Автоматизированная система аварийного и экологического мониторинга окружающей среды региона

Изобретение относится к области контрольно-измерительных систем и может быть использовано при конструировании систем аварийного и экологического, в частности радиационного, мониторинга окружающей среды. Сущность: система содержит стационарные и мобильные контрольные посты, центральный контрольный пункт. Каждый стационарный и мобильный пост включает блок предварительной обработки информации, блок шифрования, блок помехоустойчивого кодирования, блок аналоговых сообщений, приемопередатчик, блок управления, канал прямой и обратной связи. Каждый мобильный пост дополнительно содержит блок определения местоположения. Каждый приемопередатчик содержит задающий генератор, фазовый манипулятор, первый и второй смесители, усилитель первой промежуточной частоты, первый и второй усилители мощности, дуплексер, первый и второй гетеродины, блок помехоустойчивого кодирования, фазовый детектор, полосовой фильтр, перемножитель, усилитель второй промежуточной частоты. Каждый приемопередатчик контрольных постов дополнительно снабжен двумя блоками памяти, двумя блоками сравнения кодов, линией задержки и элементом ИЛИ. Технический результат: расширение функциональных возможностей. 8 ил.

 

Предлагаемая система относится к области контрольно-измерительных систем и может быть использована при конструировании систем аварийного и экологического мониторинга окружающей среды региона.

Известны системы аварийного и экологического мониторинга окружающей среды региона (патенты РФ №№2138126, 2145120, 2150126, 2210095, 2257598; Михья Э. и др. Системы радиационного мониторинга окружающей среды. Журнал «Атомная техника за рубежом», Москва, 1998, №11, с.21-25 и другие).

Из известных систем наиболее близкой к предлагаемой является «Автоматизированная система аварийного и экологического мониторинга окружающей среды региона» (патент РФ №2257598, G01W 1/06, 2004), которая и выбрана в качестве базовой системы.

Указанная система обеспечивает повышение помехоустойчивости и достоверности обмена конфиденциальной информации между контрольными постами и диспетчерским центром путем использования двух частот и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.

Работа указанной системы спланирована по определенному, заранее заданному алгоритму и все контрольные посты имеют одинаковое значение.

Однако, в регионе могут располагаться радиационно-опасные объекты, к которым следует отнести атомные станции, предприятия по изготовлению ядерного топлива, предприятия по переработке и захоронению радиоактивных отходов, научно-исследовательские и проектные организации, имеющие ядерные реакторы, ядерные энергетические установки на объектах транспорта. Опасность обусловлена, в основном, накоплением и возможным выбросом продуктов деления ядерного топлива. Поэтому контрольным постам, обеспечивающим наблюдение за радиационно-опасными объектами, должно быть обеспечено повышенное внимание. Кроме того, пожары и взрывы являются самыми распространенными чрезвычайными ситуациями в современном индустриальном обществе. Все объекты взрывопожарной опасности также должны быть в центре внимания автоматизированной системы.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей системы путем обеспечения ее работы в двух режимах: в режиме персонального запроса и в режиме общей синхронизации.

Поставленная задача решается тем, что автоматизированная система аварийного и экологического мониторинга окружающей среды региона, включающая, в соответствии с ближайшим аналогом, стационарные контрольные посты с датчиками для измерения параметров и характеристик окружающей среды, мобильные контрольные посты с датчиками, каждый из которых включает блок определения местоположения, диспетчерский центр, блоки управления и приемопередатчики прямой и обратной связи контрольных постов с диспетчерским центром, при этом каждый из стационарных и мобильных контрольных постов дополнительно содержит блок предварительной обработки информации, в который передаются данные измерений параметров и характеристик окружающей среды с датчиков стационарных и мобильных контрольных постов, а с блока предварительной обработки информация поступает в блок управления соответствующего контрольного поста, затем на блок шифрования от несанкционированного доступа и далее через блок помехоустойчивого кодирования в приемопередатчик, информация с которого поступает на диспетчерский центр, каждый приемоответчик выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом блока помехоустойчивого кодирования, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, первого усилителя мощности, дуплексера, вход-выход которого соединен с приемопередающей антенной, второго усилителя мощности, второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, усилителя второй промежуточной частоты, перемножителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, полосового фильтра и фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, а выход является выходом приемопередатчика, причем каждый из стационарных и мобильных контрольных постов излучает сложные сигналы с фазовой манипуляцией на частоте

