работы по созданию систем ПЭМ предприятий добычи, транспортировки, хранения и переработки газа ведутся в рамках Комплексной научно-технической "Программы работ по созданию и внедрению системы производственно-экологического мониторинга объектов РАО "Газпром" на 1997-2000 гг. [46].

Негативное воздействие промышленных объектов на окружающую среду является, как правило, многоплановым и затрагивает различные компоненты природной среды: атмосферный воздух, природные воды, поверхностный покров и пр. Соответственно, в составе ПЭМ выделюются следующие основные части:- система мониторинга атмосферного воздуха;- система мониторинга поверхностных вод;- система мониторинга подземных вод;- система мониторинга почв;- система биологического мониторинга- система геоэкологического мониторинга и другие виды мониторинга (криологический, радиационный, мониторинг шумового воздействия).

Сравнительная важность этих компонент зависит от специфики производства и различается для различных предприятий. Однако в целом можно говорить, что для предприятий газовой отрасли система мониторинга атмосферного воздуха (СМА)8является важнейшей компонентой ПЭМ. Это связано со спецификой основного технологического процесса: огромными объемами добычи и транспорта природного газа (содержащего помимо углеводородов загрязняющие вещества высокой степени опасности - сероводород, меркаптаны и др.), повсеместной работой с горючими газами при высоких давлениях, широким использованием технологии продувки скважин и оборудования с последующим выбросом газа в атмосферу либо сбросом на факел, использованием большого количества энергетических установок (турбинных, дизельных, котельных и др.), широким использованием одорантов и др.

СМА является информационно-измерительной системой, осуществляющей контроль за источниками выбросов, состоянием атмосферы и качеством атмосферного воздуха на территории рабочей зоны, СЗЗ и зоны ответственности предприятия. Работа СМА базируется на получении измерительных данных от мобильных и стационарных технических средств контроля выбросов и загрязнения атмосферного воздуха, их архивировании, обработке этих данных и распространении результатов мониторинга другим системам и службам.

В соответствии со своей ролью в составе систем обеспечения производственно-экологической безопасности, системы производственного экологического мониторинга атмосферного воздуха (СМА) должны обеспечивать решение следующих задач:1. Сбор, накопление и хранение информации о параметрах источников выбросов, о загрязнении атмосферы на контролируемой территории.

2. Контроль (в т.ч. оперативный) текущего экологического состояния атмосферы на территории предприятия и прилегающей к предприятию территории, оценка и прогноз его изменения; в частности, выявление опасных уровней загрязнения и локализация зон высокого загрязнения, определение источников и параметров выбросов загрязняющих веществ, создавших опасные уровни загрязнения, получение краткосрочных прогнозов развития неблагоприятных экологических ситуаций3. Выявление динамики и тенденций развития экологической ситуации, изучение взаимосвязей и возможных причин того или иного изменения ситуации, прогнозирование развития экологической ситуации в долгосрочной перспективе.

4. Распространение информации об экологической ситуации среди должностных лиц и других пользователей СМА, включая оперативную рассылку информации о текущей экологической обстановке и о возникновении неблагоприятных экологических ситуаций.

5. Поддержка принятая обоснованных решений по рациональному природопользованию, разработке и проведению природоохранных мероприятий, оперативному управлению экологической ситуацией.

Таким образом, в задачу СМА входит контроль процесса загрязнения атмосферного воздуха на промплощадке и в пределах СЗЗ предприятия на всех стадиях: от непосредственного выброса в атмосферу до загрязнения приземного слое атмосферного воздуха.

Необходимые для решения этой задачи методические подходы, технические и программные средства сформировались в ходе развития систем мониторинга атмосферного воздуха за последние 30-40 лет.

1.3. Этапы становления и развития систем мониторинга атмосферного воздухаИстория развития систем контроля загрязнения атмосферы насчитывает более 100 лет. Однако системы мониторинга атмосферы в современном понимании стали возникать только в конце 1940-х гг. СМА стали создаваться в регионах, подверженных интенсивному техногенному загрязнению атмосферы. Первоначально СМА создаются в США. Они разворачиваются в отдельных районах, для которых высокое химическое загрязнение атмосферы было типичным, либо в районах, в которых имелась опасность радиационного загрязнения атмосферы (районы Питтсбурга, Оак-Риджа, Ричленда, др.). Первоначально СМА работали на основе данных, получаемых путем отбора и анализа проб воздуха, и были предназначены для выявления тенденций в загрязнении атмосферы [28, 29, 32, 92].

Созданные системы быстро эволюционировали. К началу 1950-х годов радиационный мониторинг на производственных площадках стал проводиться с использованием автоматических измерительных средств.

С середины 1950-х гг. стали появляться автоматизированные системы мониторинга химического загрязнения атмосферного воздуха (Питтсбург), работающие с использованием автоматических измерительных средств. С начала 1960-х годов автоматизированные системы стали появляться в Европе (Париж). Первоначально эти системы представляли собой простые измерительные сети контроля концентраций загрязняющих веществ, предназначенными для выявления тенденций и (в случае автоматических систем мониторинга) для выдачи сигнала «тревоги» при возникновении неблагоприятных ситуаций. В 1970-е гг. СМА типа простых измерительных сетей достигают наибольшей степени распространения: они разворачиваются во многих городах США, Западной Европы, Японии. Эти системыобычно включали некоторое количество автоматических (автоматизированных) измерительных станций, связанных каналами передачи данных с центральным диспетчерским постом. Системы работали в реальном масштабе времени. Измерительные данные передавались на центральный пост либо непрерывно, либо с некоторым интервалом времени. Этот интервал времени составлял от минут до 2 -4 ч. Принятые интервалы усреднения показаний составляли от 15 мин до нескольких часов. Основной задачей этих систем была автоматическая подача "сигнала тревоги" при превышении концентрациями загрязняющих веществ санитарно-гигиенических нормативов и при возникновении неблагоприятных метеоусловий. Сигналы тревоги различались по "уровням опасности" и влекли за собой систему штатных оперативных мероприятий (различную для каждого уровня сигнала тревоги). Данные автоматических измерений пополнялись данными измерений с помощью обслуживаемых измерительных элементов.

Созданные СМА показали свою высокую эффективность как источник управляющего сигнала в системах с обратной связью: за сравнительно короткий период времени в результате направленного применения воздухоохранных мероприятий загрязненность атмосферного воздуха на контролируемых территориях заметно понизилась.

В последующие 10-15 лет подобные системы превращаются из простых измерительных сетей в сложные системы наблюдения за экологической обстановкой и становятся все более функционально богатыми. Идет процесс сокращения количества СМА, работающих исключительно на основе сетей автоматических измерительных станций, развернутых в плотно заселенных регионах (такие системы разворачиваются вновь лишь на территориях размещения экологически опасных предприятий). В целом же, СМА эволюционируют, превращаясь в комплексные системы наблюдения за территорией и решают все более широкий круг задач экологического мониторинга.

Кратко рассмотрим структуру и функциональные возможности некоторых современных СМА.

Системы экологического мониторинга атмосферы фирмы INDIC (Швеция) [36] включают совокупность измерительных станций (выполненных в виде автоматических модулей, стационарно устанавливаемых на территории в точках контроля) и центр сбора данных. Автоматические измерительные станции представляют закрытые павильоны с системами жизнеобеспечения и набором приборов, контролирующих содержание вредных веществ в атмосфере, а такжезначения метеорологических параметров. Станции управляются компьютером, измерительная информация накапливается в локальном архиве станции с возможностью ее первичной обработки и визуализации и может передаваться по различным каналам связи (телефонные коммутируемые каналы, радиотракт). Центр сбора данных представляет из себя совокупность компьютеров, объединенных в локальную вычислительную сеть, выполняющую следующие функции:- прием измерительной информации по каналам связи с контролем ее целостности и обеспечением оператора сведениями об исправности измерительной аппаратуры;- накопление принятой информации в базах данных, имеющих необходимые средства представления и анализа данных с применением их статистической обработки;- ведение базы данных динамических характеристик выбросов от большого числа источников различных типов;- математическое моделирование процессов распространения загрязнений в атмосфере с сохранением результатов расчетов для дальнейшего анализа.

Системы экологического мониторинга фирмы ATS (Швейцария) [35] также реализуют комплексный подход к решению задач мониторинга атмосферного воздуха. Системы мониторинга ATS включают:- стационарные станции наблюдения, выполненные в виде автоматических станций мониторинга с системами жизнеобеспечения;- передвижные системы наблюдения, устанавливаемые на автомобилях;- средства связи по телефонным каналам;- программное обеспечение, предназначенное для сбора, накопления и анализа измерительной информации.

Системы комплексного анализа и математического моделирования состояния атмосферного воздуха фирмы ARIA (Франция) [34] предоставляют возможность моделирования в реальном времени переноса загрязняющих веществ в атмосфере в различных пространственных масштабах (предприятие, город, регион, континент) как в случае выбросов при нормальной работе предприятий, так и в случае возникновения на них аварийных ситуаций. Системы ARIA представляют собой распределенную сеть локальных рабочих станций, размещаемых на предприятиях в зонах контроля выбросов. Данные поступают в реальном времени от измерительной сети предприятия, а также могут быть приняты по каналам связи. Программное обеспечение ARIA решает следующие задачи:12- сбор информации, поступающей от источников выбросов;- накопление и анализ измерительной информации;- картографическая поддержка- трехмерное моделирование полей скоростей и направлений ветра;- двух- и трехмерное моделирование переноса загрязнений в атмосфере;- статистическая обработка данных за продолжительные периоды.

Изложенное позволяет сказать, что в мире уже накоплен опыт создания СМА, которые успешно решают возложенные на них задачи в системе экологической безопасности предприятий и территорий.

История развития СМА показывает, что при их создании следует руководствоваться следующими принципами:- иерархический принцип построения СМА;- комплексный подход к решению задач мониторинга (в плане интеграции с системами мониторинга других компонентов природной среды);- применение распределенной измерительной сети и распределенной обработки информации в системе;- работа в реальном времени;- использование для анализа и прогноза экологической ситуации методов математического моделирования;- представление информации при помощи геоинформационных систем.

Опыт создания СМА в России (СССР) существенно беднее. В 40-70-е годы в рамках гидрометеослужбы СССР была развернута сеть контроля метеорологических параметров и контроля загрязнения природных сред. Позднее на ее основе была развернута общегосударственная система наблюдений и контроля за уровнем загрязнения природной среды (ОГСНК). Измерительные звенья этой сети являлись обслуживаемыми.

В конце 80-х годов создается сеть автоматических станций мониторингаатмосферы в Москве (ввиду недостаточности финансирования в настоящее время«сеть фактически вышла из строя. Решение по началу финансирования реконструкции этой сети принято только в 2001 г.).

В 1970-1980 гг. на ряде предприятий СССР были созданы производственные системы мониторинга атмосферы, работающие на основе автоматических и обслуживаемых измерительных звеньев, развернутых в окрестности предприятий. К таким предприятиям относятся предприятия черной металлургии, нефтегазовой и химической промышленности.

В 90-е годы СМА интенсивно развивались, сменялось их техническое оснащение, разрабатывались и внедрялись современные информационные технологии. К числу подобных систем относится автоматическая система мониторинга атмосферного воздуха одного из крупнейших газроперерабатывающих предприятий России - ООО «Астраханьгазпром». При создании этой системы были использованы модели и методы, рассмотренные в настоящей диссертации. На настоящий день данная система является одной из самых современных и функционально полных отечественных производственных систем СМА. Рассмотрим структуру и основные задачи СМА нефтегазового комплекса.

1.4. Архитектура систем мониторинга атмосферного воздуха.

В соответствии с опытом создания систем мониторинга, в составе СМА предприятия будем выделять следующие основные структурные части:1. Информационно-измерительную сеть (ИИС);2. Центр мониторинга (ЦМ);3. Сеть терминалов пользователей4. Подсистему связи и телекоммуникаций.

Информационно-измерительная сеть (ИИС) решает задачи выполнения в различных точках контролируемой территории измерений параметров источников выбросов, уровней загрязнения атмосферы и метеопараметров, влияющих на условия рассеяния. ИИС включает автоматические и обслуживаемые измерительные звенья. Каждое измерительное звено (ИЗ) — это замкнутая и во многом автономная подсистема (модуль), выполненная на основе взаимоувязанных конструктивных, технических и программных решений, предназначенная для реализации определенного типа измерений, наблюдений, отбора проб, а также передачи полученных данных в Центр мониторинга.

Среди основных измерительных звеньев ИИС СМА следует назвать следующие.

Автоматические посты контроля выбросов (АПКВ), предназначеные для контроля параметров основных источников выбросов предприятия. Контроль проводится автоматическими средствами, работающими в отсутствии оператора.

Обслуживаемые посты контроля выбросов (ОПКВ), выполняющие те же функции, что и АПКВ. Контроль проводится переносными средствами, либо путем отбора проб выбрасываемой газовоздушной смеси, с последующей доставкой проб в стационарную аналитическую лабораторию (САЛ) для проведения анализов.

Автоматические посты контроля загазованности (АПКЗ), предназначеные для постоянного автоматического контроля концентраций заданного набора загрязняющих веществ и метеопараметров, автоматического отбора проб.

Обслуживаемые посты контроля загазованности (ОПКЗ), являющиеся обслуживаемым измерительными звеньями, предназначенными для измерений концентраций загрязняющих веществ, измерения метеопараметров, отбора проб.

Метеорологические посты (МП) и аэрологические посты (АП), предназначеные для измерения метеопараметров, в том числе для контроля вертикального профиля температуры.

Передвижные химические лаборатории (ПХЛ), являющиеся обслуживаемыми измерительными звеньями, предназначенными для измерения концентраций загрязняющих веществ и метеопараметров, отбора проб атмосферного воздуха и доставки их для последующего анализа в CAJI. ПХЛ монтируются на автомобильных шасси и позволяют выполнять измерения в различных точках местности (при посещении).

Стационарные аналитические лаборатории (САЛ), предназначенные для выполнения анализов доставленных в них проб атмосферного воздуха.

Центр мониторинга является главным «интеллектуальным» элементом системы, обеспечивающим решение большей части задач, стоящих перед СМА. Он обеспечивает:- сбор измерительной информации от измерительных звеньев, ее архивацию, обеспечение доступа к данным- управление работой ИИС- получение от систем управления предприятием информации о режимах работы источников выбросов- обработку всей имеющейся в системе информации, включая идентификацию возникновения экологически неблагоприятных ситуаций- подготовку и рассылку оперативной и регламентной информации об экологической ситуации пользователям системы- обработку запросов на получение информации от пользователей системы и рассылку им запрашиваемой информации.

ЦМ является обслуживаемым элементом СМА, способен выполнять часть своих задач автоматически, однако решение остальных задач требует наличия оператора.

Для обеспечения своих функций центр мониторинга должен работать не только с измерительной информацией, полученной ИИС. Базы данных ЦМ должны содержать значительный объем условно-постоянных данных о предприятии, источниках выбросов, прилегающей к предприятию территории.

Информация, полученная СМА, выводится на терминалы пользователей и на бумажный носитель. Пользователи, имеющие терминалы, получают по регламенту оперативную информацию о состоянии территории, а также могут давать запросы на получение информации из баз данных системы. Количество и состав терминалов пользователей СМА, а также пользователей, получающих информацию на бумажных носителях, определяется спецификой производства и территории.

Подсистема связи и телекоммуникаций выполняет функции передачи информации между компонентами системы, а также между ЦМ и пользователями.

Работа СМА основывается на сборе измерительной и наблюдательной информации о состоянии и качестве атмосферного воздуха, анализе этой информации, ее обработке и доведении до должностных лиц (пользователей системы), принимающих решения. Измерительная информация, получаемая звеньями ИИС, передается при помощи Подсистемы связи и телекоммуникаций в Центр мониторинга. ЦМ обеспечивает решение всего комплекса задач сбора, накопления, обработки и распределения мониторинговой информации. Информация, полученная СМА, передается пользователям. Подсистема связи и телекоммуникаций также обеспечивает передачу информации между системой мониторинга и другими системами, с которыми она взаимодействует.

Основные структурные элементы и потоки информации в СМА изображены на рис. 1.4.1.

Терминалы пользователейЦентр мониторингаiBBBiniaBiiBR; «а яI«bsiri4—Авзквв а-/я--а.-я.к-яПодсистема связи и телекоммуникацийs я я в в аиУИнформационно-измерительная сетьИЗИЗизРис. 1.4.1. Основные структурные элементы и информационные потоки в СМА- измерительная информация, информация о состоянии ИЗ- результаты мониторинга (плановая, оперативная информация, информация по запросам)- управление работой ИЗ- запросы на получение информацииСМА являются измерительно-информационными системами, обеспечивающими получение информации о загрязнении атмосферного воздуха на территории предприятия и в его окрестностях. Общий принцип работы этих систем состоит в том, что они проводят измерения экологических показателей и на этой основе дают оценка качества атмосферного воздуха. Однако конкретный способ реализации СМА существенно различается на различных предприятиях, что связано со спецификой предприятия и его воздействия на окружающую среду, спецификой территории его размещения, экономическими возможностями предприятия и др. факторами. Это ставит следующие проблемы.

Во превых, СМА предприятий должны иметь минимальный достаточный набор измерительных звеньев, обеспечивающий получение необходимого объема измерительной информации о состоянии предприятия и территории. Состав элементов информационно-измерительной сети и их размещение на местности играют ключевую роль как в обеспечении информативности СМА, так и при расчете ее стоимости. Дело в том, что измерительные приборы, входящие в состав ИЗ, особенно аналитическая техника, являются наиболее дорогостоящим оборудованием СМА. (Стоимость ИИС составляет до 90% стоимости СМА.) С другой стороны, размещение на территории стационарных ИЗ полностью определяет пространственную структуру обрабатываемой СМА измерительной информации (участки территории, на которых густота ИИС недостаточна, являются "белыми пятнами", выводы об экологической обстановки в которых могут быть сделаны только косвенным путем, т.е. на основе измерительных данных, полученных с соседних участков). Соответственно, необходимо разработать подходы обеспечивающие при создании СМА определение необходимого для работы систем количества измерительных звеньев, мест их размещения и регламента наблюдений и измерений.

Во вторых, необходимо решить вопросы создания эффективных схем обработки информации в системах мониторинга, и в частности в СМА, обеспечивающих получение максимально возможного обьма полезной для пользователей системы информации на основе поступивших в систему измерительных данных. Опыт развития систем мониторинга на Западе показывает, что в ряде случаев это удается сделать за счет использования в системы математического моделирования и включения в системы картографических и геоинформационных средств.

Для обработки информации в системах мониторинга следует разрабатывать и использовать отечественное прикладное программное обеспечение, ориентированное на широко распространенную дешевую и надежную вычислительную технику. Прикладное программное обеспечение должно быть максимально унифицировано в плане возможности применения на различных объектах отрасли.

Разрабатываемые для систем мониторинга информационные технологии должны обеспечивать высокую гибкость создаваемых систем с учетом специфики предприятий и территорий их размещения (и соответственно, стоящих экологических проблем) и специфики управления «объект - предприятие -территория размещения предприятия - отрасль» (на каждом уровне управления задачи, решаемые системами мониторинга, различаются, однако системы мониторинга различных уровней при решении своих задач постоянно взаимодействуют между собой).

Рассмотрению ряда указанных вопросов посвящена настоящая диссертация.

1.5. Цели и основные результаты работы1.5.1. Актуальность темы.

Системы производственного экологического мониторинга (ПЭМ) предприятий газового комплекса являются сложными и дорогостоящими системами, требующими разработки новых технических решений и использования современных информационных технологий. Для создания систем ПЭМ актуальными являются задачи разработки принципов построения и технологии работы таких систем, разработки подходов, позволяющих сократить количество используемых в системе измерительных звеньев, разработки моделей и алгоритмов, позволяющих повысить эффективность использования получаемой системой измерительной информации, а так же их программная реализация.

В диссертации рассматриваются вопросы применения математического моделирования при функционировании и при создании систем мониторинга атмосферного воздуха. Предлагаются новые модели, алгоритмы, программные комплексы, а также технологическая информационная схема работы систем мониторинга атмосферы, в которой эффективно используются разработанные средства.

1.5.2. Цели работы1. Анализ алгоритмов функционирования систем мониторинга атмосферного воздуха. Локализация «узких мест» этих алгоритмов в плане поддержки принятиярешений по управлению экологической обстановкой. Определение роли математического моделирования при проектировании и функционировании СМА и определение круга задач, позволяющих повысить эффективность процессов принятия решений в уже существующих системах мониторинга, а для проектируемых систем мониторинга создавать эффективные измерительные сети и разрабатывать эффективные алгоритмы функционирования систем мониторинга.

2. Разработка информационных технологий и универсальных программных комплексов, предназначенных для реализации задач математического моделирования на картографической информационной базе, предназначенных для использования как при работе систем мониторинга атмосферного воздуха, так и при их проектировании.

3. Разработка новых математических моделей, алгоритмов и программ расчета пространственных распределений концентраций загрязняющих веществ на территории на основе измерительной информации, полученной СМА в отдельных точках территории.

4. Постановка и решение задачи рационального размещения постов информационно-измерительной сети мониторинга атмосферного воздуха при проектировании систем ПЭМ предприятий газовой промышленности.

5. Разработка и программная реализация моделей и алгоритмов, необходимых для решения задачи рационального размещения постов информационно-измерительной сети.

6. Применение разработанных моделей, алгоритмов и программ при создании СМА предприятия ООО «Астраханьгазпром» и для обработки мониторинговой информации в этой системе.

1.5.3. Научная новизна В диссертации получены следующие новые научные результаты:1. Рассмотрены алгоритмы обработки информации в СМА. Определена роль задач математического моделирования экологической обстановки, позволяющих повысить эффективность поддержки принятия решений на этапе создания и в ходе функционирования СМА. Рассмотрены основные классы задач математического моделирования для СМА.

2. Поставлена и решена задача создания интегрированной технологии решения задач математического моделирования в геоинформационной среде. Разработанаархитектура геоинформационно-моделирующего комплекса (ГМК), реализующего такую технологию. Определены функции ГМК в составе СМА.

3. Поставлена и решена задача пространственной реконструкции распределений разовых концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе по результатам выполненных СМА точечных измерений уровней загазованности территории. Разработаны и программно реализованы алгоритмы решения этой задачи с целью оценки уровня загазованности на территории на базе имеющейся измерительной информации.

