- Главная >
- Публикации >
- Научный аспект >
- ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПРИ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЯХ НА ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ ОБЪЕКТАХ
ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПРИ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЯХ НА ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ ОБЪЕКТАХ
16 Августа 2005
к.т.н. Заболотских В.И.
ГУ Физико-технический институт Уральского отделения РАН, г. Ижевск
Аварии и катастрофы характеризуются процессами техногенного характера (возгорания, аварийные взрывы, выбросы радиоактивных и токсичных продуктов), или же резкими изменениями внешних условий природного характера (землетрясения, оползни, ураганы, селевые и снежные лавины) [1] и являются скоротечными процессами импульсного характера. Эти скоротечные процессы, назовем их аварийными, оказывают воздействия, вызывающие опасность разрушения различных объектов, угрожающие жизни людей и приводящие к экологическим загрязнениям.
Анализ существующей системы управления территориями показывает, что для быстропротекающих чрезвычайных ситуаций (ЧС) критическим параметром является время принятия решений, от которого зависит величина ущерба и потерь. Так нормативное время принятия решения при аварии с аварийно химически опасными веществами (АХов) составляет три минуты с момента начала аварии [2].
Для адекватного реагирования в таких чс необходимо знание динамики развития аварийных процессов. Существующие же системы наблюдения потенциально опасных объектов, например, система экологического мониторинга при уничтожении химического оружия в Саратовской области [3], в основном ориентированы на предупреждение аварийных ситуаций и не дают представления о динамике развития скоротечных аварийных процессов.
Поэтому целесообразно, чтобы средства наблюдения (мониторинга) имели 2 режима работы:
— наблюдение и непрерывный контроль с целью обнаружения признаков аварийного процесса;
— регистрация параметров аварийного процесса и динамики развития в случае его обнаружения.
При этом необходимо учитывать особенности мониторинга аварийных процессов потенциально опасных объектов:
— пространственная масштабность измерений;
— длительный интервал ожидания (мониторинга) факта ЧС;
— скоротечность аварийного процесса (выброс, взрыв).
Такие режимы наблюдения с учетом особенностей мониторинга потенциально опасных объектов могут быть реализованы в интеллектуальных системах на базе регистрирующих средств измерений (РСИ) с возможностью анализа измеряемых параметров в масштабе реального времени [4]. При этом автоматическое переключение из первого режима во второй можно определить как автоматический запуск таких средств по обнаружению признаков аварийного процесса на длительном интервале наблюдения [5, 6].
Таким образом, для выполнения функции регистрации параметров аварийного процесса, система экологического мониторинга должна обладать многоканальностью, иметь большую номенклатуру и количество датчиков различного типа, адаптивные алгоритмы распознавания, обработки и регистрации информации о параметрах аварийных процессов импульсного характера, проявляющих себя на длительном интервале наблюдения и характеризующихся:
— непредсказуемым моментом времени начала аварийного процесса;
— широким частотным диапазоном регистрируемых сигналов;
— невоспроизводимостью комплекса аварийных сигналов, так как каждая ЧС индивидуальна и непредсказуема.
Эти причины, в основном, определяют сложность построения систем экологического мониторинга объектов хранения и уничтожения химического оружия и классифицируют их как пространственно распределенные информационно-измери-тельные системы.
Можно предложить следующую концепцию построения интеллектуальной пространственно распределенной информационно-измерительной системы (рис. 1), в которой выделены три важнейших этапа преобразования информации: аналоговая часть А, цифровая часть Ц и центр программно-алгоритмической обработки.
Рис. 1. Структура интеллектуальной пространственно распределенной
информационно-измерительной системы
Аналоговая часть системы А обеспечивает аналоговую обработку (кондиционирование) континуальных измерительных сигналов:
- — согласование с датчиками;
- — фильтрацию помех;
- — усиление;
- — нормирование;
- — согласование с цифровой частью системы.
Цифровая часть системы Ц обеспечивает:
- — преобразование аналоговых сигналов в цифровой вид;
- — анализ и поиск в реальном масштабе времени аварийного сигнала;
- — запоминание измерительной информации с учетом времени ее поступления;
- — передача ее в центр обработки информации.
Задача регистрации параметров аварийного процесса системой экологического мониторинга заключается в обеспечении регистрации информации на длительном интервале наблюдения, когда идет непрерывный процесс измерения, при применении автоматических помехоустойчивых методов принятия решений о регистрации параметров процесса (включения регистраторов) по распознаванию аварийных сигналов в реальном масштабе времени.