где w₁ - частота первого гетеродина;

w_пр - промежуточная частота,

а принимает на частоте

где w_г2 - частота второго гетеродина;

w_пр1 - первая промежуточная частота,

а диспетчерский центр, наоборот, излучает сложные сигналы с фазовой манипуляцией на частоте w₁, а принимает на частоте w₂, частоты гетеродинов разнесены на значение второй промежуточной частоты

отличается от ближайшего аналога тем, что каждый приемопередатчик контрольных постов снабжен двумя блоками памяти, двумя блоками сравнения кодов, линией задержки и элементом ИЛИ, причем к выходу фазового детектора последовательно подключены первый блок сравнения кодов, второй вход которого соединен с выходом первого блока памяти, и элемент ИЛИ, выход которого подключен к входу блока помехоустойчивого кодирования, к выходу фазового детектора последовательно подключены второй блок сравнения кодов, второй вход которого соединен с выходом второго блока памяти, и линия задержки, выход которой соединен с вторым входом элемента ИЛИ.

Структурная схема предлагаемой системы представлена на фиг.1. Структурная схема стационарного контрольного поста изображена на фиг.2. Структурная схема мобильного контрольного поста изображена на фиг.3. Структурная схема приемопередатчика, размещенного на диспетчерском центре, изображена на фиг.4. Структурная схема приемопередатчика, размещенного на каждом стационарном и мобильном контрольном посту, изображена на фиг.5. Временные диаграммы, поясняющие работу системы, представлены на фиг.6 и 7. Частотная диаграмма, поясняющая процесс преобразования сигналов по частоте, показана на фиг.8.

Система содержит стационарные контрольные посты 1 (C₁...C_n), мобильные контрольные посты 2 (М₁...М_m), прямые и обратные связи 3, диспетчерский центр 4.

Каждый стационарный контрольный пост содержит датчики Д₁÷Д_к, блок 5.i предварительной обработки информации, блок 6.i шифрования, блок 7.i помехоустойчивого кодирования, приемопередатчик 8.i, блок 9.i управления, канал 10.i прямой и обратной связи (i=1,...,n).

Каждый мобильный контрольный пост содержит датчики Д₁÷Д_К, блок 5.j предварительной обработки информации, блок 6.j шифрования, блок 7.j помехоустойчивого кодирования, приемопередатчик 8.j, блок 9.j управления, канал 10.j прямой и обратной связи, блок МП определения местоположения (j=1,...,m).

Каждый приемопередатчик выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора 11(11.1), фазового манипулятора 12(12.1), второй вход которого соединен с выходом блока 7(7.1) помехоустойчивого кодирования, первого смесителя 13(13.1), второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 14(14.1), усилителя 15(15.1) первой промежуточной частоты, первого усилителя 16(16.1) мощности, дуплексера 17(17.1), вход-выход которого соединен с приемопередающей антенной 18(18.1), второго усилителя 19(19.1) мощности, второго смесителя 20(20.1), второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 21(21.1), усилителя 22(22.1) второй промежуточной частоты, перемножителя 23(23.1), второй вход которого соединен с выходом гетеродина 14(14.1), полосового фильтра 24(24.1) и фазового детектора 25(25.1), второй вход которого соединен с выходом гетеродина 21(21.1), а выход является выходом приемопередатчика 8(8.1).

В каждом приемопередатчике контрольных постов к выходу фазового детектора 25.1 последовательно подключены первый блок 28.1 сравнения кодов, второй вход которого соединен с выходом первого блока 26.1 памяти, и элемент ИЛИ 31.1, выход которого соединен с входом блока 7.1 помехоустойчивого кодирования, к выходу фазового детектора 25.1 последовательно подключены второй блок 29.1 сравнения кодов, второй вход которого соединен с выходом второго блока 27.1 памяти, и линия 30.1 задержки, выход которой соединен с вторым входом элемента ИЛИ 31.1.

Система работает следующим образом.

Каждый стационарный и мобильный контрольный пост состоит из датчиков Д₁÷Д_К, измеряющих состояние окружающей среды (уровень гамма-излучения, температуру и т.п.), с выходов которых данные подаются на вход блока 5.1 предварительной обработки информации об этом состоянии среды. В этом блоке по программе, записанной в блоке 9.1 управления, производится определение интегральных параметров среды (средних за заданный период измерений значений, тренда и др.), сокращение объема передаваемой в канал связи информации, определение предаварийной или аварийной ситуации, накопление и хранение данных предшествующих измерений и т.п., например спектрометрический детектор гамма-излучателя измеряет количество и энергию гаммаквантов, попавших в его сенсор за время измерения, например за 1 час. Эти данные с выхода блока датчиков подаются на вход блока 5.1 предварительной обработки информации, где по полученному энергетическому «спектру» распределения определяется, например, превышение уровня излучения тех или иных радионуклидов в среде над пороговым уровнем, например аварийным.

