eng
Выпуск #7/2016
С.Мельник, Д.Антонников
Контроль окружающей среды: информационно-измерительная система двойного назначения
Контроль окружающей среды: информационно-измерительная система двойного назначения
Просмотры: 2325
Предложены новые принципы построения информационно-измерительной системы двойного назначения для кризисного мониторинга окружающей среды; показано взаимодействие спутниковых систем связи, оптических транспортных систем, сетей мобильной связи 3G, Wi-Fi и аппаратных микроконтроллерных средств.
Теги: environmental monitoring information-measuring systems microcontroller systems информационно-измерительные системы микроконтроллерные системы мониторинг окружающей среды
Введение
Международный аспект проблемы мониторинга окружающей среды связан с сотрудничеством развитых стран, ориентированных на решение региональных экологических проблем как на правительственном, так и на международном уровне. В глобальном масштабе важную координирующую роль играет программа ООН по окружающей среде ЮНЕП (англ. UNEP – United Nations Environment Programme), а информационное обеспечение регламентируется нормативными документами о порядке предоставления экологической информации [1].
Идея глобального мониторинга окружающей среды впервые была высказана в одноименной монографии, изданной в 1971 году научным комитетом по проблемам окружающей среды Международного совета научных союзов. Под мониторингом здесь понимается система контроля окружающей среды, которая включает три блока: наблюдение за ее состоянием, определение возможных изменений, мероприятия по управлению ею (регулированию) [3].
Контроль нормативных параметров лесов, морей, рек и озер России необходим для разработки национальных и международных программ, нацеленных на их сохранение и обеспечение экологического баланса. Отсюда – потребность в экологическом мониторинге окружающей среды. В области регионального мониторинга наблюдения ведутся, в основном, силами и средствами Росгидромета, который имеет разветвленную сеть по всей стране, а также некоторыми ведомствами (агрохимслужба Минсельхозпрода, водно-канализационные службы и др.). Существует также сеть фонового мониторинга, работающая в рамках программы MAB (ManandBiosphere). При этом практически не выделяются средства на построение систем оперативного (кризисного) мониторинга при стихийных бедствиях и техногенных катастрофах.
Между тем кризисный мониторинг среды предусматривает оперативное наблюдение в реальном времени за отдельными объектами в районах стихийных бедствий, аварий, зонах чрезвычайных ситуаций и принятие решений относительно ликвидации их последствий. В перспективе объединение космических систем (ГЛОНАСС, GALILEO, GPS) с мобильными обеспечит глобальный радиодоступ, независимый от наземных систем. Это внесет в состав мультисервисных услуг космические технологии (время, синхронизация, навигация, геодезия, мониторинг наблюдения и управление) и создаст качественно новый принцип абсолютного обслуживания всеми видами информации потребителя в любой точке Земли за умеренную цену [2]. Одной из разновидностей такой информации станут сообщения относительно окружающей среды.
Теорию мониторинга окружающей среды разрабатывали ученые Канады, США, Японии, Франции, Германии, России, Беларуси и других стран. В России известны такие научные школы, как московская, петербургская, новороссийская, сахалинская и др.
Основные положения концепции построения ИИС кризисного мониторинга окружающей среды
Известные сейчас информационно-измерительные системы кризисного контроля среды имеют низкие показатели оперативности, временной и пространственной разрешающей способности, точности и надежности. Все это предопределяет необходимость разработки автоматизированных ИИС двойного назначения с улучшенными метрологическими характеристиками.
Упрощенная модель микроконтроллерной системы (МКС) обработки информации приведена на рис.1. Поскольку система является многоканальной, сразу встает вопрос об информационной содержательности канала передачи. Для дискретных сигналов, выраженных в виде импульсной последовательности, она может быть определена исходя из структуры формирования сигнала (тактовая частота, численно равная скорости передачи; число разрешенных уровней; структура построения кода). Информационная содержательность непрерывного сигнала, который имеет ограниченную полосу частот, сначала выражают дискретным сигналом, а затем определяют количество информации, которую переносят сигналом за единицу времени.
