Система мониторинга качества воздуха на объектах с искусственной средой обитания человека

Изобретение относится к области экологии и может быть использовано для контроля качества воздуха на объектах с искусственной средой обитания человека, например для контроля качества воздуха промышленных городов. Сущность: система содержит блок (1) приема транзакций с датчиков экологического контроля состояния воздуха, блок (2) идентификации датчиков экологического контроля состояния воздуха, первый (3), второй (4) и третий (5) блоки памяти, блок (6) подсчета количества поступивших транзакций, первый (7) и второй (8) компараторы, первый (9) и второй (10) блоки адресации записей входных транзакций датчиков экологического контроля состояния воздуха. Технический результат: повышение быстродействия системы путем исключения затрат времени на выявление экстремальных экологических ситуаций, требующих немедленной реакции. 6 ил.

 

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к автоматизированной системе мониторинга качества воздуха на объектах с искусственной средой обитания человека.

В современных промышленных городах воздушная среда загрязняется сложной смесью вредных веществ, состав которой напрямую зависит от характера имеющихся производств и т.д. Концентрация вредных веществ в различных частях города может значительно превышать предельно-допустимый уровень в несколько раз.

Последнее обусловлено рядом причин: технологический режим и состояние производственной аппаратуры каждого техногенного предприятия, погодные условия (характер и мощность ветров, температура, влажность), количество автотранспорта в каждой точке города и другие факторы, которые необходимо учитывать в совокупности со временем их возникновения. При этом имеющиеся системы мониторинга не позволяют повсеместно и постоянно осуществлять контроль, наблюдение за выбросами загрязняющих веществ и своевременно оповещать специализированные службы о чрезвычайных превышениях загрязнений окружающей среды.

Все это свидетельствует о специфических трудностях, возникающих при исследовании воздушной среды, и обуславливает высокие требования к качеству экологического контроля. Направлением решения данной проблемы, является создание автоматизированного мониторинга окружающей воздушной среды промышленных городов - системы оперативного контроля состояния атмосферного воздуха, его загрязнений, а также своевременных оценок и прогнозов.

Известны технические решения поставленной задачи.

Первое из известных технических решений содержит первую и вторую группы датчиков экологического контроля состояния среды, средства радиосвязи датчиков второй группы с аппаратурой городской телефонной сети, центральный диспетчерский пункт, быстродействующие газовые датчики экологического контроля состояния атмосферы, систему GPS, мобильную телефонную систему, установленные на электротранспортных единицах, а также метеостанцию, группу датчиков замеров концентраций загрязняющих веществ непосредственно с источников загрязнения, центр моделирования, центр обработки и сравнения данных, причем быстродействующие газовые датчики экологического контроля состояния атмосферы и система GPS соединены посредством мобильной телефонной системы с центром обработки и сравнения данных, в который также поступает информация от первой группы датчиков экологического контроля состояния среды, городской телефонной сети и центра моделирования, связанного с группой датчиков замеров концентраций загрязняющих веществ непосредственно с источников загрязнения и метеостанцией, а центр обработки и сравнения данных подключен к центральному диспетчерскому пункту [1].

Недостаток данного технического решения заключается в невысоком быстродействии системы, поскольку данные для принятия решения система выдает только после окончания сбора и обработки всей входной информации.

Известно и другое техническое решение, содержащее центр мониторинга со средствами построения карт полей загрязнения атмосферы, соединенный своим входом и выходом с постами контроля чистоты атмосферного воздуха и средствами метеорологического обеспечения, программно-вычислительные средства прогноза сценариев динамики вод и атмосферы, соединенные своим выходом со средствами построения карт полей загрязнения атмосферы, комплексом дистанционного мониторинга водной поверхности со средствами распознания сорбционных слоев и комплексом лабораторных исследований сорбционных слоев, соединенных своим входом и выходом с центром мониторинга [2].

Недостаток этого технического решения также состоит в невысоком быстродействии, обусловленном большими затратами времени на решение расчетных задач.

Цель изобретения заключается в устранении указанного недостатка, т.е. в повышении быстродействия системы путем исключения затрат времени на выявление экстремальных ситуаций, требующих немедленной реакции.

