Взаимоотношение человека, общества и природы – одна из наиболее острых и актуальных проблем современности. Результатом все усиливающегося техногенного воздействия на природу и человека является возникновение зон чрезвычайной экологической ситуации. Одной из таких зон является г. Братск, где экологические проблемы начали решаться в конце 80-х годов XX века, когда были проведены основные научно-исследовательские работы по оценке воздействия источников загрязнений на природную среду и здоровье населения [1].

К настоящему времени сформировался научный задел результатов исследований экологических проблем г. Братска по направлениям:

• создание мониторинговой системы состояния окружающей среды;
• рациональное природопользование и возможность управления функционированием зоны чрезвычайной экологической ситуации.

Город Братск относится к крупным промышленным узлам Восточной Сибири. В нем расположено более 40 крупных и мелких промышленных предприятий деревообрабатывающей, металлургической промышленности и предприятий энергетики. По данным центра мониторинга загрязнения окружающей среды Иркутского территориального управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды г. Братск находится в списке городов России с наиболее высоким уровнем загрязнения воздуха около 10 лет. В атмосферу выбрасывается сложная смесь загрязняющих веществ, в том числе 1 и 2 класса опасности. Показатели загрязнения воздуха – это содержание в атмосфере выбросов бензаперена, формальдегида, диоксида азота и взвешенных веществ. Необходимо разрабатывать мероприятия по снижению уровня воздействия антропогенных факторов на окружающую среду, что входит в задачу мониторинга.

Управление природоохранной деятельностью, связанных с системой экологического мониторинга, включает проведение следующих мероприятий [2]:

- текущий учет изменений и контроль качества окружающей среды;

- прогноз изменений окружающей среды.

Экологический мониторинг представляет собой систему повторных наблюдений за элементами окружающей среды в пространстве и во времени с определенными целями и в соответствии с определенными обстоятельствами.

Экологический мониторинг должен включает звенья разного уровня:

1.     Глобальный мониторинг, основан на международном сотрудничестве.

2.     Национальный мониторинг – общегосударственная система наблюдений.

3.     Региональный мониторинг – система наблюдений в регионах с острой экологической ситуацией.

4.     Локальный (импактный) мониторинг – наблюдения в зоне влияния предприятий.

5.     Фоновый мониторинг – наблюдения в районах, где исключена всякая хозяйственная деятельность.

Наиболее актуальными представляются следования, посвященные изучению влияния промышленных предприятий г. Братска на окружающую среду, т.е. импактному мониторингу.

Система мониторинга является информационным средством для принятия правильных решений по регулированию качества среды.

Составной частью комплексного мониторинга является мониторинг источников загрязнения (антропогенного воздействия). Под данным мониторингом понимаются наблюдения, оценка и прогноз количества и качества загрязнений, поступающих в окружающую среду в результате хозяйственной деятельности природопользователей. Цель этого вида мониторинга – выявление антропогенных загрязнений. Мониторинг выявляет критические ситуации, критические факторы воздействия, наиболее подверженные этим воздействиям элементы биосферы. На рис.1 приведена классическая функциональная схема мониторинга [3], где показаны отдельные блоки системы мониторинга и связи между ними.

Рис. 1. Функциональная схема мониторинга.

Блоки “Наблюдения“ и “Прогноз состояния“ тесно связаны между собой, т.к. прогноз состояния окружающей среды возможен лишь при наличии достаточно репрезентативной информации о фактическом состоянии (прямая связь). Построение прогноза, с одной стороны, подразумевает знание закономерностей изменений состояния природной среды, наличие схемы и возможностей численного расчета.

С другой стороны, направленность прогноза в значительной степени должна определять структуру и состав наблюдательной сети (обратная связь). Одним из важнейших блоков является блок “Регулирование качества среды“, позволяющий активно влиять на экологическую ситуацию.

Система экологического мониторинга включает различные блоки, имеющие свои задачи и базу обеспечения:

а) мониторинг источников воздействия;

б) мониторинг факторов воздействия (химических, физических, биологических);

в) мониторинг состояния биосферы:

Экологическое состояние воздушного бассейна характеризуется содержанием выбросов в атмосфере. Выбросы в свою очередь претерпевают процесс рассеивания в атмосфере, который представляет собой сложную взаимосвязь множества параметров, имеющих различную физико-биологическую основу. При изменении различных параметров изменяется и характер рассеивания выбросов в атмосфере. Таким образом, воздушный бассейн в условиях длительного антропогенного воздействия можно рассматривать как сложную взаимосвязанную систему управления.

