Облачный сервис территориальной пространственно-распределенной сенсорной сети для экологического контроля и надзора

Современные города, как правило, характеризуются неблагоприятной экологической обстановкой за счет функционирования промышленных и бытовых предприятий, а также автотранспорта. Согласно современным нормативным требованиям в области экологической безопасности, мониторинг различных компонентов окружающей среды должен быть организован на постоянной основе, а также обеспечивать сопоставимость получаемой информации на разных территориях контроля. Например, на территории малых городов в последние 7-10 лет происходит уменьшение количества точек наблюдения в связи с недостаточным финансированием, а также сокращением количества сотрудников НИИ и контролирующих организаций. Как следствие, на многих территориях отмечается снижение качества воздуха, поверхностных вод, почв, наблюдается прирост числа нозологий, обусловленных экологическим состоянием. Согласно указам Президента РФ, здоровье является приоритетным показателем характеристики РФ, а «количество городов с высоким и очень высоким уровнем загрязнения атмосферного воздуха должно снижаться на постоянной основе» (п. 2.2. паспорта национального проекта «Экология»).
Кроме того, благодаря наличию основного вектора развития РФ, направленного в сторону цифровизации большинства технологических процессов, многие направления экологических исследований требуют перехода на автоматические комплексы, функционирующие без постоянного сопровождения со стороны физических лиц.
Цель работы - повышение эффективности управления регионом и ресурсами за счет создания сети мониторинга на основе облачного сервиса территориальной пространственно–распределенной сенсорной сети для экологического контроля и надзора за предприятиями региона, транспортными потоками с целью определения уровня загрязняющих компонентов в воздухе, почвах, водоемах.
Задачи:
- Создание и апробация сети мониторинга состояния различных компонентов окружающей среды на территории города Дубна Московской области на базе данных дистанционного зондирования, распределенной сенсорной сети стационарных постов и мобильных устройств, передающих данные в режиме реального времени для экологического контроля и надзора.
- Внедрение приборов-сенсоров нового поколения отечественного производства.
- Разработка и создание собственного отечественного программного обеспечения для обработки, хранения, сопоставления и интерпретации входящих данных, их преобразования с целью общего доступа в формате OpenGIS, обладающей интуитивно-понятным интерфейсом.
Все мировое сообщество обеспокоено вопросами экологической безопасности. В странах членах ЕС, а также в Исландии, Лихтенштейне, Норвегии, Сербии и Швейцарии существует так называемый Реестр эмиссий и переноса загрязняющих веществ ЕС (E-PRTR), который представляет собой общеевропейский регистр, предоставляющий доступные данные о ключевых эмиссиях в окружающую среду и переносе отходов с промышленных объектов в государствах. На сегодняшний день этот реестр рассматривается как наилучшая доступная технология в области экологии. Данные в эту систему загружаются из различных лабораторий, предоставляющих услуги операторам, в формате, удобном для загрузки в базу данных. На сегодняшний день автоматической пространственно-распределенной много компонентной системы экологического мониторинга не существует. Есть отдельные элементы, позволяющие анализировать только небольшой набор данных. Существующие системы экологического мониторинга за деятельностью предприятий в любой отрасли промышленности в нашей стране работают на основе сенсоров иностранной разработки и являются весьма дорогостоящими.
Согласно национальному проекту "Умный город" вопросы экологического состояния атмосферного воздуха и водных объектов должны быть решены, и к 2024 году должна заработать система постоянного мониторинга за состоянием различных компонентов окружающей среды.
Данная работа предусматривает предоставление информации посредством облачного сервиса по конкретным промышленным, гражданским объектам, конкретной территории, а также данные о неорганизованных эмиссиях, связанных с промышленной деятельностью с целью экологического контроля за объектами на основе комплексных экологических решений и цифровизации (диджитализации) данных мониторинга. Преимущества проекта - это получение оцифрованных результатов замеров сенсорами, предоставление этой информации, в формате, удобном для загрузки/выгрузки в/из базы данных; возможность интеграции с другими цифровыми (электронными) релевантными данными; а также разработка измеримых индикаторов.
Пространственно-распределенная сеть оборудована сенсорами отечественного производства (есть прототип) и фиксирует информацию по различным компонентам окружающей среды (воздуху, почве, воде). Приборы могут использоваться как в стационарном, так и переносном (мобильном) режиме. Производителями приборов сенсоров являются отечественные компании АО «НПП «Интеграл» и АО «Союзатомприбор», ООО «С-Компонент», расположенные на территории города Дубна Московской области, что согласуется с целями, поставленными в паспорте национального проекта «Экология» (2.4. Снижение доли импорта основного технологического оборудования, эксплуатируемого в случае применения НДТ).
Ключевое место в работе занимают данные дистанционного зондирования, которые дешифрируются на основе алгоритмов обработки сверхбольших данных в автоматическом режиме. Важное место занимают методы организации распределенной работы с данными, в том числе, в интерактивном режиме за счет определения эталонных фоновых участков территории.