4. Поставлена и решена задача получения гладких пространственных распределений средних значений атмосферных концентраций по данным метеорологических наблюдений и наблюдений за качеством атмосферного воздуха.

5. Поставлена и решена задача создания комплекса алгоритмов и программ рационального размещения постов информационно-измерительной сети СМА. Введено понятие информативности измерительной сети. Предложен подход к решению данной задачи на основе расчета и сопоставления ряда критериев информативности измерительной сети.

6. Разработано семейство критериев, характеризующих информативность измерительной сети СМА при решении системой задач обеспечения экологической безопасности и задач получения системой интегральных оценок экологической нагрузки на территорию; разработан и программно реализован алгоритм решения задачи размещения постов на базе построенных критериев.

1.5.4. Практическая ценность Практическая ценность результатов диссертации:1. Рассмотренные в диссертации задачи и предложенные методы их решения доведены до практических схем и технологий использования при проектировании и при эксплуатации СМА.

2. Все разработанные в диссертационной работе модели, алгоритмы и технологические схемы функционирования СМА реализованы в виде комплексов алгоритмов и программ, которые могут быть использованы как при проектировании и разработке СМА, так и при эксплуатации действующих и вновь создаваемых систем.

3. Комплекс алгоритмов и программ рационального размещения постов измерительной сети "ПОСТ" использован при разработке проекта реконструкции СМА ООО «Астраханьгазпром».

4. Разработанные в диссертации программы реконструкции пространственных распределений загрязнения атмосферного воздуха, средних концентраций включены в состав геоинформационно-моделирующих комплекса СМА ООО « Астраханьгазпром».

1.5.5. АпробацияРезультаты диссертации докладывались и обсуждались на:- Международном семинаре "Экологические катастрофы и средства их анализа" (Уфа, 1993 г.);- 2-ом международном семинаре "Оценка воздействия на окружающую среду: методология и практические приложения" (Москва, 1993 г.);- Всероссийском форуме "Геоинформационные технологии. Управление. Природопользование. Бизнес." (Москва, 1994);- 2-й международной научно-практической конференции "Информатизация подготовки и профессиональной деятельности операторов аэрокосмических систем" (Звездный городок, 1995 г.);- Международном симпозиуме "Методы и средства мониторинга состояния окружающей среды МСОС-95" (С.-Петербург, 1995 г.);- Научно-практической конференции "Проблемы управления качеством окружающей среды городов" (Москва, 1995 г.);- Всероссийской научно-практической конференции "Экологический мониторинг: проблемы создания и развития единой государственной системы экологического мониторинга (ЕГСЭМ)" (Москва, 1996 г.).

1.5.6. ПубликацииПо теме диссертации опубликовано 13 печатных работ.

1. Колтыпин С.И., А.А.Петрулевич. Автоматизированные системы экологического мониторинга: интегрированный подход. СТА, 1997, N1, с. 17-26.

2. Колтыпин С.И., Петрулевич А.А., Равикович В.И., Темкин В.М. Информационные технологии обработки данных в региональных многоуровневых системах экологического мониторинга. Тезисы доклада на 2-й Международной научно-практической конференции "Информатизация подготовки и профессиональной деятельности операторов аэрокосмических систем". Звездный городок, Моск. обл., РФ, 19-20 апреля 1995. Ред.-изд. отдел ЦПК им Ю.А.Гагарина, Звездный городок, 1995г.

3. Колтыпин С.И., Петрулевич А.А. Задачи математического моделирования в системах регионального экологического мониторинга. Доклад намеждународном семинаре "Экологические катастрофы и средства их анализа", Уфа, 6-10 сентября 1993 г.

4. Петрулевич А.А., Равикович В.И., Темкин В.М. Информационные технологии функционирования территориально-распределенных систем экологического мониторинга. Доклад на международном семинаре "Экологические катастрофы и средства их анализа", Уфа, 6-10 сентября 1993 г.

5. Чернявский Г.М., Ярыгин Г.А., Равикович В.И., Темкин В.М., Петрулевич А.А., Колтыпин С.И. Информационные технологии для разработки систем геоэкологического мониторинга на основе моделирующих комплексов. "Юбилейный сборник трудов институтов отделения информатики и вычислительной техники и автоматизации РАН", Т. 2, М. 1993.

6. Ярыгин Г.А., Лапиков В.В., Колтыпин С.И., Петрулевич А.А., Равикович В.И., Темкин В.М. Принципы построения распределенных территориальных систем экологического мониторинга. Доклад на международном семинаре "Экологические катастрофы и средства их анализа", Уфа, 6-10 сентября 1993г.

7. Ярыгин Г.А., Равикович В.И., Темкин В.М., Петрулевич А.А., Колтыпин С.И. "Использование информационных технологий разработки и функционирования систем геоэкологического мониторинга при ОВОС". Доклад на 2-ом международном семинаре "Оценка воздействия на окружающую среду: методология и практические приложения". Москва 19-23 апреля 1993 г.

8. Ярыгин Г.А., С.И.Колтыпин, А.А.Петрулевич, В.М.Темкин. Разработка городских систем экологического мониторинга на базе информационно-моделирующих технологий. Тезисы доклада на научно-практической конференции "Проблемы управления качеством окружающей среды городов". Москва, 11-14 апреля 1995 г. М., 1995 г.

9. Ярыгин Г.А., С.И.Колтыпин, В.И.Равикович, А.А.Петрулевич, В. М.Темкин. Информационные ГИС-технологии в системах регионального экологического мониторинга. Тезисы доклада на Всероссийском форуме. "Геоинформационные технологии. Управление. Природопользование. Бизнес." Москва, 6-11 июня 1994г. Москва, 1994.

10. Ярыгин Г.А., С.И.Колтыпин, В.И.Равикович, А.А.Петрулевич, В. М.Темкин. Опыт разработки и внедрения региональных систем экологического мониторинга на основе информационных технологий интегрированной обработки данных. Тезисы докладов Международного симпозиума "Методы и средства мониторингасостояния окружающей среды МСОС-95". С.-Петербург, 25-28 апреля 1995., С.Петербург, 1995г.

П.Ярыгин Г.А., С.И.Колтыпин, В.И.Равикович, А.А.Петрулевич, В. М.Темкин. Опыт разработки и ввода в эксплуатацию салаватской городской системы экологического мониторинга. Доклад НПФ ДИЭМ для 2-ой научно-практической конференции "Проблемы экологии" секция "Технические средства контроля качества окружающей среды". Уфа, 1995 г.

12. Ярыгин Г.А., Петрулевич А.А., Хоанг Вьет Зао. Размещение информационно-измерительной сети системы мониторинга атмосферного воздуха в целях контроля экологической безопасности. Препринт ИПМ им. М.В.Келдыша РАН №13 за 1999 г., М. 1999.

П.Ярыгин Г.А.,Колтыпин С.И.,Петрулевич А.А.,Равикович В.И.Демкин В. М. Использование моделирующих комплексов для решения задач регионального экологического мониторинга и экологической безопасности. Тезисы доклада на 2-й Международной научно-практической конференции "Информатизация подготовки и профессиональной деятельности операторов аэрокосмических систем". Звездный городок, Моск. обл., РФ, 19-20 апреля 1995. Ред.-изд. отдел ЦПК им Ю.А.Гагарина, Звездный городок, 1995г.

Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМАХ МОНИТОРИНГА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА (СМА)В настоящей главе изучается использование математического моделирования в системах мониторинга атмосферного воздуха (СМА). В разделе 2.1 описываются процессы рассеяния загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, рассматривается информационная технология функционирования СМА и ее важнейшей части - Центра мониторинга. В разделе 2.2 выделяются типы задач математического моделирования, которые могут и должны решаться в СМА, определяется место математического моделирования в информационно-технологической схеме работы СМА. Далее, в разделе 2.3 сформулированы требования к программным средствам, в рамках которых должны реализовываться задачи математического моделирования в СМА. В заключение (разделы 2.4, 2.5) описывается геоинформационно-моделирующий комплекс (ГМК) - специальное программное средство, разработанное для реализации задач математического моделирования в СМА.

2.1. Схема функционирования СМА и задачи математического моделирования2.1.1. Процессы рассеяния загрязняющих веществ в атмосферном воздухеЕдиничный источник выбросов загрязняющих веществ постоянной мощности создает в атмосфере облако повышенных концентраций этих веществ. Облако распространяется по ветру и рассеивается (рис. 2.1.1). Область, которую захватывает облако, имеет вид вытянутого по ветру эллипсоида. Направление распространения облака, быстрота его вертикального и горизонтального расширения зависят от метеопараметров - от направления, скорости ветра, перемешивающей способности атмосферы и др. Помимо метеопараметров, значения возникающих в приповерхностном слое воздуха (на высоте человеческого роста) концентраций зависят от мощности выброса (г/сек), высоты источника выбросов над поверхностью земли и др. факторов. Если на территории действует одновременно несколько источников выбросов загрязняющих веществ, имеющих различную мощность выбросов, различную высоту, то облака загрязнения накладываются друг на друга, образуя сложную пространственную картину (рис. 2.1.2). Для территории с находящимися на ней источниками выбросов можно ставить вопрос о пространственном распределении концентрации загрязняющего вещества, а для каждой точки территории - вопрос о значении концентрации загрязняющего вещества в этой точке.

Помимо постоянных источников, на территории могут действовать залповые источники выбросов. При залповых выбросах в атмосфере возникает облако загрязняющего вещества, которое дрейфует по ветру и постепенно рассеивается (рис. 2.1.3). При прохождении облака над некоторой точкой территории зависимость концентрации загрязняющего вещества в этой точке от времени имеет колоколообразный вид: вначале концентрация растет, достигает максимума, а затем спадает (рис.2.1.4.).

Подфакельная область, которую затрагивает облако высоких концентраций при залповом выбросе, (точно так же, как это имеет место в случае постоянных источников выбросов) имеет эллиптическую форму. На оси эллипса концентрации принимают большие значения, по мере удаления от оси эллипса, концентрации спадают. Направление распространения облака, скорость движения центра облака, скорость расплывания облака, ширина подфакельной области зависят от метеопараметров — направления, скорости ветра, состояния устойчивости атмосферы, мощности (объема) залпового выброса и др.

При залповом характере выбросов для каждой точки территории, находящейся в подфакельной области, можно ставить следующие вопросы:• какая концентрация загрязняющего вещества будет в этой точке в определенный момент, например через 30 минут, после начала выброса (концентрация С1 в момент времени Т1, рис 2.1.4.);• какая максимальная концентрация будет достигнута в этой точке за все время после выброса (концентрация СмаКс на рис. 2.1.4);• когда фронт загрязнения придет в эту точку, другими словами через какое время после выброса в точке будет превышен некоторый заданный уровень концентрации (момент времени Тфр0Нта на рис. 2.1.4);• в течение какого времени в точке будет превышен уровень в 1 ПДК (время 1 пораж на рис 2.1.4.);• когда прекратится превышение ПДК (момент времени Тспада на рис. 2.1.4.).

Для территории вцелом можно ставить вопрос о пространственно-временномраспределении концентраций загрязняющих веществ.

В случае одновременного действия постоянных и залповых источников выбросов, облака загрязнений будут накладываться друг на друга, образуя сложную динамичную пространственную картину, которая будет изменяться с изменением мощностейИсточникИсточникНаправление ветраIlkiUpXIIi'kli. смНаправление ветраXКонцентрацияАВид сбокуВид сверхуКонцентрацияАXРис. 2.1.1. Облако загрязняющих веществ, сформированное одиночным постоянно действующим источником выбросов. Изолинии концентраций указаны линиями различной толщины (сплошной, пунктирной). Внизу слева график концентрации в приземном слое воздуха на оси симметрии факела в зависимости от расстояния от источника выброса. Внизу справа график зависимости концентрации в приземном слое воздуха от расстояния от оси симметрии факела.

Направление ветраИсточник 1Источник 2Населенный пункт 2Рис. 2.1.2. Пространственное распределение концентраций загрязняющего вещества на территории, создаваемое несколькими источниками выбросов. Указаны три расположенных на территории источника выбросов и два населенных пункта. Указано направление ветра, изолинии распределения концентрации загрязняющего вещества в атмосферном воздухе.

Интежианэсть выброса-[г/сек]Рис. 2.1.3. Распространение облака загрязняющего вещества над территорией после залпового выброса. В нижней части рисунка представлены графики зависимости концентрации загрязняющего вещества от времени для точек, расположенных на различном расстоянии от источника выбросаРис. 2.1.4. Характерное изменение концентрации загрязняющего вещества в точке территории при прохождении над ней облака высоких концентрацийвыбросов постоянных источников, возникновением залповых выбросов, изменением метеопараметров на территории.

Реальная ситуация на контролируемой территории оказывается еще более сложной, поскольку атмосферный воздух, набегающий на рассматриваемую территорию, не является чистым. Он загрязнен в результате действия источников выбросов, находящихся на различном расстоянии от рассматриваемой территории. Соответственно, уровень загрязнения набегающего воздуха также изменяется по пространству и во времени.

2.1.2. Информационно-технологическая схема функционирования СМАВ условиях неравномерного распределения концентраций на территории, СМА должна иметь необходимые исходные данные для решения задач контроля, оценки и прогноза загрязнений атмосферного воздуха. Для этого в состав измерительной сети СМА включаются измерительные звенья, которые проводят измерения следующих параметров:- Мощности выбросов основных источников загрязнения атмосферы. Отдельные источники выбросов контролируются непрерывно, остальные - в дискретные моменты времени.- Концентраций загрязняющих веществ и метеопараметров в отдельных точках территории. Контроль в этих точках проводится либо непрерывно, либо в отдельные моменты времени- Метеопараметров в отдельных точках территории. Этот контроль проводится либо непрерывно, либо в отдельные моменты времени.

Измерительная информация поступает в Центр мониторинга СМА, где она архивируется и обрабатывается с решения стоящих перед СМА задач. Помимо этого, Центр мониторинга подготавливает информацию для рассылки пользователям, обеспечивает управление измерительной сетью СМА, работа которой должна быть согласована со складывающейся на территории обстановкой, особенно в случае возникновения тяжелых экологических ситуаций.

Оперативными вопросами решение которых должен обеспечить Центр мониторинга, являются следующие:- Имеются ли на территории высокие уровни концентраций (превышающие установленные санитарно-гигиенические нормативы)?- Если они имеются, то где они локализованы, каковы максимальные уровни концентраций в этих зонах, захватывают ли зоны высоких концентраций населенные пункты?- Каков краткосрочный прогноз изменения зон локализации высоких концентраций и значений концентраций в этих зонах?- Какие источники выбросов ответственны за возникновение этих зон?В случае возникновения опасных экологических ситуаций Центр мониторинга должен обеспечить оперативную рассылку информации о результатах мониторинга пользователям. Круг оповещаемых лиц и доводимая до них информация определяется тем, какая ситуация сложилась на территории.

Помимо этого, по совокупности измерительных данных за длительные периоды времени Центр мониторинга долженподготовить регламентные сводки об экологической ситуации за период времени (смену, сутки, декаду, месяц, квартал, год) и разослать их пользователямвыявить динамику и тенденции развития экологической ситуации на территории, отразить их в сводках и разослать пользователям.

Таким образом, Центр мониторинга СМА решает целый ряд задач:- задачи обмена данными с измерительными звеньями и с терминалами пользователей- задачи представления текущей измерительной, телеметрической и управляющей информации персоналу Центр мониторинга- задачи хранения всей измерительной информации, поступившей в Центр мониторинга, обеспечения доступа к этой информации- задачи оперативной и регламентной обработки измерительной информациизадачи управления работой измерительной сети, и др.

Для решения этих задач в Центре мониторинга обычно развертывается локальная вычислительная сеть, в составе которой работает несколько программно-аппаратных комплексов. Каждый комплекс - это компьютер с программным обеспечением, обеспечивающий решение некоторого круга задач.

В составе центра мониторинга выделяется три комплекса, обеспечивающих обработку измерительных данных: коммуникационный комплекс (КК) архивный комплекс (АК) диспетчерский комплекс (ДК). КК обеспечивает связь сизмерительными звеньями и связь с терминалами пользователей. АК обеспечивает хранение всей измерительной информации, поступившей в центр мониторинга и всего объема управляющей информации в системе, обеспечивает доступ к этой информации, а так же регламентную обработку измерительных данных. ДК - обеспечивает представление текущей измерительной, телеметрической и управляющей информации, поступающей в центр мониторинга персоналу, оперативную обработку измерительной информации, обеспечивает управление работой измерительной сети.

Любое сообщение, поступившее в Центр мониторинга от измерительных звеньев или от терминалов пользователей поступает на КК. Для этого в состав КК входит необходимое коммуникационное оборудование (модемы, контроллеры пакетной радиосвязи и т.п.). В КК поступившая информация сохраняется до того момента, пока она не будет передана другим комплексам Центра мониторинга. Аналогично, любая информация, поступившая на КК для передачи измерительным звеньям или на терминалы пользователей, сохраняется до того момента, пока она не будет передана адресатам.

Все сообщения, поступившие в ЦМ на КК передаются ДК, который анализирует их, отображает их содержание на экране и, в случае необходимости, отправляет на АК.

АК помещает всю поступившую информацию в базы данных. АК ведет базы данных измерительной информации, базы данных телеметрической информации, поступившей от измерительных звеньев, базы данных управляющих команд инициированных и выполненных системой. Периодически (по графику) на АК запускаются процедуры формирования плановых сводок о состоянии территории за определенный период времени.

В случае получения Центром мониторинга запроса с терминала пользователя на представление какой-либо информации из баз данных, ДК формирует соответствующий запрос к АК, АК выдает запрашиваемую информацию. После этого Центр мониторинга отсылает эту информацию запросившему ее абоненту при помощи КК.

Согласованная работа КК, ДК и АК обеспечивается обслуживающим персоналом (диспетчером) и соответствующим программным обеспечением.

Состав и схема работы Центра мониторинга представлены на рис. 2.1.5.

2.1.3. Задачи математического моделирования в СМАРаспространяемая системой мониторинга информация предназначена для принятия должностными лицами решений по оперативному и долгосрочному управлению предприятием и территорией в целях обеспечения экологической безопасности. Это требует от распространяемой информации полноты, целостного и детального представления экологической обстановки на контролируемой территории и динамике ее развития. Встает задача адекватной обработки информации в СМА и представления ее в наиболее наглядном и удобном виде.

Повышение адекватности результатовобработки измерительной информации может быть достигнуто за счет использования при обработке средств математического моделирования. Моделирование должно обеспечить совместную обработку и взаимную увязку нескольких информационных компонент:-измерительной информации о ситуации на территории, поступающей в СМА от измерительной сети (концентрации загрязняющих веществ, метеопараметры и т.п.);-измерительной информации об интенсивности выбросов источников предприятия, поступающей в СМА от средств мониторинга источников выбросов и системы управления производством;-условно-постоянной информации о расположении источников выбросов, структуре территории и характере воздействия предприятия на территорию, находящейся в базах данных СМА;-информации о закономерностях развития протекающих на территории физико-химических экологических процессов, представленных в виде соответствующих математических моделей.

Взаимная увязка этих компонент позволяет получать целостную картину протекающих на территории экологических процессов при сравнительно редкой измерительной сети СМА, строить прогнозы развития ситуации на территории, выявлять ошибки в поступающих в систему измерительных данных и т.п. Таким образом, моделирование должно стать важнейшим элементом обработки информации в СМА, позволяющим эффективно решать поставленные перед СМА задачи.

Примером использования математического моделирования может служить расчет пространственного распределения загрязнения приземного слоя атмосферы и представление результатов расчета в виде карты загрязнения. Результат расчета дает информацию о пространственной структуре полей загрязнения на всей территории, позволяет говорить о наибольших значениях концентрации, о границах зон высоких концентраций, о попадании важных точек и областей территории в зоны высоких концентраций и оценивать величину загазованности в этих точках и областях.

Можно выделить следующие области использования задач математического моделирования в СМА:1. Проведение непосредственных расчетов экологических характеристик при работе СМА. Использование моделирования в этой области обеспечивает полноту и целостность информации, распространяемой СМА.

2. Оперативное управление работой самой СМА в соответствии с поступающей в систему измерительной информацией (управление работой измерительной сети, обработкой и рассылкой информации и т.п.). Использование моделирования в этой области обеспечивает эффективное использование ресурсов системы мониторинга в целях решения основных задач СМА.

3. Проектирование СМА. Использование моделирования должно обеспечить определение неоходимого количества и мест расположения измерительных звеньев создаваемой системы.

Подробнее области применения математического моделирования рассмотрены в следующем разделе.

2.2. Типы задач математического моделированияВ разделе рассмотрены задачи математического моделирования, предназначенные для решения при работе СМА и задачи моделирования, предназначенные для создания высокоэффективных систем на этапе проектирования СМА для конкретных территорий и конкретных предприятий.

2.2.1. Проведение непосредственных расчетов при функционировании СМАЗадачи, обеспечивающие проведение непосредственных расчетов, предназначенные для решения при работе СМА с целью обработки поступившей (накопленной) в СМА измерительной информации. Основными типами задач этой группы являются:(a) расчеты распределений концентраций загрязняющих веществ на территории и прогнозы изменения этих концентраций во времени на основе имеющейся в системе информации (постоянной информации о территории, сведений об источниках загрязнения, информации о метеопараметрах и данных измерений концентраций загрязняющих веществ в атмосфере).(b) оценка параметров источников выброса загрязняющих веществ в атмосферу (локализация, оценка состава выбрасываемых веществ, оценка мощности выбросов и др.) по данным измерений концентраций загрязняющих веществ в отдельных точках территории и по другой информации.(c) анализ данных мониторинга с целью выявления тенденций изменения экологических параметров территории и установления связей между параметрами.

Среди указанных, встречаются как прямые так и обратные задачи. Различие между ними состоит в том, что для своего решения прямые задачи требуют информацию о мощностях выбросов загрязняющих веществ имеющимися на территории источниками выбросов. Обратные задачи решаются без использования этой информации, но с использованием результатов измерений концентраций в отдельных точках территории.

С математической точки зрения среди задач типа (а) есть и прямые и обратные задачи, задачи типа (Ь) являются обратными задачами, задачи группы (с) бывают как прямыми, так и обратными. В ряде случаев прослеживается логика взаимосвязи между задачами этих групп. Решение обратных задач типа (а) базируется на решении задач типа (Ь). Решение задач группы (с) базируется на решении задач типа (а) и (Ь).