Алгоритм принятия решения в реальном масштабе времени о регистрации аварийных сигналов на основе анализа измерительной информации:
1) преобразование аналоговых сигналов с датчиков в цифровой вид fj(t)>Xj(ti);
2) анализ сигналов с датчиков Xj(ti) в реальном масштабе времени:
— выделение заданных априорно характеристик j-го сигнала F(Xj(ti),ti);
— сравнение с обобщенной априорной моделью данного класса сигнала Wj;
— автоматическое принятие решения о регистрации сигнала;
3) регистрация j-го сигнала Xj(ti);
4) передача данных в центр обработки информации.
Возможный выброс АХОВ при аварии является в большинстве случаев вторичным явлением, следствием других (первичных) процессов, таких как взрыв, пожар, наводнение, землетрясение, непрогнозируемый удар и т.п. Методология мониторинга потенциально опасного объекта и окружающей среды заключается в том, что производится постоянное измерение параметров не только характеризующих возможный выброс АХОВ, но и параметров, которые характеризуют аварийный процесс на объекте с последующей их корреляцией для определении ситуационной модели развития ЧС на основном объекте и внешней среде, находящихся в выделенной зоне контроля.
Развитие аварийной ситуации наиболее объективно и оперативно может быть предсказано только на основании корреляции ряда параметров мониторинга объекта по хранению и уничтожению химического оружия и окружающей среды.
К таким параметрам относятся:
- — концентрация АХОВ на объекте и в окружающей среде;
- — давление во фронте ударной волны при взрывном характере выброса, непрогнозируемом ударе;
- — температура конструкций и окружающей среды при взрыве, пожаре;
- — световое излучение от пожара, вспышки при взрыве;
- — ускорение на элементах конструкций и зданий при взрыве, землетрясении;
- — подтопление объекта при наводнении или другом непредсказуемом стихийном бедствии.
Каждый аварийный сигнал с датчиков вышеперечисленных типов имеет некий обобщенный характерный вид (эталон). Такой эталон, например, можно сформировать на основе статистического обобщения (усреднения) нескольких десятков аварийных сигнальных реализаций для каждого типа датчика в виде временной последовательности, или в виде качественного описания на основе опроса нескольких десятков специалистов-экспертов в вербальном виде. Поэтому в процессе мониторинга производится непрерывное опознание аварийных измерительных сигналов с датчиков методом сравнения каждого типа сигнала со своим эталоном программным путем на микропроцессоре или при помощи аппаратной реализации этой процедуры.
Затем факт наличия аварийного сигнала с одного типа датчика проверяется на временное совпадение с аварийными сигналами с другими типами датчиков, при наличии совпадения (корреляции) делается вывод о возникновении ЧС. По вычислению корреляционных характеристик измеренных данных, полученных с этих датчиков, производится обнаружение признаков ЧС независимо от операторов, охраны и персонала на объекте.
Корреляция измерительных сигналов необходима для установления какого-либо факта аварии. Например, при ударе молнии световая вспышка и ударная волна (гром) не совпадают по времени и не будет превышения температуры на объекте, а при взрыве на объекте световая вспышка и ударная волна будут совпадать и затем возникнет большая температура на объекте за счет возникновения пожара.
Таким образом обеспечивается повышение оперативности, надежности и достоверности мониторинга при развитии аварийных событий на объекте и в окружающей его среде. Это позволяет обеспечить системность при оценке аварийной ситуации на объекте и окружающей среде и автоматизировать процесс мониторинга. В этом случае мониторинг, включающий в себя алгоритмы опознавания и вычисления взаимной корреляции аварийных признаков, позволит предотвратить аварийную ситуацию на контролируемом объекте за счет принятия решений, а также прогнозировать развитие аварийной ситуации.
Использование предложенной методологии позволяет обеспечить системный подход к решению задачи автоматизированного экологического мониторинга потенциально опасных объектов и, в частности, объектов по хранению и уничтожению химического оружия, и производить разработку систем экологического мониторинга как интеллектуальных пространственно распределенных информационно-измери-тельных систем с учетом методических требований комплексного контроля не только производственной зоны объекта, но и окружающей среды, что позволит повысить безопасность эксплуатации объекта и, следовательно, обеспечить безопасность населения, проживающего в непосредственной близости от таких объектов.
Литература
1. Макеев В., Михайлов А., Стражиц Д. Классификация чрезвычайных ситуаций // Гражданская защита. №1. 1996. С. 86—89.