Если такое превышение уровня произошло, то блок 9.1 управления по внутренней программе переходит в предаварийный или аварийный режим работы, осуществляет экстренное вхождение в связь с диспетчерским центром 4 и при необходимости оповещает персонал.

Если канал связи занят или не исправен, то производится хранение информации в запоминающем устройстве и повторный выход в связь.

В канал связи 10.1 передается предварительно обработанная - сжатая (за счет сокращения избыточности или малой информативности) информация. Например, можно значительно уменьшить объем передаваемой по каналу связи информации, используя быстрое преобразование Фурье полученного спектра. Соответственно, почти во столько же раз становится возможным увеличение количества работающих в этом канале контрольных постов. В ряде случаев достаточным является передача интегральных (усредненных по многим измерениям) значений контролируемого параметра среды, например уровня радиационного фона или превышение порога аварийного уровня. Выполнение этой функции блоком 5.1 предварительной обработки информации также приводит к значительному сокращению объема передаваемой информации. Выход этого блока соединяется с входом блока 6.1 шифрования, обеспечивающего, например, криптографическое шифрование информации от несанкционированного доступа. В этом случае обеспечивается защита системы от террористов, хакеров или кого-либо, не имеющих право получать, преобразовывать или вводить искаженную информацию, если не произошла компрометация секретных ключей. Выход блока 6.1 шифрования соединяется с входом блока 7.1 помехоустойчивого кодирования, обеспечивающего выявление и исправление ошибок на приеме. Ошибки могут возникать из-за помех и шумов в канале связи и/или в приемной аппаратуре. Его выход соединяется с входом приемопередатчика 8.1, выход которого соединяется с входом канала связи. Управляющие входы всей указанных блоков соединены с выходами блока 9.1 управления, задающего режим их работы по внутренней программе или командам, передаваемых из диспетчерского центра.

Предлагаемая система может работать в двух режимах:

а) режим работы по персональному запросу;

б) режим работы с общей синхронизацией.

На фиг.6 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие первый режим работы, на фиг.7 - второй режим. На диаграммах КП условно показаны командные кодовые посылки, передаваемые по командной линии связи от диспетчерского центра в аппаратуру каждого контрольного поста. На диаграммах I, i, n показаны условно кодовые посылки, передаваемые по информационной линии связи от аппаратуры, располагаемой на контрольном посту, в диспетчерский центр. Каждой кодовой посылке, обозначенной на диаграммах арабскими цифрами, соответствует передаваемое значение измеряемого параметра окружающей среды.

При режиме работу по персональному запросу (фиг.6) все командные кодовые посылки имеют различные значения: каждому контрольному посту присваивается свой код.

В этом случае задающим генератором 11 диспетчерского центра формируется гармоническое колебание

где U_c1, w_c, ϕ_c1, Т_c1 - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность колебания;

которое поступает на первый вход фазового манипулятора 12, на второй вход которого подается модулирующий код М₁(t) с выхода блока 7 помехоустойчивого кодирования. Модулирующий код M₁(t) представляет собой персональный код запрашиваемого контрольного поста. На выходе фазового манипулятора 12 образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн)

где ϕ_k1(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом М₁(t), при этом при и может изменяться скачком при t=kτ_э, т.е. на границах между элементарными посылками К=1,2,...,N-1); τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью

который поступает на первый вход смесителя 13, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 14

На выходе смесителя 13 образуется напряжение комбинационных частот. Усилителем 15 выделяется напряжение первой промежуточной (суммарной) частоты

где

К₁ - коэффициент передачи смесителя;

- первая промежуточная (суммарная) частота (фиг.8);

Это напряжение после усиления в усилителе 16 мощности через дуплексер 17 излучается приемопередающей антенной 18 в эфир на частоте w₁=w_пр1, улавливается приемопередающей антенной 18.1 контрольного поста и через усилитель 19.1 мощности поступает на первый вход смесителя 20.1. На второй вход смесителя 20.1 подается напряжение u_Г1(t) гетеродина 21.1. На выходе смесителя 20.1 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 22.1 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты

