Our journals
Submit manuscript Sign in / Sign up
Advanced search
Article sections

CONTROL AND MONITORING OF ENVIRONMENTAL SAFETY

Research article
Kolbina O.N.
Yagotinceva N.V.
Safonova T.V.
MokryakA.V.
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.119.5.060
Issue: № 5 (119), 2022
Published:
2022/05/17
PDF

НАУКИ О ЗЕМЛЕ / SCIENCE ABOUT THE EARTH

DOI:https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.119.5.060

КОНТРОЛЬ И МОНИТОРИНГ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Научная статья

Колбина О.Н.1, Яготинцева Н.В.2, Сафонова Т.В.3, Мокряк А.В.4, *

1,2,3 Российский Государственный Гидрометеорологический Университет;Санкт-Петербург, Россия;

4 Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России;Санкт-Петербург, Россия

* Корреспондирующий автор (Mokryakanna[at]mail.ru)

Аннотация

В статье акцентируется внимание на необходимости контроля и мониторинга окружающей среды на законодательном уровне. Выявлены категории предприятий, подлежащих контролю уровня загрязнений окружающей среды. Определена необходимость внедрения единой геоинформационной системы мониторинга окружающей среды, а также информационные и функциональные требования к ней.  Разработана концептуальное представление единой геоинформационной системы мониторинга окружающей среды и предложен прототип измерительных устройств и информационного обеспечения. Проанализированы способы передачи данных и определен оптимальный для обеспечения фиксации информации и отображения на геоинформационной подложке.

Ключевые слова: экологическая обстановка, геоинформационная система, IoT, NRX, DRX, промышленное предприятие.

CONTROL AND MONITORING OF ENVIRONMENTAL SAFETY

Research article

KolbinaO.N.1, YagotincevaN.V.2, Safonova T.V.3, MokryakA.V.4, *

1,2,3  Russian State Hydrometeorological University, Saint-Petersburg, Russia;

4Saint-Petersburg University of the State Fire Service of the EMERCOM of Russia, Saint-Petersburg, Russia

* Corresponding author (Mokryakanna[at]mail.ru)

Abstract

The article focuses on the need to control and monitor the environment at the legislative level. Categories of enterprises subjected to environmental pollution control were established. The necessity of a unified geoinformation system for environmental monitoring, as well as its informational and functional requirements, was introduced.  A conceptual presentation of a unified geoinformation system for environmental monitoring was developed, a prototype of measuring devices and informational support proposed.  Methods of data transmission were analyzed, and the optimal one for ensuring informational fixation and its display on geoinformation backing was determined.

Keywords: ecological situation geoinformation system, IoT, NRX, DRX, industrial enterprise.

Введение

Каждый человек хочет жить в безопасном и комфортном месте, с чистым воздухом, едой и водой, однако современные мегаполисы нельзя таковыми назвать. Обилие промышленных объектов, густонаселённость и увеличение с каждым годом количества транспорта приводит к плачевному состоянию экологической обстановки вокруг больших городов. Проблема загрязнения атмосферного воздуха становится только острее на протяжении последних десяти лет, однако ситуация стала меняться в 2017 году [1], который стал годом экологии в России. В этот год большое внимание уделялось законодательному аспекту в части Федерального Закона «Об охране окружающей среды». Так в изменениях говорится, что в период с 2018 по 2022 года промышленные объекты, загрязняющие окружающую среду в значительной степени, должны установить специализированные средства измерения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, с автоматической передачей информации в фонд государственного экологического мониторинга.

Цель таких нововведений предотвратить ущерб окружающей среде, так как предполагается реагировать на потенциально опасную ситуацию еще до того времени как она перерастет в критически опасную.

Обзор вопроса и постановка задачи

Согласно статье 4.2. ФЗ 219 «О внесении изменений в Федеральный закон «Об охране окружающей среды» и отдельные законодательные акты Российской Федерации» Предприятия производящие экологические загрязнения в результате своей деятельности делятся на 4 категории:

  • 1 категория. Объекты, оказывающие значительное негативное воздействие на окружающую среду и относящиеся к областям применения наилучших доступных технологий,
  • 2 категория. Объекты, оказывающие умеренное негативное воздействие на окружающую среду;
  • 3 категория. Объекты, оказывающие незначительное негативное воздействие на окружающую среду;
  • 4 категория. Объекты, оказывающие минимальное негативное воздействие на окружающую среду.