Поставленная цель достигается тем, что в систему содержащую блок приема транзакций с датчиков экологического контроля состояния воздуха, информационный и синхронизирующий входы которого являются информационным и синхронизирующим входами системы соответственно, при этом информационный вход системы предназначен для приема транзакций с датчиков экологического контроля состояния воздуха, синхронизирующий вход системы предназначен для приема синхронизирующих сигналов занесения транзакций с датчиков экологического контроля состояния воздуха в блок приема транзакций с датчиков экологического контроля состояния воздуха, блок идентификации датчиков экологического контроля состояния воздуха, информационный вход которого соединен с первым информационным выходом блока приема транзакций с датчиков экологического контроля состояния воздуха, синхронизирующий вход блока идентификации датчиков экологического контроля состояния воздуха подключен к синхронизирующему входу системы, а управляющие выходы группы блока идентификации датчиков экологического контроля состояния воздуха соединены с соответствующими управляющими входами групп первого, второго и третьего блоков памяти, при этом информационный выход блока приема транзакций с датчиков экологического контроля состояния воздуха является информационным выходом системы, блок подсчета количества поступивших транзакций, счетный вход которого подключен к синхронизирующему выходу блока идентификации датчиков экологического контроля состояния воздуха, и первый блок адресации записей входных транзакций датчиков экологического контроля состояния воздуха, один информационный вход которого соединен с выходом первого блока памяти, другой информационный вход первого блока адресации записей входных транзакций датчиков экологического контроля состояния воздуха подключен к выходу блока подсчета количества поступивших транзакций, а синхронизирующий вход первого блока адресации записей входных транзакций датчиков экологического контроля состояния воздуха соединен с синхронизирующим выходом блока идентификации датчиков экологического контроля состояния воздуха, при этом информационный выход первого блока адресации записей входных транзакций датчиков экологического контроля состояния воздуха является первым адресным выходом системы, предназначенным для выдачи адресов записи на адресный вход сервера базы данных, введены первый компаратор, один информационный вход которого соединен со вторым информационным выходом блока приема транзакций с датчиков экологического контроля состояния воздуха, другой информационный вход первого компаратора подключен к первому информационному выходу третьего блока памяти, а синхронизирующий вход первого компаратора соединен с синхронизирующим выходом первого блока адресации записей входных транзакций датчиков экологического контроля состояния воздуха, второй компаратор, один информационный вход которого соединен со вторым информационным выходом блока приема транзакций с датчиков экологического контроля состояния воздуха, другой информационный вход второго компаратора подключен к второму информационному выходу третьего блока памяти, и второй блок адресации записей входных транзакций датчиков экологического контроля состояния воздуха, один информационный вход которого соединен с выходом второго блока памяти, другой информационный вход второго блока адресации записей входных транзакций датчиков экологического контроля состояния воздуха подключен к выходу блока подсчета количества поступивших транзакций, один синхронизирующий вход второго блока адресации записей входных транзакций датчиков экологического контроля состояния воздуха соединен с первым выходом первого компаратора, другой синхронизирующий вход подключен к первому выходу второго компаратора, при этом адресный выход второго блока адресации записей входных транзакций датчиков экологического контроля состояния воздуха является вторым адресным выходом системы, предназначенным для выдачи адресов записи на адресный вход сервера базы данных, второй выход первого компаратора соединен с синхронизирующим входом второго компаратора, второй выход которого является первым синхронизирующим выходом системы, предназначенным для выдачи сигналов управления на вход первого канала прерывания сервера базы данных, а синхронизирующий выход второго блока адресации записей входных транзакций датчиков экологического контроля состояния воздуха является вторым синхронизирующим выходом системы, предназначенным для выдачи сигналов управления на вход второго канала прерывания сервера базы данных.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена обобщенная схема, иллюстрирующая работу системы, на фиг.2 - представлена структурная схема системы, на фиг.3 - структурная схема блока идентификации датчиков экологического контроля состояния воздуха, на фиг.4 - структурная схема первого блока адресации записей входных транзакций датчиков экологического контроля состояния воздуха, на фиг.5 - структурная схема второго блока адресации записей входных транзакций датчиков экологического контроля состояния воздуха, на фиг.6 - приведена таблица с примерами измеряемых параметров экологической обстановки.

Система (фиг.2) содержит блок 1 приема транзакций с датчиков экологического контроля состояния воздуха, блок 2 идентификации датчиков экологического контроля состояния воздуха, первый 3, второй 4 и третий 5 блоки памяти, блок 6 подсчета количества поступивших транзакций, первый 7 и второй 8 компараторы, первый 9 и второй 10 блоки адресации записей входных транзакций датчиков экологического контроля состояния воздуха.