Возможность обработки сверхбольших данных обеспечивается развитой телекоммуникационной инфраструктурой со скоростью обмена информацией до 100 Гигабит в секунду.
Полученная информация передается на сервер, где аккумулируется, обрабатывается и визиализируется посредством ГИС-технологий. Создание дополнительных мощностей обработки космических данных в университете «Дубна» позволит сбалансировать нагрузку многочисленных пользователей системы между вычислительными кластерами и организовать online доступ с рабочих мест заинтересованных предприятий, министерств и ведомств Московской области к аналитическим и видеоматериалам посредством браузера.
При обнаружении негативного воздействия со стороны предприятия на какой-либо из компонентов окружающей среды сигнал поступает в службу контроля и надзора. Доступ к оперативной и достоверной информации позволит повысить качество принимаемых управленческих решений, обеспечить мониторинг выполняемости распоряжений.
Измеряемые параметры по компонентам среды:
- атмосфера: газы, наиболее распространенные на территории проживания населения, а также взвешенные частицы диаметром РМ1, 2.5, 10, являющиеся химическими агентами, формирующими повышенный уровень заболеваемости населения (экологический риск) на урбанизированных территориях) ( углекислый газ, окись углерода и диоксид азота, бензпирен, фенол, формальдегид).
- почвы: тяжелые металлы, стойкие органические загрязнители и нефтепродукты.
- водные объекты: растворимые соли тяжёлых металлов, органические соединения, нефтепродукты.
Уникальность системы в возможности использования распределенной сети датчиков, способной фиксировать и передавать данные об объектах мониторинга в режиме реального времени, обеспечивая накопление цифровых данных от устройств. В последствии данные обрабатываются, анализируются, представляются необходимым образом под запросы конечных пользователей (жители населенных пунктов, администраций муниципальных образований, Министерство экологии и природопользования Московской области, Росгидромет, контролирующих органов Росприроднадзор, Роспотребнадзор). Оперативная система получения обработки и хранения информации позволит своевременно реагировать на нарушения экологического законодательства и в автоматическом режиме применять санкции (выписывать предупреждения, штрафы) недобросовестным природопользователям.
Замеры путем автоматического измерения параметров NO, NO2, CO, O3, H2S, SO2, мелко дисперсионной пыли, температуры, атмосферного давления, относительной влажности, уровня воды, определение координаты GPS, контроля технического состояния газоанализатора для долговременного хранения измеренных данных во внутренней памяти газоанализатора, передачи их по каналу GSM на сервер провайдера или облачный сервер, создания базы данных длительных измерений путем перемещения прибора пользователем (пешком, на велосипеде, на автомобиле, на трамвае или троллейбусе) по маршруту движения различных социальных групп, оживленных маршрутов движения городского транспорта, мест массового скопления населения, в районах санитарных защитных зон промышленных предприятий для последующего построения пространственно-временного распределения, измеренных данных в различных формах за разные периоды времени для оценки экологической обстановки населенных мест. Несколько недорогих газоанализаторов диапазона ppb, работающих одновременно создают сеть недорогих сенсоров мобильного и стационарного применения для анализа качества атмосферного воздуха и будут обладать конкурентным преимуществом по отношению к дорогостоящим стационарным станциям контроля качества воздуха.
Инновационность проекта объясняется применением при его реализации современных, наукоемких решений и измерением концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе на основе следующих функций:
• установка порогов сигнализации в пределах всего диапазона измерений, в том числе и в области предельно допустимых концентраций (ПДК);
• формирование признаков превышения пороговых значений концентраций загрязняющих веществ в воздухе;
• автоматическое изменение режимов измерений и передачи данных в зависимости от полученных значений концентрации загрязняющих веществ;
• автономное сохранение данных во встроенной энергонезависимой памяти;
• передача данных по различным беспроводным каналам связи.
Результатом работы являются доступные для массового пользования сенсоры, контроль различных параметров окружающей среды, технологии сбора, хранения и анализа больших данных с использованием данных дистанционного зондирования, распределенных сенсорных сетей и ГИС-систем, а также технологии расчета экологических рисков для здоровья населения от загрязнения по ряду превалирующих компонентов, а также разработка системы экологического контроля на основе цифрового облачного сервиса. Реализация проекта обеспечит инновационные подходы к решению целого ряда первоочередных задач Подмосковья: паспортизация экологического состояния, информирование общественности об экологической обстановке в Московской области путем создания наглядных геоэкологических атласов на основе мониторинга стихийных свалок, мониторинга ООПТ регионального уровня, нарушения водоохранных зон, мониторинга проблем лесных территорий, контроля за строительством объектов на всех стадиях жизненного цикла, кадастрового надзора, незаконной добычи полезных ископаемых, контроля стационарных источников загрязнения атмосферного воздуха.