Конкретная постановка задач может быть весьма разнообразной. Она зависит от целей проведения расчетов и от того, на основе какой априорной и какой измерительной информации задача решается. Некоторая конкретизация постановок задач будет произведена далее в этом параграфе. Детальному рассмотрению ряда задач типа (а) будет посвящена глава 3.

Понятно, что использование математического моделирования является оправданным при рассмотрении лишь тех процессов, для которых могут быть построены адекватные математические модели. Аналогично, использоваться могут только модели, обеспеченные в системе данными. Рассмотрим атмосферные процессы, которые могут быть описаны в СМА прир помощи задач моделирования.

Между метеоусловиями и распределением концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе на территории существует теснейшая взаимосвязь: перенос загрязняющих веществ определяется динамикой пограничного и приземного слоя атмосферы. В связи с этим, следует отдельно рассматривать (i) расчеты метеоусловий на территории(и) расчеты рассеяния загрязняющих веществ на территории (при заданных метеоусловиях),и, соответственно, использовать для этих расчетов взаимоувязанные модели.

Расчеты полей рассеяния базируются на данных о пространственной зависимости метеопараметров (скорости, направления ветра и др.) на территории. В реальных условиях метеопараметры не являются постоянными в пределах территории. Результаты измерения метеопараметров в различных точках дают различные значения направления и величины скорости ветра, других величин. Пространственная неоднородность метеопараметров на территории носит сравнительно устойчивый систематический характер, на который накладываются случайные искажения. Систематическая неоднородность имеет место по высоте и по горизонтальным переменным. По высоте имеет место возрастание скорости ветра с высотой и поворот направления скорости ветра. Пространственная неоднородность становится существенной для равнинных территорий с однородным рельефом размером более 30 х 30 км, а в случае сложного рельефа, для территорий существенно меньшего размера. Характерное время неизменности пространственной структуры метеопараметров составляет несколько часов. За большие периоды времени устойчивая пространственная структура перестраивается. Случайные искажения,накладывающиеся на устойчивую пространственную структуру, имеют различные временные периоды и амплитуду.

Первой встает задача моделирования динамики атмосферы. Ее целью является определение характеристик динамики атмосферы на момент проведения расчета и прогноза их развития в воздушном бассейне над исследуемой территорией на базе измерительной метеорологической информации о состоянии атмосферы, полученной вне пределов данной территории, информации о рельефе и ландшафтной структуре местности, на основе измерительных метеорологических и аэрологических данных, полученных в пределах данной территории.

Задачи расчета динамики атмосферы это обратные задачи. Результатом их решения является пространственное распределение скорости ветра на территории и параметров, характеризующих условия рассеяния. Для описания пространственной неоднородности метеополей по пространственным переменным нет единых общепринятых моделей. Эти задачи имеют множество постановок. Начиная от совсем простых, например, с задачи определения единого "эффективного" направления ветра на территории по результатам измерений (см. гл. 3), и кончая весьма сложными задачами, включающими в той или иной форме расчет термо-газодинамических задач.

После того, как метеопараметры получены, можно приступать к задаче расчета полей рассеяния. Эти задачи сводятся к определению полей концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе над территорией по заданным характеристикам динамики атмосферы, заданным мощностям источников загрязнения воздуха, иной априорной информации о территории, по измерительной информации о концентрациях. Среди этих задач имеются как прямые, так и обратные задачи.

Сложность этих задач также сильно различается. Начиная от простых аналитических моделей, применимых в предположении постоянства направления ветра на всей территории и по высоте, и до сложных моделей, учитывающих пространственную неоднородность метеопараметров по территории и по высоте, неоднородность рельефа и другие параметры, которые могут быть решены только численными методами.

Задачи типа 2.2.1 будут рассматриваться в главе 3.

2.2.2. Моделирование в целях управления работой СМАК задачам управления работой СМА относятся:(a) управление работой измерительной сети в зависимости от складывающейся на территории обстановки: определение мест и времени проведения непосредственных измерений и проведения отбора проб передвижными измерительными звеньями.(b) проверка получаемых измерительных данных на наличие в них грубых ошибок с целью либо проведения повторных измерений в тех же точках, либо отбрасывания заведомо неверных данных. Проверка проводится путем соотнесения между собой измерительных и расчетных данных.

Примерами таких задач являются задачи, возникающие при определении необходимости отправки мобильной лаборатории в некоторую точку территории для проведения определенных измерений, игнорировании данных, поступивших в систему от некоторого измерительного звена, дистанционном управлении включением/выключением автоматических электроаспираторов (количество фильтров в кассете такого аспиратора ограниченно, а смена кассеты с фильтрами требует посещения техником) и др.

Решение этих задач направлено на получение максимально эффективной (с точки зрения стоящих перед СМА задач) измерительной информации и, в той или иной степени, базируется на решении задач проведения непосредственных расчетов экологических параметров. Результат решения задач этого круга доводится до диспетчера центра мониторинга. СМА начинает работать по предложенной схеме только после ее одобрения диспетчером,.

2.2.3. Моделирование при проектировании СМАСистемы экологического мониторинга отличаются большой сложностью и стоимостью, и к их разработке предъявляются высокие требования: необходимость надежной работы в реальном времени, возможность объединять и совместно обрабатывать разнородную информацию, обеспечение оперативного распознавания опасных экологических ситуаций. Успешное проектирование подобных систем может быть обеспечен только при наличии инструментальных средств, позволяющих в ходе разработки на основе модельных расчетов оценивать качество принимаемых проектных решений и их соответствие друг другу.

Процесс работы проектировщика состоит из многократного выполнения следующих двух этапов работы:Этап 1. Пользователь задает информацию о территории задает расположение измерительных звеньев и определяет "управляющие воздействия" (метеоусловия,РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННА^ БИЕЛИОШ4мощность и положение источников и др.). После этого моделируются состояние природных условий, пространственно-временные распределения концентраций загрязняющих веществ в природных средах и др.

Этап 2. Имитируется процесс работы системы. Этот этап охватывает:Этап 2.1. Моделирование процесса проведения измерений параметров состояния и уровня загрязнения атмосферы на основе данных, полученных на этапе 1. Оно учитывает конкретное расположение измерительных звеньев на местности, регламент проведения измерений, пространственные и временные флуктуации измеряемых параметров, конкретные типы приборов, с помощью которых производятся измерения и т.п.

Этап 2.2. Имитация всего процесса обработки данных в СМА. В качестве входных данных используются результаты этапа 2.1. Эти данные подаются в систему как данные, получаемые от реально развернутой на местности измерительной сети. По ним находят пространственно-временные распределения загрязнений на территории, отыскивают источники этих загрязнений, формируют разнообразные (краткосрочные и долгосрочные) прогнозы развития ситуации в регионе и имитируют другие аспекты работы СМА.

Получаемые на этапе 2.2 результаты мониторинга сравниваются с исходным состоянием региона и с результатами прямого моделирования экологической ситуации на этапе 1. Многократное повторение этапов 1 и 2 (при различных исходных состояниях и «управляющих воздействиях») для СМА с различной архитектурой и различным функциональным наполнением позволяет оценивать варианты построения СМА и сравнивать их между собой с точки зрения эффективности выполнения ими задач мониторинга.

Схема работы при проектировании СМА представлена на рис. 2.2.1.

На этапе 2.2 в работу системы можно вносить помехи разного рода, имитировать выход из строя различных элементов системы. Результатом является оценка надежности функционирования системы.

Таким образом, моделирование позволяет проводить:- выбор, отработку и сравнение принципов построения и архитектуры СМА;- отработку алгоритмов работы системы мониторинга;- оптимизацию номенклатуры и расположения измерительных звеньев;- анализ надежности работы всей системы.

Задание информации о территорииГЗадание проектных решений по архитектуре СМА и используемому оборудованиюfМоделирование протекания процессов на территории и получение конкретной экологической ситуацииСравнение экологической ситуации на территории и результата ее оценкишшшi". i Имитация работы СМА в сложившейся экологической ситуации: • имитация процесса измерений; • имитация процесса оценки экологической ситуацииШ ШОценка проектных решенийРис. 2.2.1. Схема работы при проектировании СМА с использованием математического моделирования. Сравнение рассчитанной экологической ситуации на территории и результатов ее оценки (полученных путем имитации работы СМА заданной архитектуры, оснащенной заданным оборудованием) позволяет оценитьзаложенные в СМА проектные решенияК числу важнейших вопросов проектирования СМА относятся:(a) определение необходимого количества и мест размещения стационарных звеньев измерительной сети СМА. Данная задача решается на этапе проектирования СМА в целях обеспечения выполнения системой своих функций при максимальной экономии средств на создание измерительной сети.(b) Определение алгоритмов, определяющих режимы работы СМА, например, определение условий, при которых система должна переходить из штатного режима работы в аварийный и т.п.

Рассмотрению задач данного круга задач посвящена глава 4 диссертации, в которой будет описана методика и технология выбора рационального размещения измерительных звеньев информационно-измерительных сетей СМА.

2.3. Геоинформационно-моделирующий комплекс как звено СМАКак видно из вышесказанного, использование математического моделирования в СМА:- обеспечивает возможность получения целостной картины протекающих на территории процессов,- позволяет сократить необходимый для этого объем исходной измерительной информации о территории,- позволяет получать информацию о ситуации в точках, в которых нет измерений- обеспечивает целостность и согласованность совокупности данных в системе,- позволяет контролировать получаемые системой измерительные данные с точки зрения их соответствия этой общей картине- позволяет строить прогнозы, и таким образом обеспечивает принятие решений по перспективным вопросам,- позволяет управлять работой СМА в соответствии со складывающейся ситуацией.

Это обусловливает целесообразность выделения подсистемы математического моделирования в качестве отдельного функционального блока в составе СМА. Подсистема математического моделирования в составе СМА представляет собой семейство взаимосвязанных и взаимозависимых программно-реализованных моделей динамики атмосферного воздуха и переноса загрязняющих веществ, которые в совокупности обеспечивают решение важных для СМА практических задач. Моделиопираются на использование при решении данных измерений и условно-постоянной информации о территории.1Условием эффективности использования моделирования в системе мониторинга является интегрирование его в схему обработки информации в ЦМ: необходимые для моделирования измерительные данные должны браться из баз измерительных данных ЦМ, остальные необходимые для моделирования исходные данные должны задаваться, результаты моделирования должны сохраняться в базах данных ЦМ и представляться пользователю в удобном виде, часть расчетов должна проводиться автоматически.

Для обеспечения такого интегрирования в состав ЦМ предлагается ввести новый программно-аппаратный комплекс, который будет решать задачи математического моделирования и отображать результаты их решения в удобном для анализа персоналом ЦМ виде - геоинформационно-моделирующий комплекс (ГМК). Полный состав программно-аппаратных комплексов ЦМ представлен на рис. 2.1.5.

ГМК берет измерительную информацию из баз данных архивного комплекса (АК) и проводит с ней необходимые расчеты. Необходимая для расчета постоянная информация о территории берется из баз данных самого ГМК. Расчет инициируется либо при получении соответствующей команды от диспетчерского комплекса либо путем диалога, инициированного персоналом (диспетчером) ЦМ. По завершению расчета информация о том что расчет завершен, а так же некоторая (весьма малая) часть полученной в расчете информации отправляется на диспетчерский комплекс (ДК) для индикации диспетчеру, а полностью полученная в расчете информация в удобном для анализа виде отображается только на ГМК. Диспетчер может с ней ознакомиться на экране ГМК и, при необходимости, вручную инициировать проведение дополнительных расчетов для пролучения необходимой ему информации.

Как видно, ДК сохраняет в ЦМ свои управляющие функции, ГМК, точно так же, как и АК выполняет пассивную роль, лишь отрабатывая команды пришедшие от ДК,1 Следует также отметить, что вопрос важности и необходимости использования математического моделирования в цепочке обработки информации в системе и при проектировании системы, является общим для различных систем экологического мониторинга: систем мониторинга атмосферы, поверхностных вод, почв, подземных вод, инженерно-геологической среды и др.либо вручную задаваемые оператором. Существенным моментом в работе ГМК является прямая работа с базами измерительной информации АК.

Использование математического моделирования в СМА ставит ряд информационных проблем.

Во-первых, это проблемы, связанные с разнообразием входной и выходной информации, используемой при моделировании экологических процессов. Входной информацией для модели обычно является целая совокупность различных карт и баз данных. Результатом же работы модели также является совокупность данных, которые должны быть представлены пользователю совместно с исходной картографической и фактографической информацией. Количество и состав информационных слоев, используемых на входе и на выходе модели, зависят от модели и не могут быть определены заранее.

Во-вторых, результаты моделирования должны представляться пользователю в удобном для анализа виде. Это могут быть карты, графики, таблицы и т.п.

В третьих, проблемы, связанные с модульностью. Экологические процессы отличаются, как правило, многоплановостью. Например, изменение концентраций загрязняющих веществ в почве происходит в результате прямого загрязнения поверхности, сухого выпадения загрязняющих веществ из атмосферы, выпадения атмосферных осадков, процессов миграции загрязняющих веществ через почву с водой и др. В силу этого при моделировании необходимо обеспечить возможность создавать (компоновать) модель рассматриваемого процесса из унифицированных модулей, созданных для моделирования составляющих его отдельных подпроцессов. Для этого требуется унифицировать структуру используемых для моделирования программных модулей и поддержать процесс передачи информации между ними. Более того, часто для пользователя представляет интерес не только конечный результат, но и результаты промежуточных этапов моделирования. Поэтому надо обеспечить доступ пользователя не только к окончательным, но и к промежуточным результатам моделирования.

Основная идея подхода к созданию программных систем, способных выполнять указанные функции и разрешить перечисленные проблемы, состоит в том, чтобы обеспечить как унифицированные средства доступа моделей ко всем информационным слоям, так и унифицированные средства визуализации слоев и манипулирования данными.

Это означает, что после завершения расчета по одной модели полученные результаты вносятся в систему и могут быть использованы далее, как для визуализации, так и в качестве входных данных для других моделей. Такой подход позволяет организовывать:a) цепочки моделей, связанных между собой выходными-входными данными;b) визуализацию результатов расчетов, полученных на всех шагах таких цепочек совместно с картографической и фактографической информацией о территории при помощи унифицированных средств.

Изложенные требования реализованы в диссертации в виде программного средства - геоинформационно-моделирующего комплекса (ГМК), предназначенной для работы в Центре мониторинга СМА.

2.4. Архитектура и технология работы геоинформационно-моделирующего комплексаВ рамках описанного выше подхода была разработана и создана программная среда, имеющая свойства специализированной ГИС и системы моделирования экологических процессов - геоинформационно-моделирующий комплекс (ГМК). ГМК состоит из программной оболочки и набора модулей, обеспечивающих решение задач математического моделирования экологических процессов. Оболочка выполняет функции хранения информации, специализированной ГИС, обеспечивает эффективный диалог с пользователем, обеспечивает вызов проблемных модулей и поддерживает с ними стандартный интерфейс. В состав модулей математического моделирования, используемых в ГМК могут входить разнообразные проблемные модули решения прямых и обратных задач загрязнения атмосферного воздуха.

Весь процесс функционирования ГМК проходит в тесном информационном взаимодействии геоинформационной подсистемы (ГИС) с проблемными модулями. Каждый из проблемных модулей получает исходные данные из ГИС, результаты его работы заносятся обратно в ГИС. Тем самым реализуется естественное разделение функций между двумя подсистемами: ГИС отвечает за информационную сторону дела (хранение и преобразование данных о территории и результатов мониторинга), а проблемные модули - за содержательную, алгоритмическую обработку информации в целях решения указанных выше задач.

Вся относящаяся к территории информация представлена в ГИС в виде совокупности условно-постоянных и переменных (текущих) информационных слоев. Процесс обработки информации в ГМК сводится к тому, что по совокупности информационных слоев, относящихся к состоянию территории, на основе семейства математических моделей строится новый информационный слой, отражающий текущую или перспективную экологическую ситуацию. Примером такой операции является получение пространственного распределения концентраций загрязняющих веществ.

В рамках разработки ГМК были:a) определены типы информационных слоев, используемых при решении задач обработки данных в системе экологического мониторинга, разработан формат представления информации для каждого типа и разработана техника работы с совокупностью этих слоев;b) разработана структура специализированной ГИС, работающей с этими слоями;c) разработан стандартный интерфейс между программной оболочкой и модулями математических моделей. Интерфейс определен как совокупность функций, обеспечивающих доступ модуля математической модели к данным информационных слоев.

На этой основе был реализован геоинформационно-моделирующий комплекс (ГМК), обеспечивающий решение следующих задач:-ввод, накопление и хранение картографической информации о территории: семейства взаимосвязанных компьютерных карт, описывающих естественные и антропогенные компоненты контролируемой системой ЭМ территории;-обеспечение пользователей средствами доступа к картографической информации, а также средствами ее визуализации в требуемой форме в диалоговом режиме с предоставлением необходимых сервисных возможностей (масштабирование карт, обработка диалоговых запросов и пр.);-выполнение операций преобразования и обработки картографической информации;-ведение системы фактографических (содержательных) баз данных, описывающих расположенные на исследуемой территории точечные и протяженные объекты;-обеспечение совместной согласованной обработки картографической и фактографической информации;-обеспечение информационного интерфейса с Диспетчерским комплексом (ДК) и с Архивным комплексом (АК) Центра Мониторинга;-моделирование распространения загрязняющих веществ в природных средах. Решение других содержательных задач моделирования. ГМК состоит из следующих основных компонент:-универсальной программной оболочки, выполняющей функции специализированной геоинформационной подсистемы (ГИС) (загрузка, визуализация и доступ к картографической и фактографической информации о контролируемой территории) и системы управления работой всего ГМК;-модулей математического моделирования экологических процессов, решающих различные задачи математического моделирования (в частности, задачи переноса и трансформации загрязняющих веществ).-геоинформационной базы, в которой хранится информация, с которой работает ГМК и срендств доступа к ней. Информационная база ГМК образована семейством так называемых информационных моделей, задающих сведения о контролируемой территории и расположенных на ней объектах.-Средств доступа к базам измерительных данных.

Оболочка ГМК получает данные из информационной базы, позволяет пользователю посмотреть эти данные, передает данные моделирующим модулям, получает информацию от модулей и помещает ее в информационную базу.

Универсальность каждой из этих компонент, позволяет использовать ГМК для решения проблем сразу же по заполнении баз данных информацией об этой территории и по подключению соответствующих модулей математического моделирования.

Математические модели экологических процессов, подлежащие реализации в составе ГМК, программируются в виде автономных моделирующих модулей (ММ). Обмен данными между ММ и другими элементами ГМК происходит на основе стандартного интерфейса, не зависящего от типа модели и содержания исходных данных. Каждый ММ представляет собой реализацию некоторой модели, исходные данные и результаты работы которой входят в состав некоторых информационных слоев (ИС) (см. рис. 2.4.1).ч ✓ > ММ -< /С^У / Набор входных ИС \ Набор выходных ИС Рис. 2.4.1. Для каждого моделирующего модуля (ММ) исходные данные и результаты работы входят в состав некосторых информационных слоев, входящих в описание территории.

Моделирующая система (МС)Стандартный интерфейс\Информационные слои (ИС)Геоинформационная подсистемаДанные для моделированияМоделирующий модуль (ММ)Результаты моделированияМ оде пирующая подсистемаРис. 2.4.2. Для доступа моделирующих модулей к данным, входящим в состав информационных слоев, используется специально разработанная стандартная библиотека интерфейсных программ- Для доступа ММ к данным, входящим в состав информационных слоев, используется специально разработанная стандартная библиотека интерфейсных программ (см. рис. 2.4.2). Тем самым, программист-математик, создающий ММ, может обеспечить доступ к данным любых информационных слоев, а все функции визуализации данных, ведения баз данных и т.п. берет на себя ГМК.

2.4.1. Геоинформационная подсистема Решение задач экологического мониторинга связано с переработкой значительных объемов информации о контролируемой территории и развивающихся на ней экологических процессах. Геоинформационная подсистема предназначена для ввода, хранения, и корректировки следующей информации:- условно-постоянных данных о естественной структуре территории;- условно-постоянных данных об объектах антропогенно-техногенной деятельности;- сведений о структуре и основных технологических элементах промышленнойзоны;- данных о расположении, характере и составе выбросов источников загрязнений природных сред;- данных о реципиентах загрязнения;- сведениях о расположении структурных элементов и объектов системы экологического мониторинга;- исходных данных пространственного характера, необходимых для решения задач математического моделирования экологических процессов.

Геоинформационная подсистема обеспечивает пользоваеля ГМК следующими возможностями:1. Многооконная работа с несколькими картами территории2. Возможность накладывать на базовые карты интересующие пользователя векторные объекты3. Просмотр информации, привязанной в базах данных к отдельным объектам4. Возможность представлять разнообразную информацию о точках территории5. Масштабирование карт6. Возможность многооконной работы с картами различных фрагментов территории, поддерживая при этом пространственное соотнесение этих фрагментов между собой.

7. Возможность редактировать дополнительные объекты.

2.4.2. Модули математического моделированияЗадачи математического моделирования оформлены в виде отдельных моделирующих модулей. При запуске любой из задач математического моделирования, ГМК обеспечивает соответствующему модулю доступ к данным, хранящимся в ГИС ГМК (такими данными являются необходимые географические карты, координаты и характеристики объектов и др.). Каждая задача моделирования использует свой набор этих данных.

Модули математического моделирования обеспечивают решение разнообразных задач расчетов экологических параметров. Часть модулей могут работать автоматически без вмешательства пользователя. Модули могут реализовывать расчеты, обеспечивающие обработку данных в системе мониторинга, управление работой системы, и расчеты, проводимые при проектировании систем. Как правило расчеты последнего типа сложнее, проводятся в диалоге с пользователем и проводятся путем последовательных расчетов с использованием нескольких модулей, запускаемых друг за другом.

2.4.3. Информационная базаГеоинформационная подсистема поддерживает ведение геоинформационной базы. Геоинформационная база данных представляет собой совокупность тематических информационных слоев, характеризующих рассматриваемую территорию. Каждый информационный слой содержит два вида данных: картографические и фактографические (содержательные). Картографические данные характеризуют пространственное расположение зон, участков и объектов на территории. Объектам картографических данных по идентификаторам ставится в соответствие фактографическая (содержательная) информация в геоинформационной базе (рис. 2.4.3).