- 2. Справочник по защите населения от СДЯВ. — М.: ВНИИ ГОЧС. 1995. 425 с.
- 3. Система экологического мониторинга при уничтожении химического оружия в Саратовской области. Монография. / Под общей редакцией проф. А.Н. Маликова и проф. В.Н. Чуписа. — Саратов. 2002. 217 с.
- 4. Заболотских В.И. Микропроцессорная система мониторинга атмосферы /Аварии и катастрофы. Предупреждение и ликвидация последствий: Учебное пособие в 5-ти книгах. Книга 5 / Под ред. В.А. Котляревского и А.В. Забегаева. — М.: Изд-во Ассоциации строительных ВУЗов. 2001. С. 122—136.
- 5. Алексеев В.А., Заболотских В.И. Помехоустойчивая синхронизация цифровых средств регистрации параметров скоротечных процессов // Датчики и системы. № 11. 2001. С. 2—6.
- 6. Алексеев В.А., Кардаполов А.А., Арефьев А.В., Заболотских В.И. Принципы построения системы мониторинга объектов хранения и уничтожения химического оружия с использованием интеллектуальных датчиков // Труды науч.-техн. конф. «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (19—20 апр. 2001; Ижевск). — Ижевск: Издательский дом «Удмуртский университет». 2001. С. 164—168.
- 7. Вахрушев В.И., Заболотских В.И., Хохряков А.В. Система автоматического контроля, прогноза и оповещения о газовой опасности на химически опасном объекте // Приборы и системы управления. №3. 1999. С. 13—15.
- 8. Алексеев В.А., Арефьев А.В., Габричидзе Т.Г., Заболотских В.И. Адаптивный экологический мониторинг окружающей среды // Экология и промышленность России. 2002 (октябрь). С. 11—13.
- 9. Алексеев В.А., Габричидзе Т.Г., Заболотских В.И. Принципы многоступенчатого экологического мониторинга объектов хранения и уничтожения химического оружия // Информационно-аналитический сборник «Федеральные и региональные проблемы уничтожения химического оружия». Вып. 3. — М.: ВИНИТИ. 2003. С. 97—102.
Источник: Информационно-аналитический сборник» Федеральные и региональные проблеммы уничтожения химического оружия», Выпуск 6.
Статьи и материалы Сборника включают данные 2004г.
ГУ Физико-технический институт Уральского отделения РАН, г. Ижевск
Аварии и катастрофы характеризуются процессами техногенного характера (возгорания, аварийные взрывы, выбросы радиоактивных и токсичных продуктов), или же резкими изменениями внешних условий природного характера (землетрясения, оползни, ураганы, селевые и снежные лавины) [1] и являются скоротечными процессами импульсного характера. Эти скоротечные процессы, назовем их аварийными, оказывают воздействия, вызывающие опасность разрушения различных объектов, угрожающие жизни людей и приводящие к экологическим загрязнениям.
Анализ существующей системы управления территориями показывает, что для быстропротекающих чрезвычайных ситуаций (ЧС) критическим параметром является время принятия решений, от которого зависит величина ущерба и потерь. Так нормативное время принятия решения при аварии с аварийно химически опасными веществами (АХов) составляет три минуты с момента начала аварии [2].
Для адекватного реагирования в таких чс необходимо знание динамики развития аварийных процессов. Существующие же системы наблюдения потенциально опасных объектов, например, система экологического мониторинга при уничтожении химического оружия в Саратовской области [3], в основном ориентированы на предупреждение аварийных ситуаций и не дают представления о динамике развития скоротечных аварийных процессов.
Поэтому целесообразно, чтобы средства наблюдения (мониторинга) имели 2 режима работы:
— наблюдение и непрерывный контроль с целью обнаружения признаков аварийного процесса;
— регистрация параметров аварийного процесса и динамики развития в случае его обнаружения.
При этом необходимо учитывать особенности мониторинга аварийных процессов потенциально опасных объектов:
— пространственная масштабность измерений;
— длительный интервал ожидания (мониторинга) факта ЧС;
— скоротечность аварийного процесса (выброс, взрыв).
Такие режимы наблюдения с учетом особенностей мониторинга потенциально опасных объектов могут быть реализованы в интеллектуальных системах на базе регистрирующих средств измерений (РСИ) с возможностью анализа измеряемых параметров в масштабе реального времени [4]. При этом автоматическое переключение из первого режима во второй можно определить как автоматический запуск таких средств по обнаружению признаков аварийного процесса на длительном интервале наблюдения [5, 6].