где

вторая промежуточная (разностная) частота;

которое поступает на первый вход перемножителя 23.1. На второй вход перемножителя 23.1 подается напряжение гетеродина 14.1

На выходе перемножителя 23.1 образуется напряжение

где

K₂ - коэффициент передачи перемножителя;

которое выделяется полосовым фильтром 24.1 и поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 25.1. На второй (опорный) вход последнего подается напряжение u_Г1(t) гетеродина 21.1. На выходе фазового детектора 25.1 образуется низкочастотное напряжение

где

К₃ - коэффициент передачи фазового детектора,

пропорциональное модулирующему коду М₁(t).

Это напряжение с выхода фазового детектора 25.1 подается на первые входы блоков 28.1 и 29.1 сравнения кодов. В блок 26.1 памяти контрольного поста заносится код M₁(t). В общем случае в данный блок памяти каждого контрольного поста заносится свой код. В блок 27.1 памяти заносится один общий код M₀(t)для всех контрольных постов.

При работе по персональному запросу с диспетчерского центра передается код М₁(t), соответствующий коду, записанному в блоке 26.1 памяти. По этому коду включается аппаратура только одного выбранного контрольного поста, производится измерение параметров окружающей среды в соответствии с программой и результат измерения в короткий отрезок времени после посылки управляющего кода М₁(t) передается по информационной линии связи в диспетчерский центр.

Для этого с помощью задающего генератора 11.1 запрашиваемого контрольного поста формируется гармоническое колебание

которое поступает на первый вход фазового манипулятора 12.1, на второй вход которого подается модулирующий код M₂(t) с выхода блока 7.1 помехоустойчивого кодирования. Модулирующий код М₂(t) содержит параметры окружающей среды, измеренные данным контрольным постом. На выходе фазового манипулятора 12.1 образуется сложный ФМн-сигнал

который поступает на первый вход смесителя 13.1, на второй вход которого подается напряжение u_Г2(t) гетеродина 14.1. На выходе смесителя 13.1 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 15.1 выделяется напряжение промежуточной (разностной) частоты

где

- промежуточная (разностная) частота;

Это напряжение после усиления в усилителе 16.1 мощности через дуплексер 17.1 поступает в приемопередающую антенну 18.1, излучается ею на частоте w₂=w_пр в эфир, улавливается приемопередающей антенной 18 диспетчерского центра и через дуплексер 17 и усилитель 19 мощности поступает на первый вход смесителя 20. На второй вход последнего подается напряжение u_Г2(t) гетеродина 21. На выходе смесителя 20 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 22 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты

где

- вторая промежуточная (разностная) частота;

которое поступает на первый вход перемножителя 23, на второй вход которого подается напряжение u_Г1(t) гетеродина 14. На выходе перемножителя 23 образуется напряжение

где

которое выделяется полосовым фильтром 24 и поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 25. На второй (опорный) вход фазового детектора 25 подается напряжение u_Г2(t) гетеродина 21. На выходе фазового детектора 25 образуется низкочастотное напряжение

где

пропорциональное модулирующему коду M₂(t). Последний содержит сведения о параметрах окружающей среды, измеренные данным контрольным постом. Затем с диспетчерского центра посылается код другого контрольного поста, и вся процедура повторяется.

Так поочередно опрашиваются все наблюдательные посты.

При этом частоты w_Г1 и w_Г2 гетеродинов 14(21.1) и 21 (14.1) разнесены на значение второй промежуточной частоты

Каждый стационарный и мобильный контрольный пост излучает сложные ФМн-сигналы на частоте

а принимает на частоте

Диспетчерский центр, наоборот, излучает сложные ФМн-сигналы на частоте w₁, а принимает на частоте w₂.

В случае применения режима работы с общей синхронизацией (фиг.7) с диспетчерского центра по командной радиолинии связи передается код M₀(t), соответствующий коду, записанному в блоке 27.1 памяти, общий для всех контрольных постов. По этому коду включение в работу аппаратуры каждого контрольного поста производится в момент времени, определяемый временем задержки τ₁, (i=1, ..., n) линии задержки 30.1, которое устанавливается индивидуально для каждого контрольного поста таким образом, чтобы моменты опроса и передачи информации всех контрольных постов в диспетчерский центр были бы разнесены во времени.

