Построение системы мониторинга окружающей среды

Для лучшего понимания процесса разработки и реализации системы мониторинга рассмотрим один из вариантов построения такой системы, структура которой включает в себя четыре функциональных блока:

• информационно-измерительная система на базе автоматизированных постов экологического контроля;
• передвижные посты экологического контроля (передвижные лаборатории на автомобилях и переносные индивидуальные приборы контроля);
• система коммуникаций между постами контроля;
• геоинформационная система, включающая в себя графические и тематические базы данных экологической направленности, системы моделирования, восстановления и прогноза полей экологических и метеорологических факторов и систему информационной поддержки принятия управляющих решений.

Информационно-измерительная система состоит из первичных постов экологического контроля, расположенных в ряде объектов, и центрального поста системы, в функции которого входит получение информации с распределенных первичных постов, ведение баз данных, поддержка технического и программного обеспечения.

Информационно-змерителъная система должна иметь модульную структуру и легко модернизироваться с учетом конкретных целей и задач.

В целом информационно-измерительная система должна иметь открытую архитектуру, что обеспечит ее необходимую комплектацию. Открытость системы базируется на известных принципах работы аппаратного и программного обеспечения IBM PC и на открытости архитектуры контроллера. Это позволяет разрабатывать дополнительные устройства для комплектации постов различными датчиками и программами первичной обработки информации.

Пост экологического контроля включает в себя наиболее доступные в настоящее время датчики для контроля окружающей среды: температуры, влажности, направления ветра, скорости ветра, загрязнения среды типа Т08812, гамма-излучения (радиационного излучения), газоанализаторы (стационарные и работающие в автоматическом режиме) и др.

Основой автоматизированного поста экологического мониторинга является контроллер (микропроцессорный блок), который выполняет следующие базовые функции:

• опрос датчиков поста экологического контроля с заданным временным интервалом между моментами измерения;
• запоминание информации с датчиков контроля во внутреннюю память с привязкой моментов измерения к реальному времени;
• сохранение информации при перебоях с питанием;
• выдача информации по каналу К8-232 на IBM PC по запросу;
• обмен информацией по модемной связи с внешними пользователями.

Все эти функции обеспечиваются аппаратным и программным способами.

Аппаратная часть представляет собой контроллер, выполненный на базе микропроцессора в отдельном корпусе с разъемами для подключения датчиков, телефонной пары проводов и разъема, например RS-232, для соединения с компьютером.

Структурная схема автоматизированного поста экологического контроля приведена на рис. 20.2. Пост контроля позволяет осуществлять наращивание системы с последующим расширением ее функциональных возможностей.

В качестве системы коммуникации может быть использована сеть Интернет и модемная связь. Кроме того, можно использовать радиомодемную связь.

Фундаментом информационного обеспечения системы являются данные о состоянии окружающей среды на объекте наблюдения. Такая информация может поступать как со стационарных автоматизированных постов непрерывного экологического контроля, так и с передвижных лабораторий. Поэтому для ее хранения разрабатываются базы данных различной  структуры.

Учитывая периодичность работы передвижных лабораторий и изменение районов исследований, получаемую информацию целесообразно хранить в виде таблиц, соответствующих датам проводимых исследований и содержащих адреса точек контроля, спектр и концентрации исследуемых загрязнителей, метеорологические условия при проведении измерений и др. На основе таких таблиц затем в геоинформационной системе (ГИС) создаются
карты точек измерений и восстанавливаются непрерывные поля
загрязнений.

Автоматизированные посты экологического контроля должны иметь постоянную адресную привязку, поэтому вся тематическая информация должна быть связана с одной и той же картографической основой. База данных, как правило, состоит из двух взаимосвязанных таблиц. Первая таблица содержит так называемую постоянную информацию справочного характера: адрес, сведения организационного характера (ответственные за функционирование первичного поста экологического контроля) и др. Вторая таблица содержит ежедневно пополняемую информацию, включающую в себя собственно данные наблюдений. В нее заносятся дата измерений и значения измеряемых факторов в определенные моменты времени. В базе данных фиксируются значения измерений, полученные в определенные часы (например, в 9, 12, 15 и
18 ч). Такой подход характерен тем, что такой же стандарт хранения данных принят в Гидрометеоцентре России.

На основе организованной таким образом информации строятся диаграммы и графики изменения метеорологических факторов или концентраций загрязнителей. Геоинформационная система позволяет также производить статистическую обработку результатов измерений за интересующие периоды времени. Кроме того, данные, получаемые со стационарных постов, позволяют также восстанавливать поля измеряемых факторов.

Все поступающие с автоматизированных постов контроля данные проходят предварительную обработку, включающую в себя оценку достоверности измеряемых параметров, в целях выявления грубых метрологических погрешностей и неисправностей измерительного оборудования, а также осуществляется форматирование данных для передачи их в геоинформационную систему и записи в соответствующие базы данных.

Для обработки данных используется программное обеспечение, позволяющее визуализировать данные измерений в табличном или графическом виде. Файлы данных в исходном виде хранятся в архиве системы.

Многие системы мониторинга включают в себя картографические и тематические базы данных по промышленным предприятиям региона (города), содержащие данные о структуре и объемах их выбросов и сбросов вредных веществ в окружающую среду. Такая информация используется при выявлении возможных виновников неблагоприятных экологических ситуаций.

В состав информационного обеспечения системы экологического мониторинга целесообразно включать специализированные программные средства для выполнения ситуационных и прогнозных расчетов распространения загрязняющих веществ от источников выбросов. Интеграция таких пакетов (например, сертифицированных отечественных программ НПП «Логус», «Призма», «Зеркало», «Облако» и др.) и ГИС открывает дополнительные
возможности для комплексного анализа экологической обстановки.

Повышение эффективности контроля и оперативное уточнение экологической обстановки осуществляются передвижными лабораториями, с помощью которых проводятся целенаправленные обследования, предназначенные для детального анализа состояния окружающей среды в отдельных районах города по заранее намеченной программе. Такие обследования позволяют выявлять наиболее негативные с точки зрения загрязнения районы, определять возможные источники негативных воздействий на окружающую среду и человека и т.д. По результатам дискретных измерений восстанавливаются непрерывные поля концентраций, позволяющие наиболее наглядно представить картину загрязнения окружающей среды в обследуемых регионах.

Автоматизированные и передвижные посты позволяют проводить комплексные оценки состояния окружающей среды с учетом воздействия нескольких негативных факторов различной природы.

Таким образом, система экологического мониторинга должна обладать широкими возможностями и открытой архитектурой, позволяющей наращивать мощность этой системы как в плане включения в нее новых постов экологического контроля, так и в плане оснащения этих постов дополнительным оборудованием.  Любая локальная система должна обладать возможностью быть
включенной в единую систему экологического мониторинга и использоваться соответствующими службами при выработке управляющих решений, направленных на обеспечение экологической безопасности населения.