Таким образом, для выполнения функции регистрации параметров аварийного процесса, система экологического мониторинга должна обладать многоканальностью, иметь большую номенклатуру и количество датчиков различного типа, адаптивные алгоритмы распознавания, обработки и регистрации информации о параметрах аварийных процессов импульсного характера, проявляющих себя на длительном интервале наблюдения и характеризующихся:
— непредсказуемым моментом времени начала аварийного процесса;
— широким частотным диапазоном регистрируемых сигналов;
— невоспроизводимостью комплекса аварийных сигналов, так как каждая ЧС индивидуальна и непредсказуема.
Эти причины, в основном, определяют сложность построения систем экологического мониторинга объектов хранения и уничтожения химического оружия и классифицируют их как пространственно распределенные информационно-измери-тельные системы.
Можно предложить следующую концепцию построения интеллектуальной пространственно распределенной информационно-измерительной системы (рис. 1), в которой выделены три важнейших этапа преобразования информации: аналоговая часть А, цифровая часть Ц и центр программно-алгоритмической обработки.
Рис. 1. Структура интеллектуальной пространственно распределенной
информационно-измерительной системы
Аналоговая часть системы А обеспечивает аналоговую обработку (кондиционирование) континуальных измерительных сигналов:
- — согласование с датчиками;
- — фильтрацию помех;
- — усиление;
- — нормирование;
- — согласование с цифровой частью системы.
Цифровая часть системы Ц обеспечивает:
- — преобразование аналоговых сигналов в цифровой вид;
- — анализ и поиск в реальном масштабе времени аварийного сигнала;
- — запоминание измерительной информации с учетом времени ее поступления;
- — передача ее в центр обработки информации.
Задача регистрации параметров аварийного процесса системой экологического мониторинга заключается в обеспечении регистрации информации на длительном интервале наблюдения, когда идет непрерывный процесс измерения, при применении автоматических помехоустойчивых методов принятия решений о регистрации параметров процесса (включения регистраторов) по распознаванию аварийных сигналов в реальном масштабе времени.
Алгоритм принятия решения в реальном масштабе времени о регистрации аварийных сигналов на основе анализа измерительной информации:
1) преобразование аналоговых сигналов с датчиков в цифровой вид fj(t)>Xj(ti);
2) анализ сигналов с датчиков Xj(ti) в реальном масштабе времени:
— выделение заданных априорно характеристик j-го сигнала F(Xj(ti),ti);
— сравнение с обобщенной априорной моделью данного класса сигнала Wj;
— автоматическое принятие решения о регистрации сигнала;
3) регистрация j-го сигнала Xj(ti);
4) передача данных в центр обработки информации.
Возможный выброс АХОВ при аварии является в большинстве случаев вторичным явлением, следствием других (первичных) процессов, таких как взрыв, пожар, наводнение, землетрясение, непрогнозируемый удар и т.п. Методология мониторинга потенциально опасного объекта и окружающей среды заключается в том, что производится постоянное измерение параметров не только характеризующих возможный выброс АХОВ, но и параметров, которые характеризуют аварийный процесс на объекте с последующей их корреляцией для определении ситуационной модели развития ЧС на основном объекте и внешней среде, находящихся в выделенной зоне контроля.
Развитие аварийной ситуации наиболее объективно и оперативно может быть предсказано только на основании корреляции ряда параметров мониторинга объекта по хранению и уничтожению химического оружия и окружающей среды.
К таким параметрам относятся:
- — концентрация АХОВ на объекте и в окружающей среде;
- — давление во фронте ударной волны при взрывном характере выброса, непрогнозируемом ударе;
- — температура конструкций и окружающей среды при взрыве, пожаре;
- — световое излучение от пожара, вспышки при взрыве;
- — ускорение на элементах конструкций и зданий при взрыве, землетрясении;
- — подтопление объекта при наводнении или другом непредсказуемом стихийном бедствии.
Каждый аварийный сигнал с датчиков вышеперечисленных типов имеет некий обобщенный характерный вид (эталон). Такой эталон, например, можно сформировать на основе статистического обобщения (усреднения) нескольких десятков аварийных сигнальных реализаций для каждого типа датчика в виде временной последовательности, или в виде качественного описания на основе опроса нескольких десятков специалистов-экспертов в вербальном виде. Поэтому в процессе мониторинга производится непрерывное опознание аварийных измерительных сигналов с датчиков методом сравнения каждого типа сигнала со своим эталоном программным путем на микропроцессоре или при помощи аппаратной реализации этой процедуры.