Картографическая информация может иметь две формы представления: растровую (информация о естественной и антропогенной пространственной структурах территории и др., а также ряд результатов моделирования) и векторную (информация о расположении на территории точечных, линейных и др. объектов).

Объект АтрибутГород 1 • ■Город 2 Река |ftei Город2РекаБазаданныхобъектовВекторный объектный слонРастровая картаНазвание региона Площадь региона Число городов Число источников загрязнения Площадь лесов Роза ветров ■ • » Набор параметровРис. 2.4.3. Логическая структура информационных слоев.

Растровая карта местности представляет собой прямоугольную матрицу точек (прямоугольников), каждая(ый) из которых своим цветом на экране отображает некоторое свойство территории. Свойства территории, соответствующие одной точке (прямоугольнику) карты, задаются как значение соответствующего элемента матрицы. Значение этого числа называется "классом". При выводе информации, каждая клетка матрицы отображается в соответствующую точку (прямоугольник) на экране.

Цвет, которым закрашивается точка (прямоугольник), определяется "палитрой" -таблицей, ставящей в соответствие "классам" карты цвета, которыми они отображаются на экране.

Растровая карта обязательно имеет легенду. Легенда к карте представляет собой содержательную расшифровку "классов" (цветов) карты (таким образом на различных тематических картах один и тот же "класс" может иметь разное смысловое значение, например, на одной карте - "дороги", а на другой - "высота 100м над уровнем моря").

К произвольным точкам карты могут быть привязаны поясняющие надписи, которые могут показываться пользователю.

Используемые в информационной базе растровые карты имеют большое количество строк и столбцов (как правило более 500 х 500 точек). ГМК поддерживает работу с картами, имеющими до 256 "классов". Система доступа к легенде обеспечивает работу с легендами, состоящими из записей с большим количеством полей.

Векторный способ представления информации в информационной базе обеспечивает хранение информации о расположении на территории географических объектов, представляемых точками, линиями, ломаными, связными областями (полигонами). Точка задается парой координат, линия - парой точек, ломаная -последовательностью точек, полигон - ломаной линий, ограничивающих соответствующую область, и точкой внутри полигона. Каждый объект имеет уникальный идентификатор. Объектному слою ставится в соответствие база (таблица) содержательных данных, привязанных к векторным объектам системой уникальных идентификаторов. Каждому объекту в этой базе отводится строка, а атрибуты записываются в столбцах (см. рис. 2.4.3).

Таким образом картографическое и фактографическое представление сведений о территории связываются воедино, а пользователь получает в свое распоряжение программные средства, позволяющие переходить от одного представления к другому.

В геоинформационной базе ГМК хранятся как условно-постоянные данные о территории, так и оперативные данные, полученные в результате текущей обработки измерительной информации и решения задач математического моделирования экологических процессов. Они отражают параметры оперативной оценки экологической ситуации в некоторый период времени и также хранятся в геоинформационной базе.

С точки зрения физической организации база представляет собой совокупность файлов различных типов и структуры.

Основной структурной единицей данных системы является геоинформационная модель, в состав которой входят информационные слои. Информационные модели задаются файлами *.MOD, содержащими перечень всех файлов, входящих в модель. Модель объединяет разнородную информацию о территории, представленную в виде ряда файлов:-растровую карту местности (файлы *.DMP);- легенду (файлы *.LEG);- структурированную легенду (файлы *.mdm, имя файла совпадает с именем файла *.leg);-цветовую палитру, задающую раскраску карты (файлы *.CLR);-надписи (файлы *.TAG);- векторные объекты (файлы *.DGT);-табличную базу данных (файлы *.TBN).

Модель является структурной единицей загрузки информации в ГМК (все файлы модели загружаются и выгружаются совместно по команде пользователя). Каждая модель имеет свой файл описания модели (файл типа *.MOD). Этот файл содержит ссылки на все используемые в данной информационной модели файлы.

Помимо этого к векторным объектам могут быть привязаны данные из баз измерительных данных СМА. Записи этих баз данных имеют достаточно простую структуру: идентификатор объекта - время - идентификатор параметра - значение параметра. Доступ к этой базе данных осуществляется по идентификатору базы данных и идентификатору объекта.

2.4.4. Структура и технология работы ГМКСоздание ГМК потребовало разработать совокупность следующих программных блоков:Диспетчер сообщений (ДС) Диспетчер данных (ДД) Диспетчер окон (ДО) Диспетчер команд (ДК) Диспетчер задач (ДЗ).

ДС предназначен для организации обмена сообщениями между различными программными блоками. В момент начала своей работы каждый программный блок обращается к ДС с запросом на регистрацию. После успешной регистрации каждый программный блок может передавать сообщения любому другому программному блоку, зарегистрированному ДС.

ДС обеспечивает загрузку данных с внешних носителей и регистрацию загруженных данных и выгрузку данных. Каждый программный блок может обратиться к ДД с запросом о том, какие данные загружены, с запросом на обеспечение доступа к каким-либо из загруженных данных (если запрошен доступ с изменением данных, то доступ других программных блоков к этим данным ограничивается - допустимо только их чтение с периодическим обновлением), и с уведомлением о том, что доступ прекращен (после уведомления запрос на доступ к данным может предоставлен любому другому программному модулю).

ДО обеспечивает визуализацию данных (картографических и др.), загруженных в систему. ДО выводит данные в программные окна.

ДК обеспечивает диалог с пользователем. Все команды, вводимые пользователем с помощью клавиатуры попадают в ДК, который интерпретирует их и посылает другим программным блокам запросы на выполнение соответствующих функций. В частности ДК способен интерпретировать макрокоманды.

ДЗ выполняет операции по старту/завершению моделирующих модулей. При получении от ДК соответствующей команды, ДЗ загружает соответствующий ММ. По получению требования выполнить некоторую команду, ДЗ передает эту команду соответствующему программному модулю. По завершению выполнения команды модуль сообщает об этом ДЗ. Для получения данных каждый моделирующий модуль обращается с запросом на получение данных к ДД.

Технологическая схема работы ГМК основана на взаимодействии входящих в его состав программных блоков. Опишем некоторые технологические цепочки.

Загрузка/выгрузка данных о территории. ДК, получив соответствующую команду, формирует и посылает ДД команду на загрузку/выгрузку данных. ДД получив эту команду выполняет следующие операции:- поиск соответствующего/соответствующих файла на диске- выделение/освобождение динамической оперативной памяти обмен данными между диском и оперативной памятью- внесение данных в реестр загруженных данных- формирование и пересылка ДК подтверждения о выполнении команды.

Визуализация данных о территории в экранных окнах. Операция инициируетсяДК по директиве пользователя или макрокоманды.- ДК формирует и отправляет ДД запрос на данные и получает в ответ адрес расположения данных в оперативной памяти.- ДК формирует и передает ДО команду на выполнение операции визуализации данных по указанному адресу.- ДО выполняет команду и посылает ДК подтверждение ее выполнения.

Получив соответствующую команду от ДК, ДО- открывает/закрывает экранное окно- «связывает» окно с областью загрузки соответствующих данных- отрисовывает основные и вспомогательные элементы данных. Обеспечение изображений в окне и экранный скроллинг.

Старт/завершение работы моделирующего модуля. Операции инициируются ДК (старт) или ДЗ (завершение).- ДК получает директиву от пользователя или макрокоманды и посылает ДД запрос на данные, необходимы для работы моделирующего модуля.- В ответ ДД присылает ДК адреса соответствующих элементов данных- ДК отсылает ДЗ команду старта нужного моделирующего модуля и адреса соответствующих элементов данных- ДЗ выполняет команду старта моделирующего модуля и отправляет ДК подтверждение старта работы модуля. После этого ожидает сообщения о конце работы модуля, после чего выполняет завершающие операции шлет ДК сообщение о конце работы модуля.

Обеспечение моделирующего модуля данными в ходе работы. В ходе работы модуля ему могут потребоваться дополнительные данные. В этом случае модуль посылает соответствующий запрос ДД (минуя ДК) и получает адреса запрашиваемых элементов данных. После этого, модуль продолжает работу, пользуясь этими адресами. По завершению работы модуль сообщает ДЗ об окончании работы и передает адреса всех элементов данных, которыми он пользовался при работе.

Состав элементов ГМК и технология их работы, представлены на рис. 2.4.4. Описанная сруктурв позволяет обеспечить следующие свойства ГМК:- Независимость технологии работы ГМК как от структуры и состава данных, так и от типа моделирующих модулей- Возможность передавать результаты работы одного моделирующего модуля на обработку другому модулюРазделение операций визуализации данных и манипулирования данными- Возможность строить сложные вычислительные процессы, включающие работу многих модулей, обеспечивая равноправное управление ими со стороны пользователя и со стороны макрокоманд, т.е. возможность работы ГМК как в диалоговом, так и в автоматическом режимахРеализация ГМК на основе описанной архитектуры описана в п. 2.5.

2.5. Реализация геоинформационно-моделирующего комплексаГМК является программной средой, обеспечивающей решение задач математического моделирования экологический процессов, развивающихся на территории на основе интегрирования геоинформационных и моделирующих средств. Информация о территории задается в виде совокупности логически объединенных информационных слоев, каждый из которых характеризует определенное свойство территории. Математические модели реализуются в виде отдельных программных модулей. Исходные данные для моделирования входят в состав некоторого информационного слоя или в состав баз данных измерительной информации. Результаты моделирования входят в один из информационных слоев.

ГМК реализован в виде программной системы, работающей под операционной оболочкой Windows 3.1, в операционных системах Windows 95, Windows NT. ГМК написан на языке программирования "С" (Borland-C 4.5).

Структура моделирующей системы (МС)Пользовательу:ломан,Диспетчер командКоды Данные возврата дляКомандыМакропрограмма ЗагрузкаКоманды ОтветДиспетчер сообщенийДиспетчер данныхВыгрузка ИнформационныеЗапрос на запус^ данныеЗапрос на данныеЗавершениеДиспетчер задачЗапускслоиСообщениеHUjДиспетчер окон ------- -1 i'i* -> Экранные окнаЗавершениеIf HiпРис. 2.4.4. Архитектура и схема работы ГМКРабота пользователя при работе с ГМК идет по следующей схеме:1. Запуск ГМК2. Загрузка информационной модели территории (содержащей все необходимые информационные слои)3. Отображение нужных информационных слоев (ресурсов) ресурсов в окнах ГМК и просмотр их4. Запуск программного модуля (цепочки программных модулей)4.1. Проведение расчетов с помощью программного модуля4.2. Просмотр результатов расчетов5. Завершение работы программного модуля6. При необходимости запуск других программных модулей и расчеты по ним7. При необходимости просмотр каких-либо информационных слоев (данных) по территории8. Завершение работы ГМК.

Пункты 1-4, 5-8 совершенно одинаковы при работе с различными модулями.

После запуска ГМК на экране появиться его главное окно. Окно имеет меню, выбор пунктов которого обеспечивает управление работой ГМК в диалоговом режиме. Меню для выполнения общих операций ГМК имеет одинаковый вид.

Для загрузки информационной модели территории («проекта»), пользователь путем выбора пунктов меню инициирует диалог, позволяющий выбрать из баз данных нужный «проект». Загруженную информацию можно показать пользователю на экране.

Растровые карты можно показать на экране, указав соответствующие команды из меню. Каждому значению класса растровой карты в базах данных соответствует некоторый текст (текстовая легенда) и некоторый набор параметров (расширенная легенда). Для просмотра текстовой легенды, это надо указать в меню и легенда будет выведена в отдельное окно. Для просмотра расширенной легенды надо перевести ГМК в соответствующий режим (путем выбора соответствующих пунктов меню), после чего, по указанию пользователем точки на карте с помощью мыши, на экран будет выведено окно с информацией по этой точке. В окне показывается текстовая легенда точки, в нижней части окна отображаются координаты точки и значение пикселя растра ("класс") (рис. 2.5.1). Нажатием кнопки "Данные" открывается окно, показывающееКонцентрация загрязнения 2.0-5.0 П£ <1 i *х: у: Класс: 246 Х[км) 239 Y|kh) 73 : 8.73768е+03 : 5.18288е+03Задача Данные Г ПродолжитьРис. 2.5.1. Окно upocMOipa информации привязанной к точке растровой каргы. В окне выведена общая текстовая информация («Концентрация загрязнения 2.0-5.0 ПД»), Для вывода всего объема информации, привязанной к данной точке карты, надо нажать на кнопку «Данные».

Рис. 2.5.2. Окно просмотра информации, из базы данных, относящейся к векторному объекту.содержание расширенной легенды для данной точки (содержание относящейся к данному «классу» записи в базе данных).

Если «проект» содержит векторный объектный слой, то он может быть показан пользователю в окне поверх растровой карты. Для этого необходимо открыть окно карты, а затем, с помощью меню указать какой из загруженных векторных слоев необходимо добавить к изображению на экране. Выбранный объектный слой отобразится в текущем активном окне просмотра растровой карты поверх отображенной в нем карты.

Если к объектному слою привязана база данных, то пользователь может просмотреть данные из этой базы. С помощью команд меню надо указать, какой из загруженных векторных слоев будет опрашиваться. Затем при "щелчке" мышью на каком-либо из объектов этого объектного слоя появляется окно (рис. 2.5.2), содержащее сведения по данному объекту из привязанной к объектному слою базы данных.

Имеется возможность изменять местоположение векторных обьектов, перетаскивая их мышью из одного места в другое, удалять векторные обьекты, добавлять новые векторные обьекты.

Предоставлена возможность редактирования информации в базах данных, привязанных к векторным объектным слоям. Для этого надо отобразить соответствующий объектный слой на карте, сделать его активным. После этого, путем указания, обьектов мышью, пользователь определяет какой объект будет редактироваться. В открывающемся диалоговом окне возможно проводить просмотр и редактирование соответствующих данных.

При выполнении п.4 пользователь должен указать какой из включенных в состав ГМК моделирующих модулей надо запускать. Прикладной программный модуль запускается из меню ГМК путем выбора соответствующего пункта меню.

Исходные данные для расчета модуль берет из баз данных загруженного проекта. Это базы постоянных данных, связанные с рассматриваемой территорией и рассматриваемой задачей, данные, внесенные в результате предшествующей диалоговой работы (оператора, работающего за ГМК) и базы данных измерительной информации. Доступ к этим базам возможен как локальный, так и по вычислительной сети, например, в Центре мониторинга базы измерительной информации ведутся на Архивном комплексе.

После запуска моделирующего модуля на экране последовательно появляются диалоги, связанные с работой модуля. Пункты 4.1 и 4.2 являются специфическим для различных модулей. В ходе их выполнения появляются различные диалоги (на рис. 2.5.3 - 2.5.4 приведены примеры некоторых диалогов такого рода.), содержание пунктов меню может меняться.

Результатом расчета является- карта пространственного распределения расчетного параметра, например, концентрации загрязняющего вещества, а также протокол расчета. Карта отображается в окне просмотра. Пример карты приведен на рис 2.5.5. Пользователь стандартными средствами ГМК может просмотреть легенду карты и определить какое значение концентрации соответствует каждой точке карты (см. выше).- Записи, содержащие значения расчетных параметров помещенные в базы данных. В последствии эти данные могут быть использованы как при работе самого ГМК (например расчета по другому моделирующему модулю), так и при работе других программно-апааратных комплексов Центра мониторинга.- Сетевые сообщения и управляющие команды для других программно-аппаратных комплексов Центра мониторинга.- Протоколы проведенного расчета, предназначенные для последующего анализа оператором (если это потребуется) - текстовые файлы, содержащие информацию о ходе расчета, его результатах, проблемах, возникших в ходе расчета.

ГМК естественным образом вкладывается в общую структуру программных комплексов Центра мониторинга и реализует весь необходимый интерфейс взаимодействия с ними. ГМК работает как в диалоге с оператором, так и в автоматическом режиме.

В главе 3 описана реализация в составе ГМК программных модулей, обеспечивающих решение задач математического моделирования в СМА. В главе 4 описан созданный на основе ГМК программный комплекс «Пост», предназначенный для построения рационального размещения измерительных звеньев СМА на территории в ходе проектирования систем СМА.

Время выброса с [[Г] ч [F] мм„ „о [ГГ] „ [згГ] Число И'ЕИ'НТип источника выброса: Учитывать постоянные истчоники [7■/Груба Учитывать Фон ^Загрязняющее вещество: Окись углерода(СО) Фоновая концентрация {мг/м.к«|б] 0.05I1 1 Рис 2.5.3. Диалоговое окно установки параметров выбросаУсредненные метеоплраметры ня территорииКласс устойчивости атмосферы ОблачностьГ&<?й Г С Г£Г£Г£Температура Скорость ветра121.7 [граяС] 1-511 [м/с]Нег.ппошн низкая (йУЯ /у'ЯСпяошнаяЛдман (>7/8] Ясно/легкая (<4/8)Направление ветра "62] [град] ГВСВ !LJ.J JtlОтменаРис. 2.5.4. Диалоговое окно просмотра «эффективных метеопараметров». Пользователь может вручную изменить их.

Рис. 2.5.5. Пример результатов расчета пространственных распределений концентрации на территории2.6. Выводы по главе В Главе 2 проведен анализ обработки информации в СМА и даны предложения по повышению эффективности работы систем путем включения математического моделирования в процесс обработки измерительной информации. Разработана технология и программные средства, обеспечивающие данное включение.

На основе анализа работы СМА выделено три функциональных элемента (программно-аппаратных комплекса) Центра мониторинга, обеспечивающих автоматизированный сбор измерительной информации, ее статистическую обработку и рассылку результатов. Описаны задачи каждого элемента и технология их взаимодействия.

Одной из важнейших задач, стоящих в области разработки и создания систем мониторинга атмосферного воздуха является увеличение объема, улучшение качественного состава и надежности информации, поставляемой СМА своим пользователям, без расширения информационно-измерительной сети СМА. С этой целью в технологической схеме обработки информации в системе предложено использовать математическое моделирование. Применяемые математические модели должны использовать в качестве исходных данных расчетов как измерительную информацию, поступающую от измерительной сети СМА, так и априорно известную информацию о территории, занесенную в базы данных системы заранее.

При функционировании СМА выделено три круга задач, требующих использования математического моделирования. Задачи первого круга обеспечивают получение детальных распределений концентраций загрязняющих веществ на территории и построение прогнозов их изменения. Задачи второго круга обеспечивают управление работой информационно-измерительной сети СМА в соответствии со складывающейся на территории экологической ситуацией. Задачи третьего круга обеспечивают построение эффективной измерительной сети и эффективных алгоритмов работы системы в ходе проектирования СМА.

Поставлен вопрос о реализации математического моделирования экологических процессов в картографической среде. Разработана технология обработки информации при такой организации процесса моделирования. Разработана структура представления информации о территории, обеспечивающая возможность хранения и визуализацииразнообразной информации о территории и возможность проведения разнообразных экологических расчетов.

Разработан геоинформационо-моделирующий комплекс (ГМК) - программная среда, предназначенная для реализации разнообразных процессов математического моделирования в картографической среде. ГМК состоит из программной оболочки, обеспечивающей функции специализированной геоинформационный подсистемы и модулей обеспечивающих решение задач моделирования. Геоинформационная подсистема обеспечивает ведение баз данных разнообразной картографической и фактографической информации, доступ к этой информации. Модули математического моделирования вызываются из программной оболочки, получают доступ к базам данных ГМК, проводят расчет и помещают результаты расчета обратно в базы данных ГМК. Визуализация результатов расчета производится средствами оболочки. Взаимодействие математических модулей с оболочкой производится в рамках четко определенного интерфейса, чем обеспечивается возможность простого подключения вновь создаваемых модулей к ГМК. В итоге ГМК обладает свойством легкой адаптируемости к решению нужного круга задач в системе мониторинга.

Описано место ГМК в технологической схеме обработки данных в СМА.

Глава 3. Расчеты рассеяния загрязняющих веществ при функционировании СМАВ настоящей главе дана постановка и методы решения задач математического моделирования процессов рассеяния загрязняющих веществ в атмосферном воздухе. Постановка задач соответствует требованиям их использования при работе автоматизированных систем мониторинга атмосферного воздуха (СМА).

При оценке качества атмосферного воздуха в России используются разовые и среднесуточные концентрации загрязняющих веществ,1 контроль за которыми является важной функцией СМА.

В главе рассмотрено решение следующих задач:♦ расчет пространственных распределений разовых концентраций загрязняющих веществ -прямая (п. 3.1) и обратная (п. 3.3) задачи,♦ расчет пространственных распределений средних концентраций за заданный период -прямая (п. 3.2) и обратная (п. 3.4) задача.

Исходными данными для решения задач является (а) информация, поступающая от измерительной сети (разовые концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе и метеопараметры, измеренные в отдельных точках территории, а также - мощности источников выбросов), и (б) условно постоянная информация о территории, хранящаяся в базах данных системы (места расположения источников выбросов и измерительных звеньев, номинальные параметры выбросов этих источников и т.п.).

Результатом решения задач являются пространственные распределения концентраций, по которым могут быть оценены значения концентраций в произвольной точке контролируемой территории.

Постановка задач учитывает ограниченность объема и низкое качество измерительной информации, имеющейся в реальных системах мониторинга. Неполнота (дефицит) измерительных данных восполняется на основе условно постоянной информации о расположении источников выбросов в атмосферный воздух, их номинальной мощности, возможном диапазоне изменения их мощностей выбросов.

1 Разовая концентрация это среднее значение концентрации загрязняющего вещества за 20-30 минутный интервал времени. Среднесуточная концентрация это среднее значение концентрации за сутки. За исключением особых случаев, значения этих показателей в населенных пунктах не должны превосходить значений санитарно-гигиенических показателей 1 ПДКмр и 1 ПДКсс, а за границами санитарно-защитных зон предприятий значение разовых концентраций не должны превышать 1 ПДКмр.

Для решения задач разработана двухуровневая схема, основанная на использовании «базовых» моделей. Базовые модели обеспечивают расчет распределений концентраций (разовых, средних) от одного точечного источника, разработаны геофизиками, широко применяются на практике и хорошо зарекомендовали себя. Никакого вмешательства в базовые модели не допускается. Решение поставленных в диссертации задач обеспечивается алгоритмами "второго уровня" и опирается на многократное использование базовых моделей.