Информация о параметрах и характеристиках окружающей среды, измеренных всеми контрольными постами, в диспетчерском центре вводится в ЭВМ (не показана), где производится математическая экспресс-обработка в реальном времени всех параметров и характеристик окружающей среды региона и в случае отклонения их за допустимый предел у какого-либо параметра ЭВМ выдает сигнал тревоги с указанием номера контрольного поста для принятия экстренных мер.

Кроме того, принятая информация может быть занесена в память ЭВМ для последующего более детального анализа.

Система обеспечивает повышение помехоустойчивости и достоверности обмена конфиденциальной информацией между контрольными постами и диспетчерским центром. Это достигается использованием двух частот w₁ и w₂ и сложных ФМн-сигналов.

При этом защита конфиденциальной информации имеет три уровня: криптографический, энергетический и структурный.

Криптографический уровень обеспечивается специальными методами шифрования, кодирования и преобразования конфиденциальной информации, в результате которых ее содержание становится недоступным без предъявления ключа криптограммы и обратного преобразования.

Энергетический и структурные уровни обеспечиваются применением сложных ФМн-сигналов, которые обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.

Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени или по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого используемый сложный сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного сигнала отнюдь не мала, она просто равномерно распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.

Структурная скрытность сложных ФМн-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений значений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.

Сложные ФМн-сигналы открывают новые возможности в технике передачи конфиденциальных сообщений и защиты их от несанкционированного доступа. Указанные сигналы позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность выделять сложные ФМн-сигналы среди других сигналов и помех, действующих в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени. Данная возможность реализуется сверткой спектра сложных ФМн-сигналов.

Таким образом, предлагаемая система по сравнению с базовым объектом и другими техническими решениями аналогичного назначения позволяет при необходимости изменять программу опроса, например, опрашивать с более высокой частотой ограниченное число контрольных постов или даже одного контрольного поста. Такая необходимость может возникнуть, например, при выбросе продуктов деления ядерного топлива, пожаре и взрыве, когда требуется более высокая частота опроса.

Система позволяет наблюдать в реальном времени сразу несколько контрольных постов и немедленно выдавать сигнал тревоги в случае чрезвычайной ситуации экологического, техногенного или природного происхождения. Тем самым функциональные возможности системы расширены.

Автоматизированная система аварийного и экологического мониторинга окружающей среды региона, включающая стационарные контрольные посты с датчиками для измерения параметров и характеристик окружающей среды, мобильные контрольные посты с датчиками, каждый из которых включает блок определения местоположения, диспетчерский центр, блоки управления и приемопередатчики прямой и обратной связи контрольных постов с диспетчерским центром, при этом каждый из стационарных и мобильных контрольных постов дополнительно содержит блок предварительной обработки информации, в который передаются данные измерений параметров и характеристик окружающей среды с датчиков стационарных и мобильных контрольных постов, а с блока предварительной обработки информация поступает в блок управления соответствующего контрольного поста, затем на блок шифрования от несанкционированного доступа и далее через блок помехоустойчивого кодирования в приемопередатчик, информация с которого поступает на диспетчерский центр, каждый приемопередатчик выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом блока помехоустойчивого кодирования, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, первого усилителя мощности, дуплексера, вход-выход которого соединен с приемопередающей антенной, второго усилителя мощности, второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, усилителя второй промежуточной частоты, перемножителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, полосового фильтра и фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, а выход является выходом приемопередатчика, причем каждый из стационарных и мобильных контрольных постов излучает сложные сигналы с фазовой манипуляцией на частоте

где w_Г1 - частота первого гетеродина;

w_пр - промежуточная частота,

а принимает на частоте

где w_Г2 - частота второго гетеродина;

w_пр1 - первая промежуточная частота,

а диспетчерский центр, наоборот, излучает сложные сигналы с фазовой манипуляцией на частоте w₁, а принимает на частоте w₂, частоты гетеродинов разнесены на значение второй промежуточной частоты

отличающаяся тем, что каждый приемопередатчик контрольных постов снабжен двумя блоками памяти, двумя блоками сравнения кодов, линией задержки и элементом ИЛИ, причем к выходу фазового детектора последовательно подключены первый блок сравнения кодов, второй вход которого соединен с выходом первого блока памяти, и элемент ИЛИ, выход которого подключен к входу блока помехоустойчивого кодирования, к выходу фазового детектора последовательно подключены второй блок сравнения кодов, второй вход которого соединен с выходом второго блока памяти, и линия задержки, выход которой соединен с вторым входом элемента ИЛИ.