В МКС при поступлении временных интервалов (ВИ) осуществляется функциональное преобразование ВИ в цифровой код. При этом, если эталон времени значительно меньше измеренного временного интервала, то его преобразует непосредственно МКС. В противном случае ВИ с помощью блоков изменения масштаба времени предварительно подается некоторой физической величиной, которая затем в измененном масштабе превращается в цифровой код. Результаты поступают на персональный компьютер (ПК) для обработки и следующего преобразования в физическую величину.
Технические средства вычисления временных параметров сигналов выполняют такие функции, как: получение (выделение) и измерение, цифровая обработка и отображение (или передача) информации. При выделении полезных данных легко осуществляется адаптация измерительных устройств автоматическими выбором диапазона измерений и калибровкой. Использование микроконтроллера позволяет совместить процессы измерения, преобразования информации и ее цифровой обработки. С учетом назначения и формы представления входной, промежуточной и исходной информации можно получить информационную модель МКС (рис.1), где Xa равно или меньше Xa1, Xa2, ..., Xan и больше совокупности входных аналоговых и цифровых сигналов; Yd равно или меньше Yd1, Yd2, ..., Ydn и больше совокупности исходных цифровых сигналов; Yа – оператор аналоговой обработки информации; Yd – оператор цифровой обработки информации; Ydk – оператор цифрового управления; Yad – оператор аналого-цифрового преобразования.
Оператор Yа выполняет следующие операции, связанные с аналоговой обработкой информации: усиление, нормализацию и коммутацию аналоговых сигналов. Оператор Yd производит операции с информацией: цифровая обработка результатов преобразований и измерений, запоминание и хранение данных в цифровой форме, формирование сигналов для вывода информации на устройство отображения или в информационно-вычислительный комплекс. Оператор Ydk выполняет процессы формирования и подачи сигналов, под влиянием которых осуществляется весь комплекс операций управления. Оператор Yad обеспечивает процессы преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму.
При этом оперативный обмен данными между системами мониторинга невозможен без использования современных телекоммуникационных сетей, технологий и их конвергенции.
Взаимодействие систем связи и МКС для кризисного мониторинга окружающей среды
На рис.2 приведена структура построения компьютерной ИИС (КИИС) двойного назначения для кризисного оперативного мониторинга окружающей среды. Предлагаемая КИИС состоит из: ПК, МКС, измерительного и вспомогательного периферийного оборудования, которое воспринимает и использует приоритетную и текущую информацию от датчиков. В состав системы входят аппаратные микроконтроллерные средства с дистанционным управлением: роботизированный многофункциональный комплекс МКР-15 [6], который способен находиться в тяжело доступных для человека местах, и беспилотный летательный аппарат (БПЛА), который может выступать в роли помощника, курьера, патрульного, фотографа и т.д. Экспресс-контроль непосредственно на месте исследований и обработки информации от МКС, БПЛА и МКР-15 осуществляется оператором ПК.
Пока телекоммуникационная приземная космонавтика отстает в своем развитии по сравнению с системами мобильной связи, передачу основного потока информации целесообразно осуществлять с использованием технологии 3G, а в случае ее отсутствия – через системы спутниковой связи ГЛОНАСС, GALILEO, GPS.
Новизна предложенного похода заключается в предоставляемой сотрудникам подразделений МЧС, лабораторий, НИИ и других заинтересованных ведомств возможности наблюдать за показаниями КИИС, приходящими с места аварии.