В качестве «базовых» моделей используются:♦ модель Гаусса для расчета разовых концентраций от точечного источника [14, 15, 16, 18, 27, 29, 56],♦ модель расчета средних концентраций от точечного источника [5,6,19].

В п. 3.5 описана реализация указанных задач в рамках геоинформационно-моделирующего комплекса (глава 2). Рассчитываемые распределения разовых и средних концентраций могут быть наложены на карту территории с целью получения значений концентраций в населенных пунктах, попадающих в зону ответственности предприятия, определения границ зон высоких разовых и средних концентраций, определения наибольших значений концентраций, достигаемых на территории и др.

3.1. Прямая задача расчета разовых концентраций загрязняющих веществВ результате действия постоянных источников атмосферных выбросов образуются облака загрязненного воздуха, которые распространяются по ветру и постепенно рассеиваются. Области повышенных концентраций, создаваемые источниками выбросов, имеют факельную структуру.

Если источники выбросов заданы, для них известны мощности выбросов (Si) и их координаты Х(, и известны значения метеопараметров (т), измеренные в отдельных точках территории (yj), то получение пространственных распределений разовых концентраций обеспечивается путем решения прямой задачи расчета разовых концентраций загрязняющих веществ.

Пространственные распределения разовых концентрации загрязняющих веществ на территории С(х) - С(х,т) создаваемые / источниками вычисляются по правилу: С(х) = С(х,т) = 27 C(x,m,Xi,Sj) = ZSt F(x, т, хь wj, (3.1.1)где C(x,m,Xi,Sj) - разовая концентрация загрязняющего вещества создаваемая в точке х источником xi, функция F(x, т х„ wj задается используемой «базовой» моделью (см. п. 3.1.1,3.1.2).

3.1.1. Базовая модель.

Пусть на территории действует единичный источник выбросов. При метеоусловиях т концентрация загрязняющего вещества в точке у определяется соотношением:С(у,т) = S F(y, т, х, w), (3.1.2)где х - координата источника выбросов, S - его мощность, w - параметры источника. Функцию F(y, m,x,w) можно рассчитывать по различным методикам, начиная от достаточно сложных, требующих использования большого набора исходных данных, кончая достаточно простыми. Ввиду отсутствия в системе мониторинга детальной информации о состоянии атмосферы, расчет по сложным методикам является неоправданным.

Среди простых методик расчета полей рассеяния следует выделить две, нашедшие широкое применение на практике ввиду своей сравнительной простоты и адекватности получаемых результатов - это методика ОНД-86 [35] и Гауссова методика [14, 15, 16, 18, 27, 29, 56]. Кратко охарактеризуем их.

Методика ОНД-86 (разработана в ГТО им. А.В.Воейкова, авторский коллектив -Берлянд М.Е., Генихович Е.Л. и др.) обеспечивает расчет значений концентрации загрязняющих веществ при нормальных неблагоприятных условиях рассеяния. Результаты расчетов - это мажорантные (сверху) значения концентраций в подфакельной зоне, которые при заданном направлении и скорости ветра не будут превышаться в 95% случаев (превышения наблюдаются лишь при возникновении аномальных неблагоприятных метеоусловий, частота возникновения которых оценивается в 5%). Методика разработана в первую очередь для расчетов санитарно-защитных зон предприятий и для нормирования выбросов. Модель ОНД-86 утверждена и широко используется в России.

Разработка Гауссовой методики связана в первую очередь с именами Ф. Пасквилла и Ф.А. Гиффорда (США). Модель принята в качестве стандартной Агентством по охране окружающей среды США. Модель широко используется во всем мире при расчетах полей рассеяния. Привязка модели к российским условиям проведена в ИЭМ и НПО «Тайфун» (г. Обнинск), работа выполнялась под руководством Н.А.Безуглой. В СССР и странах СЭВ модель была принята в качестве ведомственного стандарта при расчетах выбросоврадиоактивных веществ [27]. Специалистами ГТО им. Воейкова и ВНИИГАЗ модель адаптировалась для проведения расчетов от источников выбросов газовой промышленности.

Гауссова модель ориентирована на получение «реалистичных» распределений концентраций загрязняющих веществ на территории. Для этого модель учитывает не только скорость, направление ветра и температуру, но и состояние атмосферы в плане ее перемешивающей способности. Модель используется совместно с методиками расчета начальной высоты подъема факела для труб, выбрасывающих газовоздушные смеси, и для факелов сжигания газа, и методиками расчета зависимости скорости ветра от высоты над уровнем земли [29, 56].

Известным фактом является расхождение между собой результатов расчетов концентраций по Гауссовой модели и методике ОНД-86, в частности:a) Ширина подфакельной зоны по фронту. Методика ОНД-86 дает более широкий по фронту факел, чем методика Гаусса (даже при неустойчивом состоянии атмосферы, соответствующему наиболее активному ее перемешиванию).b) Глубина подфакельной зоны по ветру. При устойчивом состоянии атмосферы Гауссова методика дает большие значения глубины зоны повышенных концентраций по ветру, чем методика ОНД-86, а при неустойчивом состоянии атмосферы - меньшие. В отдельных случаях (низкие холодные источники высотой 1-5 метров, при выбросе сильно перегретой ГВС, при выбросе ГВС через сопло трубы со скоростями более 20 м/сек и др.) указанное соотношение глубины зон повышенных концентраций нарушается, но в целом оно является верным.

Указанное расхождение связано с различным назначением моделей. Гауссова модель предназначена для получения реалистичных оценок концентраций загрязняющих веществ в подфакельной зоне при различных состояниях атмосферы. Модель ОНД-86 предназначена для получения мажорантных оценок.

Поскольку при работе СМА интерес представляют реалистичные, а не мажорантные оценки концентраций, то для расчетов пространственных распределений разовых концентраций при работе СМА в качестве «базовой» модели используется Гауссова модель.

3.1.1.1. Модель Гаусса.

При распространении загрязняющего вещества в атмосфере облако рассеивается и дрейфует по ветру, при этом концентрация вещества в облаке падает, а его размерыувеличиваются. Скорость «расплывания» облака зависит от состояния устойчивости атмосферы (подробнее см. п. 3.1.1.2).

При выбросе из трубы высотой h газо-воздушная смесь имеет некоторую вертикальную скорость истечения из трубы, кроме того выбрасываемая газо-воздушная смесь как правило имеет более высокую температуру чем окружающий воздух. Это приводит к тому, что струя выбрасываемого газа поднимается над источником на некоторую дополнительную высоту и дальше распространяется так, как если бы оно изначально было выпущено на этой высоте. Чтобы учесть это в качестве высоты источника берется не реальная высота источника А, а так называкмая «эффективная высота» Heff, которая зависит от скорости истечения, скорости ветра, температуры воздуха и температуры выбрасываемой газовоздушной смеси, расхода смеси (подробнее см. п. 3.1.1.4). Скорость ветра зависит от высоты, в частности, на высоте Heff она отличается от скорости ветра на других высотах (подробнее см. п. 3.1.1.3).

Модель Гаусса, базируется на следующих предположениях:-метеоусловия и характеристики поверхности, определяющие распространение и рассеяние облака на всей территории одинаковы и постоянны по времени; -источник выбросов действует в течении длительного времени;-вследствие влияния турбулентной диффузии концентрация загрязняющего вещества распределяется в горизонтальном и вертикальном направлениях по гауссовому закону, с дисперсиями ай, crz, зависящими от расстояния вниз по ветру от источника, состояния устойчивости атмосферы и характера ландшафта территории;-выбрасываемое источником в атмосферу загрязняющее вещество консервативно; -поглощение загрязняющего вещества на поверхности земли отсутствует. Модель Гаусса работает при скоростях ветра, превышающих 1 м/с. Имеются различные способы расчета зависимости дисперсии Гауссового распределения от расстояния по ветру, скорости ветра на различных высотах, эффективной высоты источника. Ниже (пп. 3.1.1.2-3.1.1.4) описаны наиболее распространенные из них.

3.1.1.2. Расчет параметров дисперсии облака рассеянияБыстрота «расплывания» облака зависит от стратификации атмосферы. Стратификация характеризуется классом устойчивости атмосферы, который может принимать следующие значения:А - сильно неустойчивая стратификация; В - умеренно неустойчивая стратификация; С - слабо неустойчивая стратификация D - нейтральная стратификация;Е - слабо устойчивая стратификация F - сильно устойчивая стратификация.

Преобладающий класс устойчивости определяется, исходя из скорости ветра на высоте 10 м, высоты Солнца над горизонтом и облачности (см. табл 3.1).

Значения коэффициентов а, cb,d в формулах определяются по таблице 3.3Таблица 3.3 Z0=0.01 Zo=0.1 Z0=1.0Класс устойчивости а В С d с d с DА 0.527 0.856 0.154 0.940 0.28 0.90 0.615 0.830В 0.371 0.866 0.133 0.890 0.23 0.85 0.539 0.770С 0.209 0.897 0.121 0.850 0.22 0.80 0.533 0.720D 0.128 0.905 0.108 0.810 0.20 0.76 0.456 0.680Е 0.098 0.902 0.078 0.780 0.15 0.73 0.348 0.650F 0.065 0.902 0.062 0.720 0.12 0.67 0.309 0.580Коэффициент шероховатости поверхности Zo измеряется в метрах. Физический смысл коэффициента шероховатости - это высота на, которой для данного элемента скорость ветра равна 0. Величина Zo зависит от территории и может быть определена по таблице 3.4.

Таблица 3.4.

Плоская поверхность с отдельно стоящими деревьями Z0=0.01Луг, пашня, рассеянные деревья Z0=0.1Поле с высокой растительностью Отдельно стоящие здания Z0=0.3Участок низкой застройки, лес, индустриальный ландшафт Zo-1.0Городской ландшафт Z0=3.03.1.1.3. Расчет скорости ветра на заданной высотеДля расчета скорости ветра на заданной высоте Н используется следующая зависимость [29, 56]:•g(f) Ig(^)где Vi - скорость ветра, измеренная на высоте флюгера Hi, Hi = 10 и. Zo - коэффициент шероховатости поверхности для данной территории.

3.1.2. Расчет распределения концентраций на территории.

Способ расчета направления ветра обеспечивает учет периодичности при полном обороте (360 градусов).

В качестве Si используются фактические мощности Si факт (если эти измерительные данные имеются в системе мониторинга), либо номинальные мощности источников Si„OMuH3.2. Прямая задача расчета пространственных распределений средних концентраций загрязняющих веществПри оценке качества атмосферного воздуха населенных мест, расположенных в зонах влияния источников выбросов, наряду с разовыми концентрациями необходимы данные по среднесуточным концентрациям загрязняющих веществ за некоторый период. Соответственно при работе системы мониторинга возникает вопрос о пространственных распределениях средних значений концентрации в окрестности предприятия. Прямая задача расчета пространственных распределений средних концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе позволяет по заданным мощностям и координатам источников выбросов и по статистическим данным метеонаблюдений получить пространственное распределение средних концентраций загрязняющих веществ на территории.

В соответствии с принятой в гидрометеорологии практикой статические данные о направлении ветра задаются по принадлежности к угловым румбам.

Распределение средней концентрации Cmer (х) рассчитывается как сумма распределений Ciaver(x), создаваемых каждым из источников:Caver (х) £ CiaverИспользуемая базовая модель (Берлянд М.Е., Генихович Е.Л. и др. [5, 6, 19]) позволяет рассчитывать средние концентрации, создаваемые единичным точечным источником, при заданных распределениях qrep (<p),v aver((p). Это распределение имеет вид:CLaver(x) = Qaver(r, qrep(fli)Q(r> V aver ($),где: Д r - угловая и радиальная координаты в полярной системе координат, связанной с источником выбросов,, функция Q(r, v aver ($) задана в базовой модели (подробное описание модели приводится в п. 3.2.1.

Небольшой обьем необходимых для расчетов измерительных данных делает данную методику вполне применимой для проведения расчетов средних концентраций в практических условиях, в том числе в системах мониторинга. Однако для этого должна быть известна функция углового распределения/?^), которая при работе системы мониторинга неизвестна. Известна только повторяемость направления ветра по румбам (обычно по 16 румбам, каждый румб шириной 22.5 градуса).

При проведении расчетов средних концентраций можно задать распределение угловой повторяемости ветров кусочно-постоянной функцией в пределах каждого румба. Однако, в этом случае, получаемые распределения средних концентраций от единичного точечного источника имеют разрывы. Можно задать угловую зависимость кусочно-линейной функцией, однако при этом распределения средних концентраций будут иметь явно выраженный "звезчатый" характер, возможно возникновение отрицательных значений средних концентраций. Оба эти способа, несмотря на указанные недостатки, применяются для проведения расчетов.

Мы пошли по другому пути - был предложен алгоритм, позволяющий строить гладкие угловые распределения по заданной повторяемости направлений ветра по румбам и гарантирующий получение положительных значений. Алгоритм оказался достаточно простым для реализации на практике.

В разделе 3.2.2 описан алгоритм расчета функций qrep (<р), v aver (q>) на основе измерительных данных qrep и v тег к■ Функции ищутся в виде кусочно-полиномиальных периодических функций степени не выше 3, удовлетворяющих требованиям:Предложеное представление искомых функций в виде линейной комбинации гладких периодических кусочно-постоянных и кусочно-полиномиальных функций специального вида обеспечивает положительность и гладкость искомых функций qrep (<р), v aver (<р) и их монотонность в зависимости от значений qrepk V aver кТаким образом, расчет средних концентраций на территории опирается на априорную информацию о действующих на территории источниках выбросов и на измерительную информацию о метеопараметрах. Полученное пространственное распределение средних значений концентрации является гладкой функцией.

Опишем метод расчета полей средних концентраций от точечного источника, предложенный в работах [5,6, 19].rep3.2.1. Базовая модель расчета средних концентраций от единичного источника выбросовРаспределение среднегодовых концентраций Сср(г,(р) от точечного источника представляется в видеCcp(r,<p)=2m (<p)qmQ{—) (3.2.1)Гвр гтгде(р угловая координата в полярной системе координат, центр системы координат размещен в точке расположения источникаЦгеР(<р)- плотность вероятности возникновения ветров заданного направления г - радиальная координата точки в полярной системе координат qm - характеризует максимум поля среднегодовой концентрации (и совпадает с ним при круговой розе ветров)гт - расстояние от источника до точки максимума среднегодовой концентрации примесейу- Q(—) - функция, описывающая зависимость средней концентрации от расстояниягтдо источника г.

3.2.2. Расчет угловых распределенийДля расчета функций vrep (<р), vaver (<р) в диссертации разработан алгоритм построения гладких неотрицательных периодических функций. Алгоритм построения обеих функций одинаков. Изложим алгоритм на примере построения функции F((p), удовлетворяющих условиямчнормировки на интервалах (щ+1/2) J F(q>)d(p = T, где Tk - заданные значения.2Функции ищутся в виде F(cp)- £ Uk(<p) Wu где функции Uk (<р) ищутся в виде кусочно-постоянных, кусочно-полиномиальных функций 3 степени (см. рис. 3.2.1). Алгоритм нелинейный: функции зависят от значений Ти ( От Тк зависит значение параметров <4 и Ък. В случае слабого изменения значений Тк, Тип, Тк+2 для последовательных интервалов - du = bt- О, при возрастании разброса значений Тк, Тк+ь Тк+2, dk и Ък возрастают, обеспечивая выполнение неотрицатальности F(<p).Для соседних интервалов du-i = bk, с учетом периодичности.).

Алгоритм обеспечивает- Непрерывность функции F(<p)- Гладкость функции F(<p)- Положительность функции F(<p) при положительных Тк- монотонность функции F(g>)на интервалах [у/К i/fx+i]: если Tk >Tk+i, то для любых щ, q>2 е [щ Щ+i], <рг<(р2, выполняется F((pi)>F(ср2).

При Ьк, = 0 dk = 0 и сильно изменяющихся Т,, положительность решения может нарушаться.

Коеффициенты Ь, должны быть подобраны таким образом, чтобы обеспечить положительность решения системы (W, >0) при заданных положительных значениях повторяемости Г,.

Можно показать, что при4 Т. 12 <i<i± (3.2.4)12 Тм 4решение системы будет положительным при Ь, = 0.

В случае нарушения условия (3.2.4), положительность решения при Ь, = 0 может нарушаться. В этом случае для интервалов г, примыкающих к области нарушения положительности решения, коэффициенты Ь, увеличиваются. Подбор значений Ь} происходит путем проведения итераций, включающих решение системы при подставляемых значениях />,. Логика выбора подставляемых значений Ь, - это логика последовательного деления отрезка [0,1/2] пополам. В программной реализации алгоритма итерации прекращаются после проведения шести пересчетов Ь,,3.3. Обратная задача расчета распределений разовых концентраций загрязняющих веществОсобенность алгоритмов обработки данных в системах мониторинга атмосферного воздуха состоит в том, что оценка экологической ситуации на территории проводится на основе измерительной информации о концентрациях загрязняющих веществ в отдельных ее точках. Соответственно перед системами мониторинга стоит задача расчета пространственных распределений загрязняющих веществ на основе точечных измерительных данных. Эта задача относится к семейству так называемых обратных задач.

Обратная задача расчета распределений разовых концентраций загрязняющих веществ по данным измерений обеспечивает получение распределения концентраций загрязняющих веществ на всей территории по заданным координатам источников выбросов, метеопараметрам и значениям концентраций в отдельных точках территории. Ниже описаны исходные данные задачи, результат ее решения, предложенный в диссертации алгоритм решения, использование задачи при эксплуатации систем мониторинга.

Решение задачи проводится в два этапа. На первом этапе ищутся удовлетворяющие условиям задачи мощности выбросов источников Si. На втором этапе производится решение прямой задачи (см. п. 3.1) при полученных значениях Si.

На первом этапе выполняется решение системы (3.3.2) относительно S. Количество уравнений системы J равно количеству ПКЗ и обычно существенно меньше количества неизвестных / (числа источников). Предлагается способ регуляризации системы, использующий априорную информацию о мощностях выбросов источников. В реальных системах обычно известны номинальные режимы работы источников выбросов, а также взаимосвязи мощностей выбросов различных источников, обусловленные технологией производства. Для регуляризации системы (3.3.2) выполняются следующие действия:1) система (3.3.2) пополняется уравнениями, определяющими номинальные мощностиSI = PCноминвыбросов источников (всего / уравнений)—* л,где S номин = {Si „омин,—, Si номин}, Е - единичная матрица.

Таким образом, задача (3.3.3) при наличии измерительной информации о концентрациях в подфакельных зонах источников выбросов, является обратной задачей для этих источников: первое уравнение системы (3.3.3) участвует в задаче и решение опирается в основном на измерительную информацию (Q изм)- При прохождении факелов "мимо" точек контроля концентраций, первое уравнение системы вырождается и расчет концентраций опирается на априорную информацию о технологических взаимосвязях и номинальных мощностях выбросов Si номинРешение системы проводится путем умножения уравнений системы на сопряженную матрицу плана и решения полученной в итоге системы методом исключения Гаусса. Наличие в составе системы I неравенств приводит к необходимости организации итерационного процесса.

На втором этапе решается прямая задача (см. п. 3.1): по полученным Si при помощи (3.3.1) расчитывается искомое распределение концентраций С(х,т).

Качество решения задачи оценивается по близости измеренных и рассчитанных концентраций в точках у у.* = Z(Cu3M(yj)-C(yj))23.4. Обратная задача расчета распределений средних концентраций загрязняющих веществОдной из задач, возникающих при эксплуатации систем мониторинга, является оценка экологического состояния атмосферного воздуха в бассейне над контролируемой территорией на основе средних концентраций. Эта оценка также должна основываться на измерительной информации. Решение обратной задачи расчета распределений средних концентраций загрязняющих веществ опирается на априорную информацию об источниках выбросов и на заданные временные ряды значений измеренных метеопараметров и концентраций в точках контроля. Результатом решения задачи является пространственное распределение среднего значения концентрации загрязняющего вещества Стег(х).

Пусть источники выбросов расположены с разных сторон от точки контроля yj размещения поста контроля загазованности (ПКЗ). В каждый момент времени области повышенных концентраций, создаваемые источниками выбросов, имеют факельную структуру, факелы направлены по ветру от источников выбросов. В результате точка yj при различных направлениях ветра попадает в подфакельные зоны различных источников. Это позволяет на основе рядов измерительной информации (концентрации, метеопараметры), полученной в точках yj, определить вклады, вносимые источниками в значение средней концентрации в точке у j. Эти данные используются для оценки мощностей источников Si и дальнейшего расчета распределения создаваемых ими средних концентраций.

Схема решения аналогична схеме для обратной задачи расчета разовых концентраций:1. Ищутся мощности выбросов источников Si (Si mi» < Si < Si max), при которых при всех направлениях ветра в точках yj расчетные вклады в значения средней концентрации близки к «измеренным» значениям этих вкладов С измр (yj)2. По найденным мощностям Si решается прямая задача расчета средних концентраций за период времени Т.

Система уравнений задачи формулируется относительно Si и содержит J*P уравнений, каждое соответствует одному посту контроля j при одном интервале углов А<рр\Cu^M- ZSi Wpfyj, Xj)D(A<pр) S(<p-A<pp), (3.4.1)где D(A<pp)- вероятность возникновения ветров направления А(рр за период наблюдения Т:D(A<Pp)= \q((p)d(p, (3.4.2)АфрWp(yj, Xj)- коэффициенты, определяющие вклад 1-го источника в значение средней концентрации в точке yj при ветрах направления Афр, которые согласно базовой модели имеют видWP(yj,x) = -J— j Q(( d(PpA<pDv. - x.y J IгдеУ.-X. у) I- расстояние между точками yj и jc,.

Система (3.4.1) принимает видС = G S,/Vгде коэффициенты матрицы G определяются с учетом (3.4.2-3.4.3), вектор С имеет компонентами С111Мр(у).

Уравнения этой системы делятся на две группы: первая группа соответствует направлениям ветра, при которых вклады Сихчр(у) отличны от нуля, вторая группа соответствует направлениям, при которых вкладов нет, т.е. эти уравнения вырождаются.

Полученная система, аналогично тому, как это сделано в разделе 3.3, пополняется дополнительными (I+L) уравнениями и / неравенствами, после чего решается методом наименьших квадратов с введением регуляризующих множителей.