На фиг.1 показаны информационный 14 и синхронизирующий 15 входы системы, а также информационный 16 выход системы, первый 17 и второй 18 адресные выходы системы, первый 19 и второй 20 синхронизирующие выходы системы.

Блок 1 приема транзакций с датчиков экологического контроля состояния воздуха (фиг.2) выполнен в виде регистра, имеющего информационный 14 и синхронизирующий 15 входы, а также первый 21 и второй 22 информационные выходы.

Блок 2 идентификации датчиков экологического контроля состояния воздуха (фиг.3) содержит дешифратор 25, элементы 26-28 И, элементы 29, 30 задержки. На чертеже показаны информационный 31, синхронизирующий 32 входы, а также группа 33-35 управляющих и синхронизирующий 36 выходы.

Блоки 3, 4, 5 памяти (фиг.2) выполнены в виде постоянных запоминающих устройств, имеющих входы 37-39 и выходы 40, 41 и 42 соответственно.

Блок 6 подсчета количества поступивших транзакций (фиг.2) выполнен в виде счетчика, имеющего счетный 43 вход и выход 44.

Компаратор 7 (фиг.2) имеет информационные 45, 46 и синхронизирующий 47 входы, а также первый 48 и второй 49 выходы.

Компаратор 8 (фиг.2) имеет информационные 50, 51 и синхронизирующий 52 входы, а также первый 53 и второй 54 выходы.

Блок 9 (фиг.4) адресации записей входных транзакций датчиков экологического контроля состояния воздуха содержит регистр 55, сумматор 56 и элементы 57 задержки. На чертеже показаны первый 58 и второй 59 информационные входы, синхронизирующий 60 вход, а также информационный 61 и синхронизирующий 62 выходы.

Блок 10 (фиг.5) адресации записей входных транзакций датчиков экологического контроля состояния воздуха содержит регистр 64, сумматор 65, элемент 66 ИЛИ и элементы 67, 68 задержки. На чертеже показаны первый 69 и второй 70 информационные входы, первый 71 и второй 72 синхронизирующие входы, а также информационный 18 и синхронизирующий 19 выходы.

Все узлы и элементы системы выполнены на стандартных потенциально-импульсных элементах.

Система работает следующим образом.

Определение точного местоположения источника экологического загрязнения играет основную роль в осуществлении непрерывного мониторинга состояния приземного слоя атмосферы, а главное в оперативном реагировании на аварийную ситуацию и предоставлении данных для возможности наиболее точного анализа критических ситуаций.

Обобщенная схема работы автоматизированной системы мониторинга окружающей среды представлена на фиг.1. Данные с датчиков, установленных на транспортных средствах, в виде транзакций поступают на контроллер-устройство, которое преобразует сигналы для передачи по каналу GSM через навигационный терминал. Затем транзакции посредством Internet поступают в диспетчерский центр, где подвергаются компьютерной обработке и в случае необходимости оперативно оповещают службы экстренного реагирования.

Структура кодограммы транзакции, поступающей на информационный 14 вход системы (фиг.2), имеет следующий вид:

Код	Код
Идентификатор датчика, являющегося источником информации, передаваемой данной транзакцией в центр обработки	Количественное значение показателя, передаваемого данной транзакцией
Выход 21 блока 1	Выход 22 блока 1

Диапазоны изменения количественных значений измеряемых показателей приведены в таблице на фиг.6.

Синхронизирующим сигналом, поступающим на синхронизирующий вход 15 системы, кодограмма транзакции заносится в регистр блока 1.

Код идентификатора датчика, от которого поступила данная транзакция, с выхода 21 блока 1 поступает на информационный 31 вход блока 2 и далее на вход дешифратора 25, а синхронизирующий импульс с входа 15 через вход 32 блока 2 системы задерживается элементом 29 задержки на время занесения кода идентификатора датчика в регистр 1 и срабатывания дешифратора 25 и далее поступает на входы элементов 26-28 И. Дешифратор 25 расшифровывает поступивший код и подготавливает цепь прохождения сигнала с выхода элемента 29 задержки, открывая один из элементов 26-28 И. Для определенности положим, что высокий потенциал поступил на один вход элемента 26 И.

Учитывая то обстоятельство, что открытым по одному входу будет только элемент 26 И, то пройдя этот элемент И, синхроимпульс поступает, во-первых, на входы 37 считывания фиксированных ячеек памяти постоянных запоминающих устройства 3, 4 и 5.