КИИС двойного назначения должны удовлетворять следующим требованиям:
использоваться для проведения мониторинга непосредственно на исследуемом объекте в реальном времени; осуществлять учет и использование приоритетной информации об исследуемом объекте или процессе;
осуществлять первичную классификацию исследуемого объекта с последующим выбором адекватных алгоритмов измерения и соответствующего измерительного оборудования;
применять первичное автоматическое планирование эксперимента путем оптимизации заданных показателей качества результатов измерений на идентифицированном классе моделей исследуемого объекта или процесса;
осуществления автоматической коррекции и выбранных измерительных каналов;
подстраивать параметры измерительных алгоритмов в рамках выбранного класса и адаптировать их к возможным изменениям условий эксперимента и входных влияний;
регистрировать информацию в цифровом виде и предоставлять диалоговый с оператором интерфейс, который позволяет контролировать ход измерительного эксперимента, вмешиваться в него в случае необходимости, накапливать полученные результаты;
фиксировать местонахождение КИИС с помощью спутниковой системы ГЛОНАСС, GALILEO, GPS;
сжимать информацию, которая содержится в результатах измерений, и выдавать ее в компактной и удобной для восприятия форме оператору вместе с оценкой погрешностей измерений;
обеспечивать высокую надежность при ограниченных массo-габаритных характеристиках и минимальном потреблении электроэнергии.
Заключение
Предложенная КИИС дает возможность автоматизировать процесс измерения, расширить аппаратные функциональные возможности, значительно сократить время измерений, провести первичную обработку данных, оперативно передавать информацию и вести текстовый диалог с отдаленными участниками мониторинга с помощью мобильной связи. Компьютерная ИИС может быть использована для оперативного экологического мониторинга, в химической, нефтехимической и пищевой промышленности, в океанологии, геологии, военной сфере, а также в сферах телемедицины, безопасности и охраны общественного порядка, дистанционного образования, транспортного управления и т.д.
ЛИТЕРАТУРА
Мишенков С.Л., Смирнов Н.И., Кусков В.Д., Новикова Е.Л., Тарасов А.Т., Самсонов Д.А. Будет ли в России эксплуатируемая телекоммуникационная приземная космонавтика? // Труды конференции "Телекоммуникационные и вычислительные системы". М.: МТУСИ, 2015. С. 93.
Израэль Ю.А. Глобальная система наблюдений. Прогноз и оценка окружающей природной среды. Основы мониторинга // Метеорология и гидрология. 1974. № 7. С. 3–8.
Фейерклаф А.Дж. Подход к мониторингу окружающей среды в Великобритании // Мониторинг состояния окружающей природной среды. –
Л.: 1977.
Афанасьев Ю.А., Фомин С.А., Меньшиков В.В. и др. Мониторинг и методы контроля окружающей среды. – М.: МНЭПУ, 2001. 337 с.
Антонников Д.О. Роботизированный многофункциональный комплекс МКР-15 // Московский Суворовец. 2015. № 5. С.10.
Международный аспект проблемы мониторинга окружающей среды связан с сотрудничеством развитых стран, ориентированных на решение региональных экологических проблем как на правительственном, так и на международном уровне. В глобальном масштабе важную координирующую роль играет программа ООН по окружающей среде ЮНЕП (англ. UNEP – United Nations Environment Programme), а информационное обеспечение регламентируется нормативными документами о порядке предоставления экологической информации [1].
Идея глобального мониторинга окружающей среды впервые была высказана в одноименной монографии, изданной в 1971 году научным комитетом по проблемам окружающей среды Международного совета научных союзов. Под мониторингом здесь понимается система контроля окружающей среды, которая включает три блока: наблюдение за ее состоянием, определение возможных изменений, мероприятия по управлению ею (регулированию) [3].
Контроль нормативных параметров лесов, морей, рек и озер России необходим для разработки национальных и международных программ, нацеленных на их сохранение и обеспечение экологического баланса. Отсюда – потребность в экологическом мониторинге окружающей среды. В области регионального мониторинга наблюдения ведутся, в основном, силами и средствами Росгидромета, который имеет разветвленную сеть по всей стране, а также некоторыми ведомствами (агрохимслужба Минсельхозпрода, водно-канализационные службы и др.). Существует также сеть фонового мониторинга, работающая в рамках программы MAB (ManandBiosphere). При этом практически не выделяются средства на построение систем оперативного (кризисного) мониторинга при стихийных бедствиях и техногенных катастрофах.