Решение задачи проводится в два этапа аналогично тому, как это делается в п. 3.3. На первом этапе ищутся удовлетворяющие условиям задачи мощности выбросов источников Si. На втором этапе производится решение прямой задачи (см. п. 3.1) при полученных значениях S,Рассмотренные в главе 3 задачи позволяют рассчитывать пространственные распределения разовых и средних концентраций загрязняющих веществ на контролируемой территории. При наличии измерительных данных о концентрациях в некоторых точках территории, результаты расчетов позволяют получить согласованные с этими данными распределение (данные о концентрациях и метеопараметрах поступают от измерительной сети системы мониторинга). При отсутствии измерительных данных о концентрациях расчеты производятся по априорным данным об источниках выбросов, содержащихся в базах данных системы мониторинга.

3.5. Программная реализация задач в составе геоинформационно-моделирующего комплекса СМА.

Все описанные в разделах 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 задачи реализованы в рамках геоинформационно-моделирующего комплекса (ГМК). Как было указано в п. 2.5, ГМК обеспечивает хранение и визуализацию картографической и фактографической информации из баз данных, позволяет запускать модули математического моделирования и просматривать результаты моделирования. В настоящем разделе описана реализация рассмотренных в пп. 3.1 - 3.4 задач в виде моделирующих модулей ГМК.

Для решения прямой задачи расчета разовых концентраций ( п. 3.1) ГМК использует вкачестве начальных данных следующую информацию:1. Растровая карта территории с соответствующей легендой (постоянная информация,), которая берется из геоинформационной базы ГМК.

2. Векторная карта источников выбросов (постоянная информация), которая берется из геоинформационной базы ГМК.

3. Привязанная к векторной карте источников (п.З) база данных параметров источников выбросов (постоянная информация) - название, геометрические параметры, номинальный расход и температура газовоздушной смеси, мощности выбросов по веществам. База данных содержит информацию по всем источникам выбросов. Информация содержится в геоинформационной базе ГМК.

4. Привязанная к векторной карте источников база измерительных данных с временными рядами параметров источников выбросов - расход и температура газовоздушной смеси, реальные мощности выбросов по веществам. Информация содержится в базах измерительных данных Архивного комплекса (см. п. 2.1).

5. Векторная карта реципиентов загрязнения - населенных пунктов и отдельно стоящих объектов с персоналом (постоянная информация), которая берется из геоинформационной базы ГМК.

6. Привязанная к векторной карте реципиентов база данных (постоянная информация) -название, численность жителей (персонала), телефон администрации и др. База данных содержит информацию по всем объектам векторной карты. Информация содержится в геоинформационной базе ГМК.

7. Векторная карта стационарно размещенных на территории пунктов и постов контроля концентраций загрязняющих веществ в атмосфере и метеопараметров, (постоянная информация), которая берется из геоинформационной базы ГМК.

8. Привязанные к векторной карте пунктов и постов контроля временные ряды результатов контроля метеопараметров. Информация содержится в базах измерительных данных Архивного комплекса.

9. Временные ряды измерений вертикального профиля температуры в атмосфере, поступившие от аэрологического поста (см. п. 1.4). Информация содержится в базах измерительных данных Архивного комплекса.

10. Информация, вводимая вручную диспетчером в диалоговом режиме.

Результатами расчета являются:1. Растровая карта распределения разовых концентраций загрязняющих веществ на территории (расчетные данные). Зоны высоких концентраций отмечены красными и синими цветами, зоны низких концентраций - зелеными, желтыми и коричневыми тонами. Карты представляются с сохранением дорожной, гидрографической сети, населенных пунктов, промплощадок. Состав элементов исходной карты территории, которые сохраняются на карте пространственного распределения концентраций может регулироваться.

2. Данные по значениям концентраций загрязняющих веществ в населенных пунктах и на объектах с персоналом (расчетные данные)3. Данные по концентрациям в точках контроля (расчетные данные)4. Выводимые на экран информационные сообщения о превышениях значениями рассчитанной концентрации величины 1 ПДК мр в населенных пунктах, на объектах с персоналом, в отдельных точках территории (тревожные сообщения)5. Файл с текстовым протоколом по проведенному расчету (все исходные данные, результаты расчета), предназначенный для детального изучения диспетчером, либо другим персоналом.

ГМК может проводить расчеты с использованием модуля в режиме ручного управления и в автоматическом режиме.

Расчет в автоматическом режиме проводится по получению соответствующего сетевого сообщения от диспетчерского комплекса. Расчет проводится на текущий момент времени (отбираются измерительные данные, относящиеся к завершившемуся 25-ти минутному интервалу времени, если в этот интервал попало несколько однотипных измерительных данных по одной точке, то берутся наиболее поздние). Расчет проводится по всем веществам, имеющимся в составе источников выбросов. По тем источникам выбросов, по которым имеется измерительная информация о мощности выбросов, берутся измерительные данные, по остальным источникам берутся номинальные данные. Карты результатов расчета по различным веществам выводятся в отдельные окна. В случае расчетного выявления высокой концентрации выдается сетевое сообщение на диспетчерский комплекс (тревожное сообщение). При отсутствии данных по метеопараметрам, либо при штилевых условиях расчет не проводится.

В любой момент (при вмешательстве оператора) расчет может быть запущен в диалоговом режиме. При этом оператору предоставляется реальная возможность управления расчетом. Оператор задает момент времени, на который проводится расчет, может изменить ширину временного диапазона, из которого извлекаются измерительные данные (напримерувеличить его с 25 мин. до 1 часа). Задает вещество, по которому проводится расчет. Указывает, какую информацию по источникам брать - номинальные данные, или измерительные данные при этом допускается различный выбор для разных источников. Возможна ручная коррекция эффективных метеопараметров, в т.ч. с учетом данных по вертикальному профилю температуры на момент времени расчета, которые могут быть показаны оператору в отдельном окне.

Карта пространственного распределения концентраций выводится на экран. Результаты расчета концентраций в населенных пунктах, пунктах контроля могут быть выведены на экран, и по указанию диспетчера могут быть временно сохранены.

На рис. 3.5.1 - 3.5.5 представлены основные диалоговык окна, используемые в ходе расчета: окно с картографической информацией до начала расчета, окно выбора вещества, окно выбора времени расчета, окно корректировки эффективных метеопараметров на территории, окно с картографической информацией по заверщению расчета.

При решении обратной задачи расчета разовых концентраций (п. 3.3) ГМК в качестве начальных данных использует помимо информации, необходимой для решения прямой задачи, так же еще следующую информацию:1. Привязанные к векторной карте пунктов и постов контроля временные ряды результатов контроля концентраций, поступившие от постов контроля загазованности, передвижной экологической лаборатории (см.п. 1.4) и от др. источников информации. Информация содержится в базах измерительных данных Архивного комплекса.

Результаты решения обратной задачи аналогичны результатам решения прямой задачи.

Логика работы отличается в том, что при расчете в диалоговом режиме имеется возможность редактировать значения концентрации и значения метеопараматров, измеренные в точках территории. Диалоговое окно редактирования значений концентрации, измеренной в точках территории (пользователь может оставить значение концентрации неизменным, либо изменить его) представлено на рис. 3.5.6. Остальные окна аналогичны представленным на рис. 3.5.1-3.5.5.

Рис. 3.5.1. Прямая задача расчета разовых концентраций. Окно с картографической информацией до начала расчета. Запуск модуля решения прямой задачи.

Рис. 3.5.2. Прямая задача расчета разовых концентраций. Окно выбора вещества.иNРис. 3.5.3. Прямая задача расчета разовых концентраций. Окно выбора времени расчета.

Рис. 3.5.4. Прямая задача расчета разовых концентраций. Окно корректировки эффективных метеопараметров на территории.| Груитовыепорогм| РекнканалыI КлналысукрепяенныинбереганЕЯ Ги д ротехниче скмесооруженмя| Лесныеиассмвыкусг арники| Дачные j/частки.сапы1 ДельтаП Пески| Нассленныепункш1 Площадки и коинунм1сэц*жГЛЗF 1 Линииз*ектро передач п ГазопровоаQ Менее0.01 ПДК□ о.оишпдк□ 0.02-0.03ПД1С В 0.03-0.04ПД1С■ 0.в+0.05ПДКЩ в.в&в.1пцк| 0.1-0.5ППК lift■ О.Н.8ПДК Ц й О 0.8-1.1ПДКРис. 3.5.5. Прямая задача расчета разовых концентраций. Окно с картографической информацией по заверщению расчета.Рис. 3.5.6. Обратная задача расчета разовых концентраций. Окно с редактирования измерительной информации по концентрацям в точках контроля.

Решение прямой и обратной задач расчета средних концентраций в заметной степени аналогично расчетам разовых концентраций, за тем исключением, что они не могут проводиться в автоматическом режиме (могут проводиться только в диалоговом режиме). Основные диалоговые окна, возникающие при работе модулей (кроме окна с картографической информацией до начала расчета) представлены на рис. 3.5.7-3.5.10.

3.6. Выводы по главеВ настоящей главе диссертации разработаны и программно реализованы математически модели, предназначенные для использования в СМА. Модели используют в качестве исходных данных измерительную информацию о состоянии и качестве атмосферного воздуха на территории и условно постоянную информацию о структупк территории и размещенных на ней источников загрязнения. Результаты расчетов -пространственные распределения экологических параметров на контролируемой территории.

В разделе 3.1 рассмотрена модель расчета пространственных распределений разовых концентраций загрязняющих веществ в приземном слое воздуха на основе известной информации об источниках выбросов на территории и информации о метеопараметрах на территории. Модель предназначена для расчета полей рассеяния на основе измерительной информации только о метеопараметрах на территории.

В разделе 3.3 рассмотрена модель расчета пространственных распределений разовых концентрации загрязняющих веществ на основе известной информации о местах расположения источников выбросов на территории, ориентировочных мощностях выбросов этих источников, информации о метеопараметрах на территории, и измерительной информации о результатах измерений разовых концентраций в отдельных точках территории. Эта модель предназначена в целях оценки концентраций по измерительным данным в случае, если мощность источников выбросов на территории и метеопараметры слабо изменяется за период времени 1-2 часа.

Рис. 3.5.7. Прямая задача расчета средних концентраций. Окно выбора периода времени к которому относится расчет.

Рис. 3.5.8. Прямая задача расчета средних концентрации. Окно просмотра и редактирования длительности периода времени, к которому относится расчет и усредненных значений эффективных метеопараметров на территории.S£|Staitj л|Аоя«ный к«*тлекс | ^ ь -■ - ' ■■ - — —--г «j fcp" Л -L.

Рис. 3.5.9. Прямая задача расчета средних концентраций. Окна просмотра данных по повторяемости эффективного направления ветра и средней эффективной скорости ветра по румбам за период расчета.

Авто A op огибе эп окр ытия Грунтов ыса о р о гн Насеясиныспунгты ПескиЛесныемассивыгустариики Дачные участки, сапы ДельтаПяощадшнкомиунмкацииГПЗЯ ннниэ*ектр оп ер с я анСкважиныГазопроводНефтепроводРассо но проводЗкизонаВиутреннимкоитургазоиосност Линияаатчиков Менее0.02ПДКсс 0.02 0.05ПДКсс0.05-а.08ПДКсс0.08-0.2ПДКссВ.2-0.5ПДКссПп□□□IIРис. 3.5.10. Прямая задача расчета средних концентраций. Окно с картографической информацией по заверщению расчета.

В разделе 3.2 для решения задачи расчета средних концентраций разработана методика расчета углового распределения направления и скорости ветра на основане измерительных данных по метепараметрам (повторяемости ветров по румбам). Методика позволяет получать гладкие неотрицательные угловые распределения при произвольных значениях повторяемости ветров по румбам. На основе этой методики доработана модель расчета пространственных распределений средних концентраций за длительный период времени на основе данных о действующих на территории источниках выбросов и информации о временных распределениях метеопараметров.

В разделе 3.4 разработана методика расчета пространственных распределений средних концентраций на территории на основе данных о действующих на территории источниках выбросов и синхронизованных по времени рядам наблюдений за метеопараметрами и концентрациями загрязняющих веществ в атмосферном воздухе.

Рассмотренные в разделах 3.1 - 3.4 задачи, реализованы в виде модулей геоинформационно-моделирующего комплекса (гл. 2) и приспособлены к включению в процесс обработки информации в реальных системах мониторинга атмосферного воздуха, в том числе для работы в автоматическом режиме. В главе (п. 3.5) приведено описание реализации.

Глава 4. Задача рационального размещения информационно-измерительной сети при проектировании СМА.

4.1. Задача формирования информационно-измерительной сети и подходы к ее решениюСтоимость создания и эксплуатации информационно-измерительной сети (ИИС) составляет до 85-90% всей стоимости СМА. Поэтому при проектировании СМА основным является требование минимизировать эту сеть, разместив по-возможности минимальное число измерительных звеньев (постов контроля загазованности атмосферного воздуха - ПКЗ) наилучшим образом. Задача состоит в том, чтобы выбрать места размещения ПКЗ, диапазоны измерения ими концентраций загрязняющих веществ и алгоритмы обработки информации в СМА, которые позволили бы (а) сделать измерительную сеть дешевой (б) обеспечить выполнение основных функций СМА, (в) учесть ряд неформальных требований к местам размещения ПКЗ, специфику предприятия и территории.

В настоящем разделе рассматриваются различные способы постановки и решения этой задачи, дается обзор работ по проблематике размещения ПКЗ, анализируются положительные и отрицательные стороны используемых подходов.

Задача выбора рационального размещения стационарных постов контроля загазованности атмосферного воздуха (ПКЗ) в системах экологического мониторинга решается обычно экспертными методами на основе анализа карт территории, информации о ее текущем экологическом состоянии, характере техногенного воздействия предприятий на окружающую среду, данных по восстановительному потенциалу территории и т.п.

Приведем краткий обзор работ, в которых, рассматривается вопрос размещения элементов информационной измерительной сети в системах мониторинга атмосферного воздуха. Среди множества документов следует выделить две группы:1) нормативные документы, в той или иной степени затрагивающие вопрос размещения стационарных постов контроля качества атмосферного воздуха и площадок пробоотбора,2) научные работы методического плана.

Рассмотрим нормативные документы, среди которых в первую очередь следует упомянуть "Руководство по контролю загрязнения атмосферы" РД 52.04.186 -89 [82],"Руководство по контролю качества атмосферного воздуха в городах" [84], "Руководство по контролю загрязнения атмосферы"[83].

В этих документах определяется, кто и на основании какой информации должен определять размещение ПКЗ в городах. Расположение ПКЗ должно формироваться при участии органов Министерства природных ресурсов, Росгидромета, СЭС и главного архитектора города. Размещение производится на основании следующих данных: плана города, информации об особенностях застройки, данных по загрязнению воздушного бассейна, расчетам ориентировочных полей концентрации по методике ОНД-86[57], а также данных изучения метеорологических особенностей района. Расположение постов должно обеспечивать контроль характерного состояния загрязнения атмосферы на территории. Посты должны располагаться в соответствии с функциональной структурой территории, в частности, в жилых районах, в центральной части города и в районах, подверженных скоплению вредных примесей. Для выявления зон наибольших концентраций можно исходить из того, что повышенные концентрации загрязняющих веществ в подфакельной зоне наблюдаются около неорганизованных источников и на расстояниях 8-40 высот труб организованных источников. Для городов указано рекомендуемое количество ПКЗ, необходимое для организации наблюдений, в зависимости от численности населения. Определены требования по составу контролируемых параметров (веществ).

По размещению ПКЗ в сельской местности специальных методических указаний не имеется.

Документы также определяют локальные требования к местам размещения: ПКЗ (или площадка проведения пробоотбора) должны располагаться на открытом, хорошо проветриваемом со всех сторон участке местности с непылящим покрытием (газон, асфальт, твердый грунт). Регламентируется временной график проведения измерений и отбора проб на стационарных постах контроля качества воздуха, описываются методики пробоотбора и проведения анализов. Дополнительные требования по размещению постов контроля загрязнения атмосферного воздуха содержится в [65]: точка контроля концентраций загрязненного воздуха должна отстоять от урезов близлежащих водоемов не менее, чем на 250 м и от высотных препятствий (многоэтажные дома, лес) не менее чем на 10 высот препятствия.

СанПиН "Гигиенические требования к охране атмосферного воздуха населенныхмест" [21] указывает контролируемую зону в окрестности предприятия. В нем имеетсятребование контроля качества атмосферного воздуха селитебной территории в зоневлияния выбросов предприятия (п.6.1). (Согласно документу ОНД-86, п.5.20 [57] зонойвлияния предприятия называется зона, на границах которой концентрации108загрязняющих веществ, создаваемые источниками выбросов предприятия при штатном режиме работы, рассчитанные по методике ОНД-86, составляют 0.05 ПДК мр).

Дадим краткий обзор работ научно-методического плана.

В работах [40, 41, 42], делается попытка реализовать формальную процедуру поиска приемлемого размещения ПКЗ. Используется следующая постановка задачи.

Всем источникам выбросов предприятия приписывается определенная вероятность возникновения выбросов, определяемая используемой на предприятии технологией. Всем направлениям ветра, которые могут возникать на территории, также приписывается вероятность, определяемая на основе данных многолетних метеонаблюдений. В зависимости от концентрации веществ в воздухе в точке размещения ПКЗ, газоанализаторам, установленными на ПКЗ, приписывается вероятность зарегистрировать либо не зарегистрировать эту концентрацию (т.е. выдать, либо нет, измерительные данные). Основным требованием к размещению является следующее. Размещение должно минимизировать вероятность того, что сеть ПКЗ не будет выдавать никаких измерительных данных при работе хотя бы одного (любого) источника выбросов предприятия (т.е. искомое размещение должно максимизировать вероятность регистрации выбросов). Критерий, характеризующий эффективность размещения, определяется как величина этой вероятности. Таким образом, искомое размещение строится из требования регистрации фактов возникновения выбросов источников предприятия.

Итоговое размещение получается в результате использования процедуры многомерной оптимизации. Методика оптимизации не описывается. Для оценки вероятности возникновения определенных концентраций загрязняющих веществ на территории предлагается использовать некоторую стандартную методику расчетов полей рассеяния (например, ОНД-86, либо гауссова методика) и экспериментальные статистические данные, полученные при комплексном обследовании территории.

Нам представляется, что описанный в [40, 41, 42] критерий может использоваться только в качестве одного из критериев оценки качества размещения ПКЗ при создании СМА, ориентированных только на сбор мониторинговой информации и фиксацию выбросов. В качестве основного, а тем более единственного критерия в при создании систем ПЭМ предприятий газовой промышленности, в задачи которых входит обеспечение экологической безопасности территории, данный критерий использоваться не может, поскольку при размещении ПКЗ он не учитывает необходимости идентификации и оперативной локализации на территории зон высоких концентраций.

В работе авторов из ВНИИГАЗ [78] разработана методика размещения датчиковзагазованности в окрестности трубопроводов серосодержащего газа. Датчики109предназначены для аварийной сигнализации о возникновении опасной ситуации в расположенных поблизости от трубопровода населенных пунктах.

Целью "забора" из равноотстоящих друг от друга датчиков является гарантировать поступление в систему информации при возникновении на трубопроводе течи, способной создать в населенных пунктах концентрации выше ПДК рабочей зоны. Для моделирования распространения загрязнений используется методика расчета полей рассеяния загрязняющих веществ в случае возникновения течей на трубопроводах, разработанная совместно ВНИИГАЗ и ГГО им. Воейкова [76, 77]. Расстояния между датчиками, между газопроводом и забором датчиков и между забором датчиков и населенными пунктами выбираются так, чтобы гарантированно зарегистрировать опасное облако загрязнений. Для определения этих расстояний получены аналитические выражения. Тем самым речь идет о требовании информативности размещения забора датчиков, что представляется абсолютно обоснованным.

В ряде работ, в частности в [48, 68, 80], ставится задача выбора точек контроля с целью оценки параметров источников выбросов (в том числе — мощности выброса) на основании данных подфакельных измерений. Работы данной направленности носят исключительно академический характер, базируются на использовании тех или иных аналитических решений уравнения адвективной диффузии с определенными предположениями о характере динамики атмосферы. Практическое применение результатов этих работ представляется весьма проблематичным.

Пусть известны расположение и высота источника выбросов. В работе [68] ставится вопрос об определении необходимого количества измерений в подфакельной области и выбора точек проведения этих измерений, которые обеспечили бы заданную точность определения ряда параметров факела, в частности максимальной приземной концентрации от этого источника. Задача рассматривается для случая полиномиальной зависимости профиля ветра и коэффициента диффузии от высоты при постоянном направлении ветра. Приводятся некоторые, на наш взгляд недостаточно убедительные, рассуждения об использовании предлагаемой методики в случае временных флуктуаций направления ветра.

В работе [105] рассматривается вопрос о расположении на территории малого числа ПКЗ для решения задач сбора и накопления мониторинговой информации. Задача поиска оптимального варианта размещения решается с использованием методов многомерной оптимизации по нескольким критериям. Показано, что получаемые в соответствии с различными критериями размещения различаются между собой.

В работе [62] формулируется идея поиска такого размещения ПКЗ, при котором все ПКЗ выдают в систему примерно одинаковый объем информации с точки зрения количества контролируемых ими источников выбросов (т.е. размещение ориентировано на контроль источников выбросов, а не на контроль концентраций на территории). После введения ряда упрощающих предположений данная идея доведена до человеко-машинного алгоритма, реализация которого требует содержательной работы человека-эксперта.

Таким образом, нормативные документы содержат только общие указания по вопросу размещения ПКЗ. Приводимые в них критерии (в соответствии с которыми размещение должно оцениваться) носят качественный характер. Представляется, что указанная ситуация отражает суть задачи размещения, поскольку размещение должно учитывать специфику производства и территории, и именно эта специфика оказывает основное влияние на принятие окончательных решений.

Что касается рассмотренных научных работ, предлагающих алгоритмы размещения ПКЗ в соответствии с теми или иными формальными критериями, то практически во всех этих работах упоминается, что задача размещения является многокритериальной, при этом в большинстве работ явно или неявно указывается, что количество ПКЗ и места их размещения зависят от тех задач, для решения которых СМА создается.