В фиксированной ячейке памяти блока 3 хранится опорный адрес записи поступающих транзакций в сервер базы данных, если текущее значение передаваемого датчиком количественного показателя лежит в заданных пределах максимального и минимального значений, а в фиксированной ячейке памяти блока 4 хранится базовый адрес записи поступающих транзакций в сервер базы данных, если текущее значение передаваемого датчиком количественного показателя выходит за пределы заданных максимального и минимального значений измеряемого показателя.

В фиксированной ячейке памяти блока 5 хранятся минимальное и максимальное значения измеряемого параметра в виде записи:

Код	Код
Минимальное значение количественного показателя	Максимальное значение количественного показателя
Выход 42 блока 5	Выход 43 блока 5

Код минимального значения количественного показателя с выхода 42 блока 5 поступает на один информационный вход 46 компаратора 7, а код максимального значения количественного показателя с выхода 43 блока 5 поступает на один информационный вход 50 компаратора 8.

К этому моменту времени с выхода 22 блока 1 текущее значение количественного показателя, поступившего на вход 14 системы, поступает на другой информационный вход 45 компаратора 7, на другой информационный вход 51 компаратора 8 и на информационный выход 16 системы.

Параллельно с этим процессом, считанный опорный адрес записи транзакций в сервер базы данных с выхода 40 блока 3 поступает на первый информационный 58 вход блока 9, на другой 59 информационный вход которого поступает код показаний счетчика 6, подсчитывающего число принятых транзакций по импульсам, поступающим с выхода 36 блока 2 на его счетный вход.

Кроме того, синхронизирующий импульс с выхода 36 блока 2 поступает также на синхронизирующий вход 60 блока 9, обеспечивая занесение кода опорного адреса записи в регистр 55 блока 9, который с выхода регистра 55 поступает на один информационный вход сумматора 56.

Сумматор 56 по сигналу с выхода элемента задержки 59 формирует текущий адрес записи на выходе 61 сумматора 56, а синхронизирующий сигнал с выхода 62 блока 9 поступает на синхронизирующий вход 47 компаратора 7. По этому сигналу компаратор 7 сравнивает текущее количественное значение показателя с входа 45 с минимальным количественным значением показателя с входа 46, и если текущее количественное значение показателя превышает его минимальное значение, то компаратор 7 вырабатывает сигнал на выходе 49 и выдает его на синхронизирующий вход 52 компаратора 8.

По поступившему сигналу компаратор 8 сравнивает текущее количественное значение показателя с входа 51 с максимальным количественным значением показателя с входа 50, и если текущее количественное значение показателя не превышает его максимальное значение, то компаратор 8 вырабатывает сигнал на выходе 54 и выдает его на синхронизирующий выход 19 системы.

Этот сигнал с выхода 19 системы поступает на вход первого канала прерывания сервера базы данных. С приходом этого сигнала сервер базы данных переходит на подпрограмму записи поступившего количественного значения показателя соответствующего датчика с выхода 16 по адресу, сформированному на адресном выходе 17 системы.

Если же текущее количественное значение показателя будет меньше его минимального значения, то компаратор 7 зафиксирует этот факт выработкой сигнала на выходе 48 и выдачи его на синхронизирующий вход 71 блока 10. Аналогичным образом, если текущее количественное значение показателя превышает его максимальное значение, то этот факт компаратор 8 зафиксирует выработкой сигнала на выходе 53 и выдачи его на синхронизирующий вход 72 блока 10.

Сигналы, идентифицирующие факт нарушения экологической ситуации и поступающие на вход 71 или вход 72, проходят через элемент 66 ИЛИ, и, во-первых, поступают на синхронизирующий вход регистра 64, записывая в него опорный адрес записи количественных значений показателей, превышающих значения предельно допустимых показателей экологической ситуации.

Код опорного адреса с выхода регистра 64 поступает на один вход сумматора 65, на другой вход 70 которого поступают показания счетчика 6. Сумматор 65 по сигналу с выхода элемента задержки 67 формирует текущий адрес записи на выходе 18 системы, а синхронизирующий сигнал после задержки элементом 68 на время срабатывания сумматора 65, во-первых, через выход 20 системы поступает на вход второго канала прерывания сервера базы данных.