Начальным этапом экологического мониторинга является создание автоматизированной системы мониторинга, которая осуществляет сбор и представление достоверной информации о состоянии воздушного бассейна окружающей среды в пределах города. Представляемая информация формируется из данных необходимых заказчику системы мониторинга. Для данной разработки предполагается использование до 6 аналоговых параметров, представляемых для отчётной системы. Собираемые данные обрабатываются и представляются заказчику в удобном виде для дальнейшего анализа. Для мгновенных значений используется круговые диаграммы. Для накопленных данных система трендов.

Система мониторинга может использоваться для сбора информации о систематическом загрязнении окружающей среды промышленными предприятиями города, а также может использоваться в качестве предупреждающей системы о техногенных катастрофах.  Данная информация будет обновляться каждую минуту, что соответствует режиму реального времени. Система будет предоставлять достоверную информацию в пределах класса точности датчиков и будет независима от данных представляемых промышленными предприятиями.

Автоматизированная система мониторинга состоит из аппаратного и программного комплексов.

В аппаратный комплекс системы входят: датчики, устройство связи с объектом, приемо-передающее устройство, запоминающее устройство, источники бесперебойного питания (ИБП). Программный комплекс представляет собой серверную часть и язык программирования сбора данных.

Система предоставляет подробную информацию о загрязнении окружающей среды, поэтому используется аналоговые датчики. Использование приборов переведённых в разряд индикаторов возможно только при необходимости обоснованной заказчиком. При выборе аналоговых или дискретных датчиков отдаётся предпочтение отечественным разработкам в области приборостроения (метран, сапфир).

Устройство связи с объектом (УСО) обеспечивает снятие показаний с датчиков. Предполагается не более 8 датчиков, рекомендуемое значение 6 датчиков. Один из каналов предполагается зарезервировать для индикации целостности контура.

Приемо-передающее устройство снимает с УСО подготовленную для передачи на сервер информацию. Для систем мониторинга предпочтительно использование GSM сетей мобильной связи. При использовании системы для мониторинга окружающей среды с возможностью радиационного заражения в виду вероятности отказа GSM сети необходимо использование резервного канала связи. Таковым, возможно, использовать широкополосный доступ в Интернет, которым оснащены учебные заведения по президентской программе. Это возможно при условии расположения аппаратного комплекса в учебном заведении. Основной накопитель информации расположен на сервере. При передаче или сохранении информации на сервер может возникнуть кратковременный сбой. Во избежание потери данных при передаче будут использованы внутренние накопители данных, входящие в состав аппаратуры сбора данных, рассчитанные для хранения данных объёмом накопленных данных за 4 дня. Период времени достаточный для производства ремонтно-восстановительных работ. При выставлении жёстких требований необходимо использовать энергонезависимую память.

Для питания аппаратуры сбора данных (+5, -5, +12, -12 В) необходимо использование ИБП. В рабочем режиме ИБП питаются от рабочей сети напряжением 220 В. В аварийном режиме, должны переходить на аккумуляторную поддержку. Технические характеристики ИБП позволят поддерживать необходимый уровень напряжения во время отсутствия рабочего напряжения, а также при скачках напряжения и искажении, помехах в питающей сети.

Для представления информации заказчику необходимо аренда сервера. Для хранения данных их последующей работы с ними предлагается использование системы управления базами данных (СУБД) MySQL, так как данная СУБД не требует покупки лицензий. В качестве языка программирования РНР, так же относящегося к категории не требующих лицензий на использование. Данный выбор обеспечит требуемый уровень обработки и представления информации.

Для обеспечения опроса датчика или группы датчиков (в зависимости от требований заказчика), первичной обработки (для сохранения на внутреннем накопителе), передачи данных на сервер по каналам GSM сетей или шлюзов в Интернет, сбора внутренней информации об ошибках и сбоях в работе предлагается использование языка ассемблера для конкретных типов программируемых микроконтроллеров семейства PIC.

Для удобного представления мгновенных данных системы используется карта города с нанесённым на неё расположением датчиков. Показания датчиков представляются в виде круговых диаграмм. Количество секторов соответствует количеству датчиков. Цвета секторов: зеленый – показатели не превышают ПДК; красный – показатели превышают ПДК; желтый – наличие неисправности датчика либо отсутствие обмена данных (неверная контрольная сумма) (рис 2). В результате работы системы будут накоплены большие объёмы данных. Для удобного использования разработаны 24, 12 и 8 часовые тренды соответствующие требуемой дате (рис. 3 и 4)

Рис.2. Пример круговой диаграммы.

Рис. 3. Пример выбора даты.