Каждая из категорий вносит в бюджет РФ соответствующую плату за негативное воздействие на окружающую среду. Для уменьшения издержек предприятию необходимо доказать уменьшение воздействия и перейти на более легкую категорию [2].

Введение и установка автоматических датчиков сбора данных о состоянии окружающей среды должны исключить любую подтасовку сведений со стороны руководства промышленного объекта, что повысит доверие к передаваемым показателям. Данный подход будет работать при условии модернизации промышленных производств всего региона, иначе невозможно просчитать и увидеть полную картину экологической обстановки, так как оборудование в существующих городских постах наблюдения за уровнем загрязнения атмосферы не менялось с 70-х годов прошлого века. Старое оборудование способно определять основные примеси, но не ориентировано на новые [3].

В одном из самых крупных городов России, Москве, уже более 70 крупных предприятий оснащены датчиками измерения и учета выбросов загрязняющих веществ. Но на данный момент отсутствует единая информационная инфраструктура позволяющая отслеживать сложившуюся обстановку и обеспечивающая прозрачность процедуры мониторинга.

Для достижения оптимального эффекта от внедрения подобной системы, единая информационная структура должна обеспечивать фиксацию и отображение следующих параметров:

  • датчики на дымовые трубы (измерения состава выбросов в воздух на самом предприятии производятся каждые 20 мин)
  • датчики состояния атмосферного воздуха на границе санитарно-защитной зоны (СЗЗ) и на территории предприятия (измерения производятся каждые 12 ч.)
  • датчики качества сточных вод на предприятии (измерения проводятся каждые 12 ч.)
  • датчики состояния и уровня грунтовых вод (измерения раз в полугодие).

В автоматическом режиме должна происходить передача и анализ данных: по каналам связи результаты измерений могут выводиться на мониторы операторов технологических установок, диспетчеров по заводу и специалистов экологической службы. Полученные в режиме онлайн данные позволяют корректировать режим работы и контролировать уровень их воздействия на окружающую среду [4].

Материалы и методы

Для обеспечения должного уровня доверия к собираемой и отображаемой информации [5] единая информационная инфраструктура должна быть понятна и оператору экологического надзора, и рядовому жителю. В результате исследования были сформированы требования для подобной системы:

  1. Отображение собранной информации необходимо выводить на карту (внедрение геоинформационных технологий)
  2. Мониторинг необходимо поддерживать в режиме реального времени (внедрение систем передачи GPRS, Wi-Fi)
  3. Устройства сбора данных должны быть малогабаритными и автономными (внедрение микроэлектроники, альтернативных источников питания и IoT)
  4. Предоставление информации по уровням загрязненности (соотнесение уровней загрязнённости в цветовом режиме с нормами ПДК)

Таким образом Прототип ГИС обеспечения принятия решения на основе мобильного мониторинга окружающей среды включает [6]:

  • ГИС отображающую текущее экологическое состояния (рисунок 1).
  • Портативные многофункциональные измерительные приборы (рисунок 2).

1

Рис. 1 – Геоинформационная система отображения экологического состояния

1

Рис. 2 – Прототип многофункционального измерительного прибора

Измеряемые параметры в режиме реального времени пересылаются на webserver, что позволяет формировать сетку с привязанными координатами к каждому устройству, для дальнейшего анализа и планирования контролируемой территории.

Применение в датчиках современных достижений техники, указанных в требованиях к единой системе, позволит уменьшить их стоимость для конечного потребителя и возможность приобретать не только на производство, но и для личного пользования [7].

Применение геоинформационных технологий и адаптация представляемой информации (соотнесение) открывает более широкий функционал для отслеживания и быстрого реагирования на ситуацию. Совокупность же применения датчиков для получения актуальной информации и геоинформационной системы для отображения её на карте территории ведет к своевременной локализации происшествия (рисунок 3).

1

Рис. 3 – Концептуальное представление геоинформационной системы

На рисунке 1 показана Геоинформационная система управления экологической обстановкой города, которая будет апеллировать большим количеством информации, что накладывает на неё особые ограничения в технологиях создания баз данных и защите информации.

Измеряемые параметры в режиме реального времени пересылаются на webserver показания по углекислому газу и основным метеопараметрам, что позволяет формировать сетку с привязанными координатами к каждому устройству.

