Разработка интеллектуальной автоматизированной системы мониторинга окружающей среды (АСМОС)

1.

Институт «Перспективных Материалов и Технологий»
Разработка интеллектуальной автоматизированной системы
мониторинга окружающей среды (АСМОС) для сбора,
обработки, хранения и передачи метеорологической и
экологической информации с использованием
энергоэффективных телекоммуникационных систем дальнего
радиуса действия
Состав команды: Плотникова А.Д. ИТС-32,
Штро Д.Д. ИТС-32,
Руководитель проекта зам. директора института ПМТ,
д.т.н., проф. – Севрюкова Е.А.

2.

Экологический мониторинг - это система
регулярных длительных наблюдений в
пространстве и времени, дающая информацию о
состоянии ОС с целью оценки прошлого,
настоящего и прогноза в будущем параметров ОС,
имеющих значение для человека.
Современные достижения в области разработки систем, основанных на
знаниях, к которым относятся системы искусственного интеллекта,
автоматизированных методов принятия решений и т.п., поставили новую
научную проблему в области разработки автоматизированных систем
экологического мониторинга – а именно, создание принципиально новых
систем, позволяющих объединять накопление знаний и опыта принятия
решений и проведения мероприятий по управлению экологической
ситуацией в режиме реального времени.

3.

Наша система позволяет
контролировать:
• Диоксид серы (SO2)
• Монооксид азота (NO)
• Диоксид азота (NO2)
• Диоксид углерода (CO2)
• Кислород (O2)
• Монооксид углерода (CO)
• Общее содержание
углеводородов
• Сероводород (H2S)
• Оптическую плотность и
массовую концентрацию пыли
• Аммиак (NH3) и др.
Характерной особенностью
автоматизированных систем экологического
мониторинга и управления состоянием
загрязнения атмосферного воздуха является
ярко выраженная недостаточность
информации о степени загрязнения на всей
площади мониторинга для принятия
оперативного решения о снижении степени
загрязнения воздуха. На степень загрязнения
влияет множество факторов как окружающей
среды (скорость ветра, температура,
влажность, давление и т.д.), так и состояние
источников загрязнения: потоки
автомобильного транспорта, выбросы
промышленных предприятий, продукты
сгорания (дым) пожаров, свалок и т.д. Сама
процедура логического вывода принятия
решения плохо формализуема или не
формализуема вообще.

4.

При разработке современных
АСМОС возникают следующие
научные проблемы: выбор
оптимальной структуры
АСМОС, оптимальный выбор
современных технических и
программных средств контроля
и обработки информации,
выбор и реализация
высокоэффективных способов
повышения надежности и
достоверности информации об
экологической ситуации и т.п.
В настоящей работе решение
этих проблем показано на
примере разработки прототипа
интеллектуальной АСМОС,
являющейся частью
территориальной системы
метеорологического и
экологического мониторинга
Москвы и Московской области.

5.

Работа выполнена в рамках проекта «Штормовое кольцо» г. Москвы курьируемое
ФГБУ “Центральное УГМС”
Целью проекта является создание автоматизированных комплексов для оперативной,
объективной и своевременной оценке негативности источников антропогенного
воздействия, с перспективой объединения и интеграции всей экологической информации в
масштабе страны.
Для осуществления поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:
1. Проведен системный анализ существующих систем экологического мониторинга.
2. Проведен анализ специфики атмосферного воздуха как объекта управления, определены
основные проблемы совершенствования системы управления степенью загрязнения
атмосферного.
3. Разработан состав типовых функций управления степенью загрязнения на уровнях
муниципального управления, предприятий и автотранспорта.
4. Разработана структура интеллектуальной АСМОС атмосферного воздуха с удаленным
доступом.
5. Разработаны информационные модели, алгоритмы и авторский пакет программ на языке
CLIPS, реализующие предложенный метод.
6. Предложена концептуальная модель и облик автоматизированной системы мониторинга
окружающей среды, представляющей собой конвергентный, многофункциональный
программно-аппаратный комплекс технических средств для обмена, сбора, обработки,
хранения и передачи данных, отражающих широкий спектр метеорологических величин

6.