Между тем кризисный мониторинг среды предусматривает оперативное наблюдение в реальном времени за отдельными объектами в районах стихийных бедствий, аварий, зонах чрезвычайных ситуаций и принятие решений относительно ликвидации их последствий. В перспективе объединение космических систем (ГЛОНАСС, GALILEO, GPS) с мобильными обеспечит глобальный радиодоступ, независимый от наземных систем. Это внесет в состав мультисервисных услуг космические технологии (время, синхронизация, навигация, геодезия, мониторинг наблюдения и управление) и создаст качественно новый принцип абсолютного обслуживания всеми видами информации потребителя в любой точке Земли за умеренную цену [2]. Одной из разновидностей такой информации станут сообщения относительно окружающей среды.
Теорию мониторинга окружающей среды разрабатывали ученые Канады, США, Японии, Франции, Германии, России, Беларуси и других стран. В России известны такие научные школы, как московская, петербургская, новороссийская, сахалинская и др.
Основные положения концепции построения ИИС кризисного мониторинга окружающей среды
Известные сейчас информационно-измерительные системы кризисного контроля среды имеют низкие показатели оперативности, временной и пространственной разрешающей способности, точности и надежности. Все это предопределяет необходимость разработки автоматизированных ИИС двойного назначения с улучшенными метрологическими характеристиками.
Упрощенная модель микроконтроллерной системы (МКС) обработки информации приведена на рис.1. Поскольку система является многоканальной, сразу встает вопрос об информационной содержательности канала передачи. Для дискретных сигналов, выраженных в виде импульсной последовательности, она может быть определена исходя из структуры формирования сигнала (тактовая частота, численно равная скорости передачи; число разрешенных уровней; структура построения кода). Информационная содержательность непрерывного сигнала, который имеет ограниченную полосу частот, сначала выражают дискретным сигналом, а затем определяют количество информации, которую переносят сигналом за единицу времени.
В МКС при поступлении временных интервалов (ВИ) осуществляется функциональное преобразование ВИ в цифровой код. При этом, если эталон времени значительно меньше измеренного временного интервала, то его преобразует непосредственно МКС. В противном случае ВИ с помощью блоков изменения масштаба времени предварительно подается некоторой физической величиной, которая затем в измененном масштабе превращается в цифровой код. Результаты поступают на персональный компьютер (ПК) для обработки и следующего преобразования в физическую величину.
Технические средства вычисления временных параметров сигналов выполняют такие функции, как: получение (выделение) и измерение, цифровая обработка и отображение (или передача) информации. При выделении полезных данных легко осуществляется адаптация измерительных устройств автоматическими выбором диапазона измерений и калибровкой. Использование микроконтроллера позволяет совместить процессы измерения, преобразования информации и ее цифровой обработки. С учетом назначения и формы представления входной, промежуточной и исходной информации можно получить информационную модель МКС (рис.1), где Xa равно или меньше Xa1, Xa2, ..., Xan и больше совокупности входных аналоговых и цифровых сигналов; Yd равно или меньше Yd1, Yd2, ..., Ydn и больше совокупности исходных цифровых сигналов; Yа – оператор аналоговой обработки информации; Yd – оператор цифровой обработки информации; Ydk – оператор цифрового управления; Yad – оператор аналого-цифрового преобразования.
Оператор Yа выполняет следующие операции, связанные с аналоговой обработкой информации: усиление, нормализацию и коммутацию аналоговых сигналов. Оператор Yd производит операции с информацией: цифровая обработка результатов преобразований и измерений, запоминание и хранение данных в цифровой форме, формирование сигналов для вывода информации на устройство отображения или в информационно-вычислительный комплекс. Оператор Ydk выполняет процессы формирования и подачи сигналов, под влиянием которых осуществляется весь комплекс операций управления. Оператор Yad обеспечивает процессы преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму.
При этом оперативный обмен данными между системами мониторинга невозможен без использования современных телекоммуникационных сетей, технологий и их конвергенции.