Поскольку данное решение может быть только как программно-аппаратный комплекс, то для реализации программного слоя была выбрана технология интернет вещей, которая имеет перспективы в цифровизации. Совокупность технологий, позволяющая осуществлять сбор данных и, возможно в дальнейшем, контроль за объектами, называется «Интернет вещей» (дословно – «интернета всего» от английского InternetofEverything, IoE) [8], которая позволяет получить доступ к источнику необходимых данных в реальном времени.

Работу интернета вещей поддерживают электронные устройства, взаимодействующие с физическим реальным миром. Данные в таких системах предоставляют контекстную, актуальную и прогностическую информацию, которая оказывает влияние на геоинформационную систему для поддержки принятия управленческих решений. Взаимодействие компонентов IoT, обеспечивающих ее работу представлены на рисунке 4 [9].

1

Рис. 4 – Службы и компоненты технологии IoT в системе мониторинга

Каналами передачи данных могут быть двухточечные соединения внутри или между системами IoT, внутри или между доменами, а также с другими системами и организациями. Подключенные сети должны управлять подключаемостью от одной сети до другой. Ключевая роль сетей заключается в поддержке и обеспечении деятельностей и взаимодействий для коммуникаций и обмена данными [10].

Для реализации передачи данных от устройств к серверу оптимальным режимом работы является NRX (NoRX). В отличии от DRX (DiscontinuousRX) и CRX (ContinuousRX), такой режим работы обеспечивает только передачу данных с заданной частотой [11], остальное время модем находится в режиме «сон», что позволяет «экономно» использовать полосу пропускания и режим энергосбережения. При реализации систем автономного питания с использованием альтернативных источников питания вопрос энергосбережения достаточно критичен.

В режиме работы NRX не поддерживаются переотправка «потерянных» данных и режим автоматического выбора оптимальной скорости связи.

Заключение

В ходе исследования был определён новый подход к облику информационной системы мониторинга окружающей среды в пределах территории производства, оказывающих значительное негативное воздействие на окружающую среду.

Определены основные составляющие единой информационной системы. Представление такой информации с применением геоинформационной технологии позволит обеспечит оперативное реагирование в случае выявления системой нарушения.  Выбранный режим передачи данных от датчиков до хранилища данных обеспечит экономию используемого канала связи.

Положено начало для дальнейшего исследования:

  1. Определения минимального размера сетки для размещения датчиков по контуру;
  2. Рассмотреть вопрос большого хранения данных для дальнейшего использования;
  3. Рассчитать показатели надежности к геоинформационной системе мониторинга.

Ввод в эксплуатацию подобных систем – это важный этап модернизации предприятий, особенно тех, которые находятся в черте городов. Именно поэтому повышение экологической эффективности – это, наряду с производственными задачами, одно из важнейших направлений работы крупных компаний. Наличие таких экологических систем позволяет не только сделать работу предприятий более прозрачной и экологически эффективной, но и помогает им выстроить конструктивный диалог как с контролирующими органами, так и непосредственно с жителями близлежащих регионов, что очень важно.

Конфликт интересов Conflict of Interest
Не указан. None declared.