С приходом этого сигнала сервер базы данных переходит на подпрограмму записи поступившего количественного значения показателя соответствующего датчика с выхода 16 по адресу, сформированному на адресном выходе 17 системы.

Во-вторых, этот сигнал выдается на табло предупреждения о возникновении нештатной экологической ситуации для принятия решения дежурной сменой операторов мониторинга.

Таким образом, введение новых узлов и блоков позволило существенно повысить быстродействие системы путем исключения затрат времени на выявление экстремальных ситуаций, требующих немедленной реакции.

Источники информации

1. Патент РФ №2380729 (04.06.2008).

2. Патент РФ №2248595 (15.07.2003) (прототип).

Система мониторинга качества воздуха на объектах с искусственной средой обитания человека, содержащая блок приема транзакций с датчиков экологического контроля состояния воздуха, информационный и синхронизирующий входы которого являются информационным и синхронизирующим входами системы соответственно, при этом информационный вход системы предназначен для приема транзакций с датчиков экологического контроля состояния воздуха, синхронизирующий вход системы предназначен для приема синхронизирующих сигналов занесения транзакций с датчиков экологического контроля состояния воздуха в блок приема транзакций с датчиков экологического контроля состояния воздуха, блок идентификации датчиков экологического контроля состояния воздуха, информационный вход которого соединен с первым информационным выходом блока приема транзакций с датчиков экологического контроля состояния воздуха, синхронизирующий вход блока идентификации датчиков экологического контроля состояния воздуха подключен к синхронизирующему входу системы, а управляющие выходы группы блока идентификации датчиков экологического контроля состояния воздуха соединены с соответствующими управляющими входами групп первого, второго и третьего блоков памяти, при этом информационный выход блока приема транзакций с датчиков экологического контроля состояния воздуха является информационным выходом системы, блок подсчета количества поступивших транзакций, счетный вход которого подключен к синхронизирующему выходу блока идентификации датчиков экологического контроля состояния воздуха, и первый блок адресации записей входных транзакций датчиков экологического контроля состояния воздуха, один информационный вход которого соединен с выходом первого блока памяти, другой информационный вход первого блока адресации записей входных транзакций датчиков экологического контроля состояния воздуха подключен к выходу блока подсчета количества поступивших транзакций, а синхронизирующий вход первого блока адресации записей входных транзакций датчиков экологического контроля состояния воздуха соединен с синхронизирующим выходом блока идентификации датчиков экологического контроля состояния воздуха, при этом информационный выход первого блока адресации записей входных транзакций датчиков экологического контроля состояния воздуха является первым адресным выходом системы, предназначенным для выдачи адресов записи на адресный вход сервера базы данных, отличающаяся тем, что система содержит первый компаратор, один информационный вход которого соединен со вторым информационным выходом блока приема транзакций с датчиков экологического контроля состояния воздуха, другой информационный вход первого компаратора подключен к первому информационному выходу третьего блока памяти, а синхронизирующий вход первого компаратора соединен с синхронизирующим выходом первого блока адресации записей входных транзакций датчиков экологического контроля состояния воздуха, второй компаратор, один информационный вход которого соединен со вторым информационным выходом блока приема транзакций с датчиков экологического контроля состояния воздуха, другой информационный вход второго компаратора подключен к второму информационному выходу третьего блока памяти, и второй блок адресации записей входных транзакций датчиков экологического контроля состояния воздуха, один информационный вход которого соединен с выходом второго блока памяти, другой информационный вход второго блока адресации записей входных транзакций датчиков экологического контроля состояния воздуха подключен к выходу блока подсчета количества поступивших транзакций, один синхронизирующий вход второго блока адресации записей входных транзакций датчиков экологического контроля состояния воздуха соединен с первым выходом первого компаратора, другой синхронизирующий вход подключен к первому выходу второго компаратора, при этом адресный выход второго блока адресации записей входных транзакций датчиков экологического контроля состояния воздуха является вторым адресным выходом системы, предназначенным для выдачи адресов записи на адресный вход сервера базы данных, второй выход первого компаратора соединен с синхронизирующим входом второго компаратора, второй выход которого является первым синхронизирующим выходом системы, предназначенным для выдачи сигналов управления на вход первого канала прерывания сервера базы данных, а синхронизирующий выход второго блока адресации записей входных транзакций датчиков экологического контроля состояния воздуха является вторым синхронизирующим выходом системы, предназначенным для выдачи сигналов управления на вход второго канала прерывания сервера базы данных.