При рассмотрении методов выбора размещения ПКЗ, как правило, ставится задача поиска размещения, минимизирующего (максимизирующего) некоторый формализованный критерий. Используемые критерии базируются на информации о расположении на территории источников выбросов и их параметрах, в некоторых случаях используется информация о расположении реципиентов загрязнения — населенных пунктов, жилых кварталов и т.п. Вопросы обоснованности используемого критерия для конкретной территории, наличия у данного критерия единственного оптимума, характера поведения критерия в окрестности этого оптимума не обсуждаются. Понятно, что в такой ситуации является затруднительным использовать результаты этих работ при размещении ПКЗ на реальных территориях.

Наша точка зрения на рассматриваемую проблему состоит в том, что размещениеПКЗ реальной СМА не может быть проведено на основе только формальных методов.

Размещение ПКЗ должно обеспечивать адекватный контроль за экологическойситуацией с учетом множества неформальных факторов: структурных особенностейтерритории, требований инженерного обеспечения системы, стоимостных ограниченийи др. Предлагается подход, обеспечивающий разностороннюю оценку различныхвариантов размещения ПКЗ на территории.illПредлагаемый нами способ решения задачи состоит в разработке алгоритма пошагового построения размещения ПКЗ на территории, удовлетворяющего поставленным перед СМА требованиям. Работа по построению размещения должна поддерживаться программными средствами, которые функционируют в режиме диалога с проектировщиком и, оставляют за человеком принятие решений по формированию вариантов размещения ПКЗ, помогают ему в решении двух задач:1. Обеспечение картографической поддержки выбора точек размещения ПКЗ и предоставление полной информации о характеристиках той или иной точки и окружающего ее участка территории.

2. Моделирование атмосферного переноса загрязнений для различных режимов работы источников выбросов и различных метеоусловий; расчет разнообразных критериев оценки заданных проектировщиком размещений и их сопоставление.

4.2. Требования к размещению постов контроля загазованности атмосферного воздухаК размещению ПКЗ на контролируемой территории предъявляются следующие требования:А. Требования методической обеспеченности измерительных данных, полученных каждым ПКЗ. Эта группа требований была обозначена в п. 4.1 при рассмотрении нормативных документов.

Б. Требования информативности измерительных данных:ПКЗ должны размещаться в точках, обеспечивающих высокую информативность получаемых измерительных данных для решения основных задач проектируемой системы. Информативность размещения характеризует способность системы по совокупности измерительной информации, полученной от всех ПКЗ, решать задачи контроля качества атмосферного воздуха на территории.

Прежде всего это относится к традиционным задачам экологического мониторинга, т.е. система должна на основе регулярных, сопоставимых, метрологически обеспеченных измерений, осуществляемых в локальных точках, давать целостную картину экологической ситуации на контролируемой территории.

Другим важным классом задач являются задачи обеспечения экологической безопасности. Требование информативности в этом случае означает, что информационно-измерительная сеть должна давать достаточно информации для идентификации фактов возникновения высоких уровней загрязнения атмосферного воздуха и локализации границ зон высоких концентраций.

В. Инженерные требования.

Данная группа обеспечивает учет множества организационных и инженерных требований, обеспечивающих работоспособность системы, а именно, ее надежность, необходимую инфраструктуру, возможность проведения регулярного технического обслуживания.

К данной группе относятся следующие требования:1) Места размещения ПКЗ должны находиться в зонах уверенного приема радиосигналов при организации связи ПКЗ - центр мониторинга по радиоканалам либо должны быть обеспечены надежной телефонной связью при организации связи по телефонным каналам;2) ПКЗ должны размещаться вне затапливаемых при паводках зон, вне зон осыпей;3) Должна быть обеспечена защита ПКЗ от вандализма;4) Должна быть обеспечена возможность подвода электропитания;5) Должны быть построены подъездные пути для транспорта, достаточно удобные в любое время года (посещения ПКЗ необходимы с целью технического обслуживания и ремонта, ликвидации пожара, в случае проникновения в ПКЗ посторонних лиц);6) Должны быть приняты специальные проектные и инженерные решения, обеспечивающие надежную работу информацйонно-измерительной сети в целом, включая необходимое дублирование оборудования. В частности, размещение ПКЗ должно быть выбрано таким образом, чтобы в случае отказа одного из ПКЗ информативность сети оставшихся работоспособными ПКЗ была максимально высокой и др.

Г. Стоимостные требования: минимизация стоимости изготовления, развертывания, монтажа и эксплуатации информационно-измерительной сети и необходимой для ее работы инфраструктуры.

4.3. Информативность размещенияПод информативностью измерительной сети СМА понимается способность измерительной сети (ИИС) поставлять измерительную информацию в объеме, достаточном для решения системой поставленных перед нею задач. Конкретные критерии информативности разнообразны и могут, например, означать возможность по данным совокупности измерений-контролировать уровень загрязнения в населенных пунктах или;-идентифицировать появление зон высоких концентраций на территории, или -идентифицировать отсутствие зон высоких концентраций или; -контролировать уровень загрязнения атмосферного воздуха, создаваемый фоновыми по отношению к предприятию источниками или;-контролировать величину вклада выбросов предприятия в загрязнение атмосферного воздуха на территории (в частности, возможность говорить об отсутствии высоких уровней загазованности атмосферы в населенных пунктах по вине предприятия) или;-говорить об отсутствии мощных выбросов на предприятии и др.

Проиллюстрируем зависимость информативности ИИС от ряда факторов. Пусть СМА должна сообщать принимающим решения лицам о возникновении в населенном пункте (расположенном на контролируемой территории) высоких уровней загрязнения атмосферного воздуха по вине предприятия. Пусть СМА работает по следующему алгоритму: сигнал тревоги выдается, если хотя бы один из ПКЗ зафиксировал концентрацию загрязняющего вещества, превышающую пороговое значение концентрации 1 ПДКмр. Пусть газоанализаторы, используемые на ПКЗ, имеют нижний порог измерений, который меньше значения 1 ПДКмр. Рассмотрим несколько ситуаций.

Ситуация 1. Пусть при определенных условиях (залповый выброс, неблагоприятные метеоусловия и т.п.) факел высоких концентраций накрыл населенный пункт, создав в атмосферном воздухе на его территории высокие концентрации загрязняющих веществ.

Пусть в местах размещения всех ПКЗ концентрация будет менее нижней границы диапазона измерений газоанализаторов (см. рис. 4.3.1). В этом случае ни один из ПКЗ не даст в СМА никакой информации о наличии загрязняющих веществ в точке своего размещения. Соответственно, сигнал тревоги не может быть выдан и не будет выдан, и СМА не справится с поставленной перед ней задачей. Описанную ситуацию можно охарактеризовать как «прорыв» («проскок») облака высоких концентраций в контролируемую область, минуя ПКЗ.

Пусть при тех же условиях (рис. 4.3.1) в местах размещения ПКЗ концентрация загрязняющего вещества в атмосфере будет больше нижней границы диапазона измерений, но меньше 1 ПДК. В этом случае ПКЗ передут в систему полезную информацию. Однако, алгоритмы обработки информации не позволят системе распознать факт возникновения высоких концентраций ("уровень сигнала" будет недостаточен для срабатывания системы). В итоге, сигнал тревоги также не будет114выдан, и СМА не выполнит своей основной задачи. Ситуацию так же можно охарактеризовать, как прорыв облака высоких концентраций в контролируемую область. (Заметим, что при изменении алгоритма обработки данных в системе, сигнал тревоги мог бы быть выдан и система выполнила бы свою задачу.)При условиях рис. 4.3.1 СМА выполнит свою задачу только в том случае, если в точке расположения хотя бы одного ПКЗ концентрация загрязняющих веществ окажется выше 1 ПДК.

Ситуация 2. Зона высоких концентраций загрязняющих веществ не захватывает населенных пунктов, однако захватывает места расположения одного или нескольких ПКЗ (см. рис. 4.3.2). В этом случае система ЭМ выдаст сигнал тревоги несмотря на то, что в населенных пунктах нет опасных концентраций. Тем самым система ЭМ опять не выполнит свою основную задачу, поскольку выдаст ложный сигнал тревоги.

Приведенные примеры показывают, что:- СМА способна правильно информировать о возникновении на территории тяжелой ситуации лишь в том случае, если при возникновении этой ситуации (а) измерительные элементы ИИС регистрируют ее и (б) получаемый от ИИС сигнал правильно интерпретируется системой либо как тяжелая ситуация, либо как отсутствие тяжелой ситуации.- информативность ИИС зависит от пространственного распределения концентрации загрязняющего вещества на территории. Одно и то же размещение ПКЗ может быть информативным в одном случае и неинформативным в другом случае.

Нашей целью является выработать подход к оценке информативности размещения ПКЗ. Информативность базируется на наличии соответствия между информацией, поступающей от измерительной сети СМА и реальной экологической ситуацией на территории. Информативность сети зависит от- назначения СМА,- возможных распределений концентраций загрязняющих веществ на территории,- алгоритмов обработки измерительной информации в системе,- размещения ПКЗ на территории,- диапазонов измерений и чувствительности установленных на ПКЗ газоанализаторов.

ПКЗ 1Источник выбросаконцентрации С>1 ПДКПКЗ 2Рис. 4.3.1. Иллюстрация информативности размещения. Ситуация 1. Сеть ПКЗ (ПКЗ 1 и ПКЗ 2) не регистрирует возникновения высоких концентраций в населенном пункте.концентрацийС>1 ПДКРис. 4.3.2. Иллюстрация информативности размещения. Ситуация 2. Сеть ПКЗ (ПКЗ 1 и ПКЗ 2) выдает ложную информацию о возникновении высоких концентраций высоких концентраций в населенном пункте.

Одним из наиболее существенных факторов, влияющих на информативность ИИС, является размещение измерительных звеньев на территории, поэтому говорят об информативности размещения.

Все дальнейшее содержание этого раздела и следующий раздел будут посвящены установлению количественных соотношений между значениями концентрации загрязняющих веществ в точках размещения ПКЗ и значениями концентрации загрязняющих веществ в различных точках территории. Установление этих соотношений будет базироваться на расчетах значения концентрации загрязняющих веществ в точках территории и в местах расположения ПКЗ. Расчеты концентраций могут проводиться по Гауссовой модели, описанной в третьей главе.

Как было показано в главе 3, распределения концентраций загрязняющих веществ на территории определяются действующими источниками выбросов и метеопараметрами. Соответственно, задание всех режимов, в которых могут работать источники выбросов и всех метеопараметров, которые могут складываться на территории, определяет всевозможные распределения концентраций загрязняющих веществ на территории.

В случае рассмотрения источников выбросов предприятия, анализ данных опараметрах источников выбросов позволяет выделить семейство технологическихрежимов, характеризующиеся различным составом действующих источников выбросови/или мощностью этих источников. Совокупность всех источников выбросов,действующих при заданном технологическом режиме, и параметры этих источниковбудем называть технологическим набором. Задание технологического набораполностью определяет состав и параметры всех одновременно действующихисточников выбросов. Работе предприятия в установившемся нормальном режимемогут соответствовать один или несколько технологических наборов, которыеназываются стационарными. Залповые технологические наборы соответствуют работеисточников выбросов в режимах, которые остаются неизменными в течениенепродолжительного времени. В этих режимах производятся залповые выбросы:технологические, пусковые, аварийные и др. Каждый технологический набор, крометого, характеризуется вероятностью своего возникновения. Стационарныетехнологические наборы характеризуются высокими вероятностями возникновения,залповые - низкими вероятностями. Совокупность всех возможных стационарных изалповых технологических наборов называется множеством технологических наборов.

Это множество полностью характеризует всевозможные режимы работы источниковвыбросов. (Режимы работы источников выбросов, не включаемые в множество117технологических наборов, возникают крайне редко, и не учитываются при проектировании СМА.)Метеопараметры на территории будем характеризовать скоростью и направлением ветра, температурой и состоянием устойчивости атмосферы (классом устойчивости, см. главу 2). Каждому набору метеопараметров соответствует вероятность его возникновения на территории. Для территории можно ввести множество возможных значений метеопараметров. Метеопараметры, не входящие в это множество, возникают на территории редко, и не учитываются при проектировании СМА.

Таким образом, совокупность возможных технологических наборов и совокупность возможных значений метеопараметров задают ту совокупность всевозможных распределений концентраций на территории, для контроля которой проектируется СМА. Каждое пространственное распределение характеризуется частотой возникновения.

Информативность будет характеризоваться с помощью различных критериев, каждый из которых характеризует выполнение каких-либо аспектов информативности. Эти критерии будут использоваться для того, чтобы сравнивать различные варианты размещения между собой, находить «слабые места» в информативности конкретных вариантов размещения. Все введенные критерии будут формальными, т.е. их значение будет вычисляться по заданному четкому правилу. В настоящем разделе будут рассмотрены лишь типы используемых критериев и различные виды их представления. Сами критерии будут введены в разделе 4.4.

Предлагается два типа критериев. Один тип критериев характеризует соотношения между значениями концентраций в местах размещения ПКЗ и значениями концентраций в отдельных точках территории. Такие критерии будем называть дифференциальными. Дифференциальные критерии принимают некоторое значение в каждой точке территории. Другой тип критериев характеризует соотношения между значениями концентраций в местах размещения ПКЗ и некоторыми интегральными оценками распределений концентрации загрязняющих веществ на территории. Такие критерии будем называть интегральными. Интегральный критерий принимает некоторое значение сразу для всей территории.

Дифференциальные критерии могут иметь картографическое представление и параметрическое представление.

Картографическое представление предполагает, что территория разбивается набольшое количество покрывающих ее целиком компактных фрагментов(прямоугольников, квадратов и т.п.). Для каждого фрагмента (в предельном случае для118каждой точки) рассчитывается значение некоторого критерия информативности размещения (например, одного из приведенных в разделе 4.4). В результате получается карта выполнения требования информативности оцениваемым размещением ПКЗ. Данный способ представления критерия в общем случае, не является упорядочивающим, однако позволяет наглядно оценить степень выполнения требований для различных точек территории и, в ряде случаев, позволяют легко найти способы модификации оцениваемого размещения ПКЗ с целью его улучшения.

Параметрическое представление критерия определяет распределение выражаемой критерием степени выполнения требований информативности по отношению к значению некоторого существенного параметра, характеризующего территорию. Критерий представляется в виде функции распределения значения критерия от этого параметра. Например, если в качестве такого параметра взять долю площади зоны контроля, то результатом является распределение, показывающее на какой доле территории зоны контроля значения критерия меньше (больше) некоторого значения (см. табл. 4.3.1).

Табл. 4.3.1Доля площади зоны контроля Значение критерия0.23 <0.30.58 <0.50.87 <1.30.92 <1.8В качестве параметров при представлении дифференциальных критериев мы будем использовать только два параметра: площадь контролируемой территории (долю площади контролируемой территории) и число жителей, проживающих на контролируемой территории (долю населения зоны контроля).

Последним вопросом, который мы рассмотрим перед тем, как перейти к формализации, явялется вопрос о зоне территории, в пределах которой следует оценивать информативность размещений ПКЗ. Мы исходим из того, что зона, в пределах которой следует проводить расчет критериев определяется границами той территории, в пределах которой возможно возникновение загрязнения, приводящего к тем или иным негативным процессам. Назовем эту зону «зоной контроля».

Введем обозначения:X— контролируемая территория (область на местности);

Заключение Диссертация по теме "Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ", Петрулевич, Андрей Александрович

5.4. Выводы по главе

В пятой главе диссертации рассмотрены вопросы внедрения развитых в диссертации подходов , методов и программных средств в практику создания системы мониторинга атмосферного воздуха крупннейшего предприятия добычи и транспорта газа ООО «Астраханьгазпром».

Разработанные в диссертации методический подход к размещению на территории постов контроля загазованности (ПКЗ) систем мониторинга атмосферного воздуха, и программный комплекс «ПОСТ», реализующий этот подход были применены к проектированию реконструкции информационно-измерительной сети системы мониторинга атмосферы ПЭМ предприятия. Постренная сеть содержит 14 ПКЗ, вместо 28 ПКЗ, входивших в измерительную сеть по исходному проректу. Построенный вариант размещения сети (с незначительными изменениями) прошел согласование Центра государственного санитарно-эпидемиологического надзора в Астраханской области и Государственного комитета по охране окружающей среды Астраханской области. Разработанный на основе этого размещения проект реконструкции системы производственного экологического мониторинга ООО «Астраханьгазпром» получил положительный отзыв Госэксперйгзы.

Разработанный в диссертации геоинформационно-моделирующий комплекс (глава 2 диссертации) и реализованные в нем модели модели расчета пространственных распределений концентраций загрязняющих веществ (глава 3 диссертации) были внедрены в систему мониторинга атмосферного воздуха Астраханского газохимического комплекса в рамках архитектуры, разработанной в главе 2 диссертации.

СМА АГХК прошла экспертизу Главной геофизической обсерватории им Воейкова и допущена к использованию в качестве ведомственной системы мониторинга загрязнения атмосферы

Глава 6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В решении проблемы обеспечения экологической безопасности объектов газовой промышленности и зон их ответственности важная роль принадлежит системам производственного экологического мониторинга (ПЭМ). Диссертация посвящена вопросам создания систем мониторинга атмосферного воздуха (СМА) в зонах ответственности объектов добычи и транспорта газа, разработке алгоритмов и программ математического моделирования экологической обстановки в системах СМА, а также разработке алгоритмических и программных средств, обеспечивающих обоснованное сокращение измерительной сети и выбор ее рациональной конфигурации.

В диссертации разработаны:

- принципы построения и архитектура СМА, схемы обработки данных в СМА; технология и инструментальные программные средства реализации математического моделирования в СМА.

- математические модели, алгоритмы и программы расчета пространственных распределений концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, ориентированные на использование в составе СМА

- методический подход к размещению постов контроля загазованности атмосферного воздуха (ПКЗ) систем мониторинга атмосферы, основанный на моделировании процессов распространения загрязняющих веществ в атмосферном воздухе; программные средства для построения рационального размещения сети ПКЗ при проектировании СМА.

Полученные в диссертации результаты по указанным направлениям исследования, опробованные в ходе создания СМА системы производственного экологического мониторинга ООО «Астраханьгазпром», расширяют возможности создания автоматизированных систем мониторинга атмосферного воздуха на предприятиях добычи и транспорта газа, позволяют сократить затраты на их создание и повысить эффективность эксплуатации.

Одной из важнейших задач, стоящих в области разработки и создания систем мониторинга атмосферного воздуха, является увеличение объема, улучшение качественного состава и надежности информации, поставляемой СМА своим пользователям, без расширения информационно-измерительной сети СМА. С этой целью в технологическую схему обработки информации в СМА предложено включить математическое моделирование. Математические модели должны использовать в качестве исходных данных для расчетов как измерительную информацию, поступающую от сети СМА, так и априорно известную информацию о территории, занесенную в базы данных системы заранее. Результаты моделирования должны повышать эффективность анализ измерительной информации, а так же обеспечивать управление работой информационно-измерительной сети СМА в соответствии со складывающейся на территории экологической ситуацией.

Исходя из этого положения, опираясь на опыт развития систем мониторинга за рубежом и в нашей стране, в диссертации проведен анализ технологии обработки информации в СМА. Предложена схема включения математического моделирования в технологическую цепочку обработки информации в СМА, обеспечивающая высокую гибкость обработки информации в системе. Обоснована необходимость реализации математического моделирования экологических процессов в картографической среде.

Разработана технология обработки информации при моделировании в картографической среде. На ее основе разработан геоинформационно-моделирующий комплекс (ГМК) - программное средство, предназначенное для решения задач математического моделирования в СМА. ГМК состоит из геоинформационной оболочки, обеспечивающей обработку картографической информации, и модулей решения задач моделирования. Оболочка поддерживает ведение баз данных картографической и фактографической информации и реализует интерфейс пользователя. Модули математического моделирования вызываются из программной оболочки, получают доступ к данным, проводят расчет и помещают результаты расчета в базы данных ГМК. Визуализация результатов расчета производится средствами геоинформационной оболочки. Взаимодействие математических модулей с оболочкой идет в рамках унифицированного интерфейса, чем обеспечивается простота подключения к ГМК вновь создаваемых модулей.

Созданный ГМК позволяет решать широкий круг задач математического моделирования экологических процессов на территории и ориентирован на использование в составе СМА.

В диссертации разработаны математические модели, предназначенные для использования при работе СМА.

Модели используют в качестве исходных данных измерительную информацию о состоянии и качества атмосферного воздуха, а также условно постоянную информацию о территории. Результаты расчетов - пространственные распределения концентраций загрязняющих веществ.

Рассмотрено две математические модели оперативной оценки распределения разовых концентраций загрязняющих веществ на базе измерительных данных, предназначенные для применения в цикле обработки информации в СМА. Первая модель обеспечивает решение т.н. прямой задачи. Расчет опирается на измеренные значения метеопараметров, а также на данные о мощностях выбросов действующих источников. Вторая модель позволяет оценить распределение разовых концентраций загрязняющих веществ по данным точечных измерений уровня загазованности. Алгоритмы решения задач основано на использовании Гауссовой модели рассеяния загрязняющих веществ в атмосфере. Необходимые для расчетов по моделям исходные данные оперативно поступают от информационно-измерительной сети СМА.

Предложены математические модели расчета пространственных распределений средних концентраций загрязняющих веществ за заданный период времени. Расчеты по моделям проводятся в системе мониторинга периодически для получения интегральной нагрузки на территорию. Рассматриваются две модели данного класса. Первая использует в качестве исходных данных временные ряды метеопараметров, измеренных в отдельных точках территории. А вторая основывается на поступающих в СМА данных точечного контроля метеопараметров и концентраций загрязняющих веществ за некоторый период. Алгоритмы решения задач основаны на использовании метода расчета средних концентраций, разработанного в ГГО им. Воейкова.

Модели, так же как и первые две, различаются между собой различным объемом необходимой для решения измерительной информации.

Предложенные модели программно реализованы в составе ГМК.

Разработанные модели и средства их реализация в рамках ГМК оперируют с точечными исходными данными и обеспечивают возможность получения на их основе целостной картины протекания экологических процессов на территории. Это позволяет повысить эффективность обработки получаемой системой измерительной информации.

В диссертации решена актуальная задача рационального размещения на территории автоматических постов контроля загазованности атмосферного воздуха при проектировании СМА.