Взаимодействие систем связи и МКС для кризисного мониторинга окружающей среды
На рис.2 приведена структура построения компьютерной ИИС (КИИС) двойного назначения для кризисного оперативного мониторинга окружающей среды. Предлагаемая КИИС состоит из: ПК, МКС, измерительного и вспомогательного периферийного оборудования, которое воспринимает и использует приоритетную и текущую информацию от датчиков. В состав системы входят аппаратные микроконтроллерные средства с дистанционным управлением: роботизированный многофункциональный комплекс МКР-15 [6], который способен находиться в тяжело доступных для человека местах, и беспилотный летательный аппарат (БПЛА), который может выступать в роли помощника, курьера, патрульного, фотографа и т.д. Экспресс-контроль непосредственно на месте исследований и обработки информации от МКС, БПЛА и МКР-15 осуществляется оператором ПК.
Пока телекоммуникационная приземная космонавтика отстает в своем развитии по сравнению с системами мобильной связи, передачу основного потока информации целесообразно осуществлять с использованием технологии 3G, а в случае ее отсутствия – через системы спутниковой связи ГЛОНАСС, GALILEO, GPS.
Новизна предложенного похода заключается в предоставляемой сотрудникам подразделений МЧС, лабораторий, НИИ и других заинтересованных ведомств возможности наблюдать за показаниями КИИС, приходящими с места аварии.
КИИС двойного назначения должны удовлетворять следующим требованиям:
использоваться для проведения мониторинга непосредственно на исследуемом объекте в реальном времени; осуществлять учет и использование приоритетной информации об исследуемом объекте или процессе;
осуществлять первичную классификацию исследуемого объекта с последующим выбором адекватных алгоритмов измерения и соответствующего измерительного оборудования;
применять первичное автоматическое планирование эксперимента путем оптимизации заданных показателей качества результатов измерений на идентифицированном классе моделей исследуемого объекта или процесса;
осуществления автоматической коррекции и выбранных измерительных каналов;
подстраивать параметры измерительных алгоритмов в рамках выбранного класса и адаптировать их к возможным изменениям условий эксперимента и входных влияний;
регистрировать информацию в цифровом виде и предоставлять диалоговый с оператором интерфейс, который позволяет контролировать ход измерительного эксперимента, вмешиваться в него в случае необходимости, накапливать полученные результаты;
фиксировать местонахождение КИИС с помощью спутниковой системы ГЛОНАСС, GALILEO, GPS;
сжимать информацию, которая содержится в результатах измерений, и выдавать ее в компактной и удобной для восприятия форме оператору вместе с оценкой погрешностей измерений;
обеспечивать высокую надежность при ограниченных массo-габаритных характеристиках и минимальном потреблении электроэнергии.
Заключение
Предложенная КИИС дает возможность автоматизировать процесс измерения, расширить аппаратные функциональные возможности, значительно сократить время измерений, провести первичную обработку данных, оперативно передавать информацию и вести текстовый диалог с отдаленными участниками мониторинга с помощью мобильной связи. Компьютерная ИИС может быть использована для оперативного экологического мониторинга, в химической, нефтехимической и пищевой промышленности, в океанологии, геологии, военной сфере, а также в сферах телемедицины, безопасности и охраны общественного порядка, дистанционного образования, транспортного управления и т.д.
ЛИТЕРАТУРА
Мишенков С.Л., Смирнов Н.И., Кусков В.Д., Новикова Е.Л., Тарасов А.Т., Самсонов Д.А. Будет ли в России эксплуатируемая телекоммуникационная приземная космонавтика? // Труды конференции "Телекоммуникационные и вычислительные системы". М.: МТУСИ, 2015. С. 93.
Израэль Ю.А. Глобальная система наблюдений. Прогноз и оценка окружающей природной среды. Основы мониторинга // Метеорология и гидрология. 1974. № 7. С. 3–8.
Фейерклаф А.Дж. Подход к мониторингу окружающей среды в Великобритании // Мониторинг состояния окружающей природной среды. –
Л.: 1977.
Афанасьев Ю.А., Фомин С.А., Меньшиков В.В. и др. Мониторинг и методы контроля окружающей среды. – М.: МНЭПУ, 2001. 337 с.
Антонников Д.О. Роботизированный многофункциональный комплекс МКР-15 // Московский Суворовец. 2015. № 5. С.10.
Отзывы читателей