Затем факт наличия аварийного сигнала с одного типа датчика проверяется на временное совпадение с аварийными сигналами с другими типами датчиков, при наличии совпадения (корреляции) делается вывод о возникновении ЧС. По вычислению корреляционных характеристик измеренных данных, полученных с этих датчиков, производится обнаружение признаков ЧС независимо от операторов, охраны и персонала на объекте.
Корреляция измерительных сигналов необходима для установления какого-либо факта аварии. Например, при ударе молнии световая вспышка и ударная волна (гром) не совпадают по времени и не будет превышения температуры на объекте, а при взрыве на объекте световая вспышка и ударная волна будут совпадать и затем возникнет большая температура на объекте за счет возникновения пожара.
Таким образом обеспечивается повышение оперативности, надежности и достоверности мониторинга при развитии аварийных событий на объекте и в окружающей его среде. Это позволяет обеспечить системность при оценке аварийной ситуации на объекте и окружающей среде и автоматизировать процесс мониторинга. В этом случае мониторинг, включающий в себя алгоритмы опознавания и вычисления взаимной корреляции аварийных признаков, позволит предотвратить аварийную ситуацию на контролируемом объекте за счет принятия решений, а также прогнозировать развитие аварийной ситуации.
Использование предложенной методологии позволяет обеспечить системный подход к решению задачи автоматизированного экологического мониторинга потенциально опасных объектов и, в частности, объектов по хранению и уничтожению химического оружия, и производить разработку систем экологического мониторинга как интеллектуальных пространственно распределенных информационно-измери-тельных систем с учетом методических требований комплексного контроля не только производственной зоны объекта, но и окружающей среды, что позволит повысить безопасность эксплуатации объекта и, следовательно, обеспечить безопасность населения, проживающего в непосредственной близости от таких объектов.
Литература
1. Макеев В., Михайлов А., Стражиц Д. Классификация чрезвычайных ситуаций // Гражданская защита. №1. 1996. С. 86—89.
- 2. Справочник по защите населения от СДЯВ. — М.: ВНИИ ГОЧС. 1995. 425 с.
- 3. Система экологического мониторинга при уничтожении химического оружия в Саратовской области. Монография. / Под общей редакцией проф. А.Н. Маликова и проф. В.Н. Чуписа. — Саратов. 2002. 217 с.
- 4. Заболотских В.И. Микропроцессорная система мониторинга атмосферы /Аварии и катастрофы. Предупреждение и ликвидация последствий: Учебное пособие в 5-ти книгах. Книга 5 / Под ред. В.А. Котляревского и А.В. Забегаева. — М.: Изд-во Ассоциации строительных ВУЗов. 2001. С. 122—136.
- 5. Алексеев В.А., Заболотских В.И. Помехоустойчивая синхронизация цифровых средств регистрации параметров скоротечных процессов // Датчики и системы. № 11. 2001. С. 2—6.
- 6. Алексеев В.А., Кардаполов А.А., Арефьев А.В., Заболотских В.И. Принципы построения системы мониторинга объектов хранения и уничтожения химического оружия с использованием интеллектуальных датчиков // Труды науч.-техн. конф. «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (19—20 апр. 2001; Ижевск). — Ижевск: Издательский дом «Удмуртский университет». 2001. С. 164—168.
- 7. Вахрушев В.И., Заболотских В.И., Хохряков А.В. Система автоматического контроля, прогноза и оповещения о газовой опасности на химически опасном объекте // Приборы и системы управления. №3. 1999. С. 13—15.
- 8. Алексеев В.А., Арефьев А.В., Габричидзе Т.Г., Заболотских В.И. Адаптивный экологический мониторинг окружающей среды // Экология и промышленность России. 2002 (октябрь). С. 11—13.
- 9. Алексеев В.А., Габричидзе Т.Г., Заболотских В.И. Принципы многоступенчатого экологического мониторинга объектов хранения и уничтожения химического оружия // Информационно-аналитический сборник «Федеральные и региональные проблемы уничтожения химического оружия». Вып. 3. — М.: ВИНИТИ. 2003. С. 97—102.
Источник: Информационно-аналитический сборник» Федеральные и региональные проблеммы уничтожения химического оружия», Выпуск 6.
Статьи и материалы Сборника включают данные 2004г.