Назначение системы АСМОС − своевременно и
достоверно выдавать необходимую информацию
потребителям, оповещать соответствующие структуры о
надвигающихся катаклизмах в рамках которой реализуются
следующие задачи:
• проведение мониторинга;
• изучить природные и техногенные условия района,
хозяйственное использование и социальную сферу
территории размещения АСМОС;
• оценить современное состояние компонентов природной
среды на данной территории;
• выявить неблагоприятные природные и техногенные
факторы;
• составить кадастр всех видов и источников
антропогенного влияния на окружающую среду
территории;

7.

IoT, или интернет вещей, — это сеть
связанных через интернет
объектов, способных собирать данные
и обмениваться данными,
поступающими со встроенных
сервисов.
Технология LoRaWAN - является
современным направлением развития
беспроводных технологий передачи
небольших объемов данных на
большие расстояния. Технология
допускает высокую концентрацию
конечных терминалов (датчиков) и
низкое энергопотребление.

8.

Сравнение технологий беспроводной связи
по требованиям проекта «Штормовое
кольцо»

9.

Ключевые преимущества LPWAN
✓ Непрерывная работа в режиме реального времени, высокая готовность и защита «всегда на
связи», низкая задержка сигнала, высокая готовность к передаче, независимость от
Интернет, передача данных по защищенным соединениям VPN, расшифровка данных на
сервере сети в вычислительном центре (т.е. «по дороге» данные не прочитать)
✓ Большой радиус охвата: предоставление возможности абонентам осуществления передачи
данных на расстояния, большие чем позволяет сеть базовых станций стандарта GSM.
Покрытие создается специально под задачи заказчика.
✓ Высокая проникающая способность сигнала за счет используемого диапазона 868МГц,
узкой полосы передачи при высокой энергетике
✓ Энергонезависимость абонентских устройств. LPWAN позволяет использовать абонентское
оборудование без наличия гарантированного питания. Автономные устройства способны
функционировать без замены батарей до 10 лет.
✓ Высокая помехозащищенность и устойчивость связи. LPWAN специализированная
технология для телеметрии, в отличие от GSM не зависит от загрузки сети.
✓ Специализированная техническая поддержка и быстрая реакция поставщика, наличие SLA
(соглашения о качестве сервиса)
✓ Низкая абонентская плата, удобство расчетов .
LPWAN позволяет снизить затрат и удобство абонентов на передачу данных в сравнении с
GSM.

10.

Разработана автоматизированная
система мониторинга
окружающей среды
(АСМОС), которая включает в
себя: сбор, обработку,
хранение и передачу данных,
отражающих широкий спектр
метеорологических величин
(температура - Т,
относительная влажность RH, давление - Р, скорость V
и направление ветра Vn),
экологических (основных
загрязнителей воздуха ‒ РМ,
CO, NO, NO2, SO2, и O3, свет,
шум) величин потребителям.

11.

Предлагаемая концептуальная модель АСМОС решает вышеперечисленные задачи
и включает в себя:
• - сервис сбора первичных данных: стационарные (СП) и мобильные (МП)
измерительные посты;
• - одна или несколько базовых станция (БС), которые являются системными
комплексами приёмопередающей аппаратуры и осуществляют централизованное
обслуживание группы СП и МП;
• - совокупность беспроводных каналов связи для взаимодействия измерительных
постов и БС;
• - концентратор данных (КД);
• - сервис обработки, хранения и представления данных;
• - проводные и беспроводные каналы связи организованные поверх сети Интернет
между БС и КД, КД и сервисом обработки и представления;
• - стационарные и мобильные рабочие места (АРМ).
• Измерительный пост включает в себя:
• - измерительную ячейку;
• - контроллер (ПЛК);
• - программно-аппаратное обеспечение приёмопередающей аппаратуры для
организации беспроводного канала с БС (LoRa/GSM-модуль);
• - модуль определения координат (GPS, Глонасс) для МП.

12.

Схема фрагмента системы сбора, хранения,
обработки и визуализации данных

13.

Архитектура оборудования системы мониторинга в
рамках проекта «АСМОС»

14.

Вариант реализации АСМОС на основе
датчиков Vaisala

15.

Спасибо за внимание!