Решение этой задачи базируется на понятии информативности информационно-измерительной сети (ИИС) системы. Информативность определяется как способность ИИС поставлять измерительную информацию в объеме, достаточном для решения поставленных перед системой задач. Она в значительной степени зависит от размещения элементов сети - постов контроля загазованности атмосферного воздуха (ПКЗ). Информативность размещения ПКЗ оценивается путем установления количественных соотношений между значениями концентрации загрязняющих веществ в точках размещения ПКЗ и значениями концентрации загрязняющих веществ в произвольной точке территории.

Предложен ряд новых количественных критериев, позволяющих оценивать информативность размещения ПКЗ. Критерии могут быть представлены в наглядной картографической форме. Разработан алгоритм построения рационального размещения, базирующийся на использовании предлагаемых критериев. Возможные варианты размещения строит человек (проектировщик системы). Предложенные варианты оцениваются с помощью разработанных в диссертации критериев. По результатам оценок варианты размещения сравниваются между собой, и неудачные варианты отбрасываются. Оставшиеся варианты анализируются с целью выявления их недостатков («узких мест»). Анализ проводится на основе картографической формы представления критериев. На основе анализа проектировщик строит новые варианты размещения, лишенные выявленных недостатков. В результате последовательности шагов формируется множество рациональных вариантов размещения ПКЗ на территории. Эти варианты оцениваются проектировщиком, после чего производится выбор окончательного варианта размещения. Использование алгоритма обеспечивает минимизацию количества ПКЗ в построенном размещении при сохранении высокой информативности информационно-измерительной сети.

Для построения рациональных размещений ПКЗ систем мониторинга атмосферного воздуха по описанному алгоритму, в диссертации разработан диалоговый программный комплекс «Пост», обеспечивающий полных цикл операций данного алгоритма. Для его создания применены структурные решения, развитые при разработке автором геоинформационно-моделирующего комплекса (ГМК).

Разработанный в диссертации подход к размещению и его программная реализация одобрены Государственным комитетом РФ по охране окружающей среды. Отзыв Комитета содержит следующую оценку: «Методический подход может быть использован при проектировании измерительной сети систем мониторинга в окрестностях предприятий, которые могут давать залповые выбросы, приводящие к возникновению в атмосферном воздухе высоких концентраций загрязняющих веществ. Методический подход может быть положен в основу разработки отраслевой методики определения мест размещения постов контроля загазованности атмосферного воздуха в системах мониторинга атмосферного воздуха» (письмо Заместителя начальника Управления анализа и программного обеспечения природоохранной деятельности Государственного Комитета РФ по охране окружающей среды Новоселовой О.А. № 161-10/242 от 07.07.99).

Все рассмотренные в диссертации системные вопросы и предложенные методы их решения доведены до практических схем и технологий, и реализованы в виде комплексов алгоритмов и программ, предназначенных для использования при проектировании и эксплуатации СМА. С их помощью выполнены работы по созданию системы ПЭМ одного из крупнейших предприятий отрасли - ООО «Астраханьгазпром».

Разработанный в диссертации методический подход к размещению постов контроля загазованности при создании систем мониторинга атмосферного воздуха и программный комплекс «Пост» использованы при проектировании информационно-измерительной сети мониторинга атмосферы ПЭМ ООО «Астраханьгазпром». Разработанная схема размещения вместо 28 предусмотренным предыдущим проектом ПКЗ содержит 14 ПКЗ. Показано, что данное размещение обладает достаточной информативностью. Схема размещения прошла согласование Центра государственного санитарно-эпидемиологического надзора в Астраханской области и Государственного комитета по охране окружающей среды Астраханской области. Разработанный на основе этой схемы проект реконструкции системы ПЭМ предприятия «Астраханьгазпром» получил положительное заключение государственной экологической экспертизы.

Разработанный в диссертации геоинформационно-моделирующий комплекс и реализованные модели расчета пространственных распределений концентраций загрязняющих веществ были включены в программное обеспечение СМА ООО «Астраханьгазпром» и используются в контуре обработки данных системы. СМА прошла экспертизу Главной геофизической обсерватории им Воейкова. Заключением экспертизы разрешается использование системы СМА ООО «Астраханьгазпром» в качестве ведомственной, и допускается использование информации, полученной с помощью системы, для контроля влияния промышленных выбросов предприятия на жилые зоны и для слежения за загрязнением атмосферы в случае аварийных ситуаций.

Созданные в ходе работы над диссертацией алгоритмические и программные средства разработаны как универсальные и могут быть использованы при проектировании и при разработке СМА в системах ПЭМ предприятий добычи и транспорта газа.

Основные научные результаты, полученные в диссертации:

1. Разработана архитектура и схема функционирования СМА. Определена роль задач математического моделирования экологической обстановки на этапах создания и функционирования СМА. Разработана технология включения математического моделирования в цепочку обработки информации в СМА.

2. Поставлена и решена задача создания интегрированной технологии решения задач математического моделирования в геоинформационной среде. Разработана архитектура геоинформационно-моделирующего комплекса (ГМК), реализующего такую технологию.

3. Поставлена задача создания комплекса алгоритмов и программ рационального размещения постов информационно-измерительной сети СМА. Введено понятие информативности измерительной сети. Предложен подход к решению данной задачи на основе расчета и сопоставления ряда критериев информативности измерительной сети.

4. Разработано семейство новых критериев, характеризующих информативность измерительной сети СМА при решении системой задач обеспечения экологической безопасности; разработан и программно реализован алгоритм решения задачи размещения постов на базе построенных критериев.

5. Поставлена и решена задача пространственной реконструкции распределений разовых концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе по результатам выполненных СМА точечных измерений уровней загазованности и метеопараметров на территории. Разработаны и программно реализованы новые алгоритмы решения этой задачи с целью оценки уровня загазованности на территории на базе имеющейся измерительной информации.

6. Разработан и программно реализован новый алгоритм получения гладких пространственных распределений на территории средних значений атмосферных концентраций по данным точечных наблюдений метеопараметров и наблюдений за качеством атмосферного воздуха.

Дальнейшие исследования в области внедрения математического моделирования в СМА должны быть посвящены разработке алгоритмов для моделирования процессов рассеяния залповых выбросов в атмосфере, алгоритмов реконструкции полей направления и скорости ветра по результатам измерений и расчета на их основе полей рассеяния загрязняющих веществ от заданных источников, и разработке программного обеспечения для решения перечисленных задач в реальном времени.

В заключении автор желает выразить благодарность научному руководителю работы д.т.н., проф. Г.А.Ярыгину, научному консультанту работы д.т.н., проф. Г.Э Одишария, к.т.н. В.М.Темкину, к.т.н. В.И.Равиковичу за помощь в ходе научной работы, в ходе оформления диссертации, при решении организационных вопросов, возникавших во время работы. Без их поддержки работа не могла бы быть выполнена и не приобрела бы законченных форм диссертации. Автор хотел бы выразить благодарность П.А. Петрову, который увидел рациональное зерно в идеях построения рациональных размещений ПКЗ на территории и поддержал разработку этого подхода. Также, автор желает поблагодарить коллег по работе за поддержку и благожелательное отношение.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Петрулевич, Андрей Александрович, Москва

1. Алексеев П.Д., Бараз В.И., Гридин В.И. Охрана окружающей среды в нефтяной промышленности. М. 1994.

2. Артемов, Бондарев и др. Допустимые выбросы радиоактивных и вредных химических веществ в приземный слой атмосферы. М. Атомиздат, 1980.

3. Баранова Н.С., Бурцев В.А., Красильникова И.Г. и др. Векторизация тексто-графических изображений. -ГИС-обозрение, 1995, N1, с. 17-19.

4. Берлянд М.Е. Современные проблемы гидрометеорологии и загрязнения атмосферы. JI: Гидрометеиздат, 1982.

5. Берлянд М.Е., Генихович E.JL, Канчан Я.С. и др. О расчете среднегодовых концентраций примеси в атмосфере от промышленных источников. Труды главной геофизической обсерватории им А.В. Воейкова. Вып. 417. JL, 1979.

6. Берлянд М.Е., Генихович E.JL, Чичерин С.С. Теоретические основы и методы расчета поля среднегодовых концентраций примесей промышленных источников. Труды главной геофизической обсерватории им А.В. Воейкова. Вып. 479. Д., 1984.

7. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. J1. 1975.

8. Борисов А. Инструментальные средства разработчика ГИС-приложений.-Computerworld, 1995, N15, с. 14.

9. Босняцкий Г.П., Гриценко А.И., Седых А.Д. Проблемы экологического мониторинга в газовой промышленности. М. 1993.

10. Босняцкий Г.П. Природный газ и сероводород. Справочное пособие. М. 1998.

11. Босняцкий Г.П., Белов Н.С. Концепция безопасного развития газовой индустрии. Безопасность труда в промышленности, 1991, № 10.

12. Брукс К., Карузерс Н. Применение статистических методов в метеорологии. Гидрометеоиздат, JL, 1965

13. Буссингер и др. Атмосферная турбулентность и моделирование распространения примесей. М. 1985.

14. Вызова H.JI. "Рассеяние примеси в пограничном слое атмосферы". М., Гидрометеоиздат, 1974.

15. Вызова H.JI. Методическое пособие по расчету рассеяния примесей в пограничном слое атмосферы по метеорологичемким данным. М., Гидрометеоиздат, 1973.

16. Вызова Н.Л., Гаргер Е.К., Иванов В.Н. Диффузия от точечного источника конечного времени действия. Известия АН СССР, сер. «Физика атмосферы и океана», № 7, 1969.

17. Гвоздев Г.П., Гриценко А.И., Корнилов А.Е. Эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений. Справочное пособие. М. 1988.

18. Генихович Е.Л. К вопросу применимости гауссовой модели для расчета загрязнения воздуха. Труды ГГО № 450, 1982.

19. Генихович Е.Л., Осипова Г.И. Определение коеффициента турбулентности по данным стандартных метеорологических наблюдений. Труды ГГО № 479, 1984.

20. Гигиенические требования к охране атмосферного воздуха населенных мест. СанПиН 2.1.6.575-96. М. 1997.

21. Гладских А.И., Козлов Ю.В., Комаров B.C., Горбунова М.И. Метод оптимального размещения сети контрольно-замерных станций при контроле загрязнения воздуха промышленного города, 1980.

22. Горстко А.Б., Сурков Ф.А. Математика и проблемы сохранения природы. М.: Знание, 1975.- 62 с.

23. Гриценко А.И., Акопова Г.С., Максимов В.М. Экология. Нефть и газ. М. 1998.

24. Допустимые выбросы радиоактивных и вредных химических веществ в приземный слой атмосферы. Под редакцией Е.Н. Теверовского и И.А. Терновского. М: Атомиздат,1980.

25. Едигаров А.С. Метод расчета зоны поражения при аварийных выбросах токсичного газа. Российский химический журнал, 1995, т.39, № 2.

26. ЕК НТД 38.220.56-84 Том 1. Безопасность в атомной энергетике. Часть 1. Общие положения безопасности АЭС. Методы расчета распространения радиоактивных веществ с АЭС и облучения окружающего населения. М. Энергоатомиздат, 1984.)

27. Защита атмосферы от промышленных загрязнений. Справочник. М.Металлургия, 1988.

28. Згуровский М.З., Корбич Ю.С., Пармасте И.И. Оптимальное размещение контрольно-измерительных датчиков в задачах прогноза загрязнения воздушного бассейна. Хим. технология. № 2, 1987.

29. Зилитинкевич С.С. Динамика пограничного слоя атмосферы. Гидрометеоиздат, Л., 1970.

30. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. М.: Гидрометиздат,- 1976. 560 с.

31. Инструкция о порядке рассмотрения, согласования и экспертизы воздухоохранных мероприятий и выдачи разрешений на выброс загрязняющих веществ в атмосферу по проектным решениям ДНД1-84 Госгидромет. М.: Гидрометеоиздат, 1984.

32. Информационные материалы фирмы ARIA, 1996.

33. Информационные материалы фирмы ATS, 1996.

34. Информационные материалы фирмы INDIC, 1997.

35. Информационные системы общего назначения.- М.: Финансы и статистика, 1975.-417с.

36. Каган Б.М., Каневский М.М. Цифровые вычислительные машины и системы.-М., "Энергия", 1985.

37. Кинстон П. Использование и обработка данных. Введение в сводное сообщение "Новые идеи в географии". С6.2.-М.: Прогресс, 1976.- С.128-133.

38. Клименко Е.Т., Максимов В.М. Критерий оптимизации размещения низовой сети промышленного мониторинга атмосферы. Газовая промышленность №6, 1997.

39. Клименко Е.Т., Максимов В.М., Дедиков Е.В. Оптимальное размещение ПКЗ атмосферы. Газовая промышленность № 4, 1999 г.

40. Клименко Е.Т., Максимов В.М., Дедиков Е.В. Эффективность системы ПЭМ при контроле за выбросами нескольких вредных веществ. Газовая промышленность №1, 1998.

41. Колтыпин С.И., А.А.Петрулевич. Автоматизированные системы экологического мониторинга: интегрированный подход. СТА, 1997, N1, с. 26-31.

42. РФ, 19-20 апреля 1995. Ред.-изд. отдел ЦПК им Ю.А.Гагарина, Звездный городок, 1995г.

43. Колтыпин С.И., Петрулевич А.А. Задачи математического моделирования в системах регионального экологического мониторинга. Доклад на международном семинаре "Экологические катастрофы и средства их анализа", Уфа, 6-10 сентября 1993 г., Уфа 1993.

44. Комплексная научно-техническая Программа работ по созданию и внедрению системы производственно-экологического мониторинга объектов РАО "Газпром". 1 -ый этап (1997-2000 г.г.), М. 1997 г.

45. Кошкарев А.В., Каракин В.П. Региональные геоинформационные системы,- М.: Наука, 1982,- 126 с.

46. Крылова А.И., Рапута В. Ф., Сухотихин И.А. Планирование и анализ подфакельных наблюдений концентрации примеси в атмосфере. Метеорология и гидрология, 1993, N3, стр. 5-13.

47. Лайхтман Д.Л. Физика пограничного слоя атмосферы. Гидрометеоиздат, Л., 1970.

48. Львов Ю.В. Горская Г.А. О выборе критерия загрязнения станций контроля загрязнения воздуха. Тр. ГГО им. Воейкова. Вып. 477. Л., 1984.

49. Малышев В.Б. Дистанционные методы определения состояния и динамики геосистем.-М.:АН СССР, Ин-т географии, 1988.-С.244-260.

50. Марчук Г.И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. М.: Наука,- 1989. 320 с.

51. Математические модели контроля качества воды. Ред. А.Джеймс. Пер. с англ. под ред. Свирежева Ю.М. М. 1981.

52. Математическое моделирование. Процессы в сложных экономических и экологических системах.- М.: Наука, 1986. 296 с.

53. Махонько К.П. Метод выбора оптимального размещения пунктов отбора проб радиоактавных выпадений. Радиоактивность природной среды. Вып. 6(64). Тр. Инта экспериментальной метеорологии. Обнинск 1977.

54. Метеорология и атомная энергия. Пер. под ред. Бызовой Н.А. и Махонько К.П. Л. 1971.

55. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД -86, Л. Гидрометеоиздат, 1987.

56. Методика расчета параметров выбросов и валовых выбросов вредных веществ от факельных установок сжигания углеводородных смесей. М. ,РАО «Газпром», ВНИИГаз, ИРЦ Газпром, 1996.

57. Методические указания по проведению инвентаризации вредных выбросов ТЭЦ в атмосферу.- М: Союзтехэнерго, 1980.

58. Методические указания по прогнозированию загрязнения воздуха в городах с учетом метеоусловий РД 52.04.78-86.

59. Методические указания РД 52.04.52-85. Регулирование выбросов при неблагоприятных метеорологических условиях.

60. Мжанжубухоро Эммануэль Оргемин. Оптимальное размещение сети станций контроля загрязнения атмосферы в поле многих источников. Метеорологические прогнозы. Вып. 11. Рос. Гос. Гидрометеорологический институт, СПб. 1992.

61. Миллер С. Российский рынок программного обеспечения геоинформационных систем.-Computerworld, 1996, N6, с. 31-33.

62. Морачевский В.Г., Сергеев Ю.Н. Теоретические основы мониторинга природной среды. Тезисы докладов Международного симпозиума "Методы и средства мониторинга состояния окружающей среды МСОС-95". С.-Петербург, 25-28 апреля 1995.,

63. Наставления гидрометеорологическим станциям и постам. Вып. 3, JI. Гидрометеоиздат, 1995.

64. Основные направления в решении проблемы экологического риска топливно-энергетического комплекса. М. ВНИИГАЗ 1994.

65. Охрана окружающей среды. Модели управления чистотой природной среды /Под ред. К.Г.Гофмана и А.А.Гусева М.: Экономика,- 1977.- 222 с.

66. Пененко В.Ф., Рапута В.Ф., Быков А.В. Планирование эксперимента в задаче оценки мощности источника примеси. Известия АН СССР, ФАО, 1985, N 6, с. 913920.

67. Попов Г.Е., Петряшин А.Ф., Лысяный Г.К. Охрана окружающей среды на предприятиях нефтяной и газовой промышленности. М. 1986.

68. Примак А.В. О некоторых общих вопросах оптимального проектирования систем контроля управления качеством воздушной среды. Проблемы контроля и защиты атмосферы от загрязнений. Вып. 10. Киев, 1984.

69. Примак А.В., Кафаров В.В., Качиашвили К.И. Системный анализ контроля и управления качеством воздуха и воды. Киев, Наукова думка 1991.

70. Примак А.В., Щербань А.Н., Сорока А.С. Автоматизированные системы защиты воздушного бассейна от загрязнения. Киев, Техника, 1988

71. Производственный экологический мониторинг газовой промышленности. Технико-экономическое обоснование. Книги 1-10. АООТ «Гипроспецгаз» РАО «Газпром», С-Пб., 1994- 1995.

72. Пэнтл Р. Методы системного анализа окружающей среды. М.:Наука, - 1979.- 214 с.

73. Разработать и согласовать методику расчета приземной концентрации загрязняющих веществ для объектов РАО ГАЗПРОМ. МП Центр экологических исследований. Отчет по договору № 207/94 с РАО ГАЗПРОМ, С.-Пб., МП Центр экологических исследований, 1995.

74. Разработать методику расчета вредных примесей для случая аварийных ситуаций. Отчет ВНИИГАЗ, М., ВНИИГАЗ, 1991.

75. Разработать методику расчета расстановки датчиков системы контроля загрязнения атмосферы в районе прохождения трубопроводов сернистого газа. Отчет ВНИИГАЗ, М.: ВНИИГАЗ, 1992.

76. Рапута В.Ф., Крылова В.И. Обратная задача получения оценок параметров источника примеси в пограничном слое атмосферы. Метеорология и гидрология, 1995, N3.

77. Ремизов В.В., Седых А.Д., Вольский Э.Л., Куликов Б.Б., Ломако П.М. Основные направления научно-технической политики РАО "Газпром".Газовая промышленность, май 1998.

78. Руководство по контролю загрязнения атмосферы, РД 52.04.186 -89 . М. 1991.

79. Руководство по контролю загрязнения атмосферы. Л. Гидрометеоиздат 1979.

80. Руководство по контролю качества атмосферного воздуха в городах. М.: Медицина 1980,

81. Сафонов B.C., Одишария Г.Э., Швыряев А.А. Теория и практика анализа риска в газовой промышленности. М. 1996.

82. Сеттон О.Г. Микрометеорология. Гидрометеоиздат, Л., 1958.

83. Совокупность работ по системе RAISON, разработанной в National Water Research Institute (Canada).

84. Стратегия развития газовой промышленности России. М. Энергоатомиздат, 1997.

85. Схема размещения пунктов измерительной сети мониторинга атмосферного воздуха системы ПЭМ АГК. Технические предложения. Научно-производственная фирма ДИЭМ, М., 1998.

86. Теверовский Е.Н., Дмитриев Е.С. Перенос аэрозольных частиц турбулентными потоками. М: Энергоатомиздат, 1988

87. Трофимов A.M., Панасюк М.В. Геоинформационные системы и проблемы управления окружающей средой.- Казань: Изд-во КГУ, 1984,- 142с.

88. Туманова Н.А. Автоматизированные системы контроля качества окружающей среды.-СП "Интерквадро", 1989.

89. Щербань А.Н., Примак А.В., Копейкин В.Н. Автоматизированные системы контроля загрязнения воздуха. Киев, Техника, 1979.

90. Ярыгин Г.А., Петрулевич А.А., Хоанг Вьет Зао Размещение информационно-измерительной сети системы мониторинга атмосферного воздуха в целях контроля экологической безопасности. М. ИПМ им. М.В.Келдыша РАН, Препринт № 13 за 1999 г.

91. Air Pollution Modelling and Its Applications VII. Ed. Han Van Dop. "NATO Challenges of Modern Society", Plenum Books, 1989.

92. Arc/Info concepts. ESRI, 1994.

93. Atmospheric Environment, 1991, v.25 A, #2, pp. 469-479.

94. EPPL 7 Version 7. EPPL7 Cordinator Land Management Information Center USA.

95. G.Jolankai. State of the art report on hydrological, chemical and bioligical processesof contaminant transformation and transport in river and lake systems. UNESCO. Paris, 1992.

96. Grandlaude Pn. Information and processing some proposals for possible standardization of the schemes and terminology used for presentation of data files with emphasis of geochemical ones// Comput. and Geosci., 1979, 5, n.l, p.15-18.

97. Hosker R.P. Estimation of Dry Deposition and Plume Depletion over Forest and Grassland. C. 52 p. 291

98. Mark D.M. Phenomenon-based data-structuring and digital terrain modelling// Geo-Process., 1978, nl, p.27-36.

99. Pasquill F. The estimation of the dispersion of windborne material.// Meteorol. Mag. 1961 Vol. 9p.33 38.

100. Pasquill. Atmospheric Diffusion. Chichester: Ellis Horwood, 1974.

101. Sivertan A., Reinelt L., Castenson R. A GIS method to aid in non-point source critical area analysis. Int. J. Geographical Information Systems, 1988, vol.2, no.4, p.365-378.

102. Water Environment Research, Vol. 64, Number 4, 1992.

103. Water Pollition: Modelling, Measuring and Prediction. Eds. Wrobel L.C., Brebilla C.A. Elsevier, Computational Mechanics Publications. 1991.