Список литературы / References

  1. Peculiarities of creating a database for the IoT system of urban forest management in the city of St. Petersburg / O.Kolbina, E. Istomin, N.Yagotincevaet al. // IOP Conference Series: Earth and Environmental Sciencethis link is disabled. – 2021. –No. 876(1). – pp. 012039.
  2. Formation of a data network in a geo-information system for forest inventory / M.Kalambet, V.Mikheev, E.Istomin et al. // M. IOP Conference Series: Earth and Environmental Sciencethis link is disabled. – 2021. – 876(1). –pp. 012036.
  3. The use of information and infocommunication technologies in the management of urban forests of St. Petersburg using geographic information systems / O. Kolbina, N.Yagotinceva, P.Bogdanov et al. // M. IOP Conference Series: Earth and Environmental Sciencethis link is disabled. – 2020. – 507(1). –pp. 012013.
  4. Method for solving problems of the theory restrictions of infocommunication systems using linear equations with many unknowns /D.M.Malikova, E.S.Slashchev, E.P.Istomin et al. // IOP Conference Series: Earth and Environmental Sciencethis link is disabled. – 2020. –No. 507(1). – pp. 012018.
  5. Robotic systems in forestry /A.Boitsov, M.Vagizov, E.Istomin et al. // IOP Conference Series: Earth and Environmental Sciencethis link is disabled. – 2021. – 806(1). – pp. 012034.
  6. Визуальная цифровая модель леса на основе данных дистанционного зондирования и данных лесоустройства / М.Р.Вагизов, Е.П.Истомин, И.Л.Михеев // Дистанционное зондирование. –2021. – № 13(20). – Номер статьи 4092.DOI: 10.3390/rs13204092
  7. Five technologies required to create IoT-applications. [Electronic resource] URL : https://www.itweek.ru/iot/article/detail.php?ID=187126 (Accessed 15.03.21). [in Russian]
  8. Model of geo-information support for decision-making while natural risk management / V.M.Abramov, E.P.Istomin, V.L. Mikheev et al.// International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM. – 2019. –Vol. 19. – № 2.1. – pp. 951-956.
  9. Kvochkin D.O.Mobile device of the automated forest inventory / D.O.Kvochkin, V.A. Ustyugov // Journal of Industrial Pollution Control. – 2017. – No. 331(1). – pp. 976-980.
  10. Bogatyrev V. A. 2012 Of the computing systems with redistribution of queries / V. A. Bogatyrev, S. V. Bogatyrev, A. V. Bogatyrev // Izvestia vuzov. Instrumentation. – No 55 – Vol. 10. – pp 53-56.
  11. The use of multi-agent systems in forestry/ T V Safonova, O N Kolbina, N V Yagotintceva and A V Mokryak // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – Vol.806. – 2021.– pp. 012028.

Список литературы на английском языке / References in English

  1. Peculiarities of creating a database for the IoT system of urban forest management in the city of St. Petersburg / O.Kolbina, E. Istomin, N.Yagotincevaet al. // IOP Conference Series: Earth and Environmental Sciencethis link is disabled. – 2021. –No. 876(1). – pp. 012039.
  2. Formation of a data network in a geo-information system for forest inventory / M.Kalambet, V.Mikheev, E.Istomin et al. // M. IOP Conference Series: Earth and Environmental Sciencethis link is disabled. – 2021. – 876(1). –pp. 012036.
  3. The use of information and infocommunication technologies in the management of urban forests of St. Petersburg using geographic information systems / O. Kolbina, N.Yagotinceva, P.Bogdanov et al. // M. IOP Conference Series: Earth and Environmental Sciencethis link is disabled. – 2020. – 507(1). –pp. 012013.
  4. Method for solving problems of the theory restrictions of infocommunication systems using linear equations with many unknowns / D.M.Malikova, E.S.Slashchev, E.P.Istomin et al. // IOP Conference Series: Earth and Environmental Sciencethis link is disabled. – 2020. –No. 507(1). – pp. 012018.
  5. Robotic systems in forestry / A.Boitsov, M.Vagizov, E.Istomin et al. // IOP Conference Series: Earth and Environmental Sciencethis link is disabled. – 2021. – 806(1). – pp. 012034.
  6. Vizualnaya tsifrovaya model lesa na osnove dannykh distantsionnogo zondirovaniya i dannykh lesoustroystva [Visual digital model of the forest based on remote sensing data and forest management data] / M.R. Vagizov, E.P. Istomin, I.L. Mikheev // Distantsionnoye zondirovaniye [Remote sensing]. – 2021. – № 13(20). – p. 4092. DOI: 10.3390/rs13204092. [in Russian]
  7. Five technologies required to create IoT-applications. [Electronic resource] URL : https://www.itweek.ru/iot/article/detail.php?ID=187126 (Accessed 15.03.21).
  8. Model of geo-information support for decision-making while natural risk management / V.M.Abramov, E.P.Istomin, V.L. Mikheev et al. // International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM. – 2019. –Vol. 19. – № 2.1. – pp. 951-956.
  9. Kvochkin D.O.Mobile device of the automated forest inventory / D.O.Kvochkin, V.A. Ustyugov // Journal of Industrial Pollution Control. – 2017. – No. 331(1). – pp. 976-980.
  10. Bogatyrev V. A. 2012 Of the computing systems with redistribution of queries / V. A. Bogatyrev, S. V. Bogatyrev, A. V. Bogatyrev // Izvestia vuzov. Instrumentation. – No 55 – Vol. 10. – pp 53-56.
  11. The use of multi-agent systems in forestry/ T V Safonova, O N Kolbina, N V Yagotintceva and A V Mokryak // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – Vol.806. – 2021.– pp. 012028.