Разработка автоматизированной системы экологического контроля и очищения
загрязненного воздуха в местах наибольшего скопления автотранспорта
, , М. И. Баумгартэн
(КузГТУ, КРО РЭА)
Транспортные потоки оказывают все большее влияние на уровень загрязнения окружающей природной среды. Это влияние определяется не только техническими характеристиками автомобиля или дороги, но и интенсивностью, скоростью движения, составом транспортного потока, плотностью дорожной сети.
Изменение условий движения (скоростей, ускорений) влечет изменение нагрузочно-скоростных режимов работы двигателей, значений выбросов вредных веществ, шума, расходов топлива автотранспортных средств.
Основными влияющими факторами, являются: состав, интенсивность, скорость и ускорение движения транспортного потока; технический уровень и эксплуатационное состояние автомобилей; объем и номенклатура перевозимых грузов.
К транспортным выбросам относятся токсичные вещества с отработавшими газами автомобилей, продукты износа шин, антифрикционных материалов, нефтепродукты, эксплуатационные жидкости, изношенные детали и агрегаты, включая шины, аккумуляторы.
Объемы грузовых перевозок диктуются экономическими характеристиками: производственной инфраструктуры, конкуренцией других видов транспорта; пассажирскими: демографическими факторами, уровнем благосостояния населения. Провозная способность дороги определяется ее конструкцией, способами организации движения, обеспечивающими безопасность участников движения и реализацию потенциальных свойств, заложенных в конструкцию автомобиля.
Необходимо понимание предельно допустимого уровня насыщения локальных территорий автомобильным парком и транспортной инфраструктурой, выход за которые приведет к локальной экологической катастрофе. Исходная информация – темпы роста численности автомобильного парка, протяженности дорог, интенсивность использования, технический уровень и техническое состояние дорожно-транспортной техники, дорожной сети.
При оценке воздействия на окружающую среду транспортных потоков остаются вне поля зрения вопросы развития автомобильного парка на уровне множества машин, которые оказывают существенное влияние на уровень загрязнения воздуха, воды, почвы.
В числе этих вопросов – динамика насыщения парка транспортными средствами с определенным уровнем экологической безопасности, тенденции его старения, оптимизация его структуры по грузоподъемности и пассажировместимости.
Особенно это важно для урбанизированных территорий, на которых динамика прироста протяженности дорожной сети (из-за отсутствия свободных земель) значительно отстает от динамики численности автомобильного парка. В этом случае проблемы снижения выбросов загрязняющих веществ и потребления природных топливно-энергетических ресурсов (нефтяного топлива) множества машин становятся особенно значимыми.
Опережающие темпы роста численности автомобильного парка по сравнению с темпами роста протяженности дорог общего пользования, усугубляемые неравномерным распределением транспортных потоков на сети, способствовали в последние годы росту негативного воздействия транспорта на экосистему города Кемерово и основных транспортных магистралей области.
Наряду с задачами снижения выбросов загрязняющих веществ от транспортных потоков, значимым становится вопрос об очищении загрязненного воздуха в местах наибольшего скопления автотранспорта. Дело в том, что к данной проблеме можно подходить двояко. С одной стороны, ужесточить контроль и нормы ПДК на выхлопные газы каждого автотранспортного средства, принять нормы Евро-3, Евро-4 и т. п. Однако такой подход проблему не решает, т. к. не учитывает возрастающий поток транспортных средств. Суммарное количество вредных выбросов возрастает, даже если каждая транспортная единица «работает» в пределах ПДК.
На наш взгляд, вторая сторона проблемы еще мало развита, но общество, в конце концов придет к этому. Здесь имеется в виду очистка загрязненного воздуха на основных транспортных магистралях муниципальных образований – городов.
Необходимо найти такой метод очистки атмосферного воздуха, который, с одной стороны, понижал бы концентрацию вредных выбросов, а с другой – был бы малозатратным для местного бюджета. В настоящее время имеются методы очистки, которые применяются для очистки воздуха больших производственных помещений, цехов заводов, корпусов химических предприятий.
Из известных методов можно выделить такие, в которых под действием каких-либо внешних факторов происходит трансформация загрязняющих веществ в нейтральные, либо уменьшается их концентрация, либо они переводятся в другой, менее опасный, класс токсичности.
К таким методам относятся фотокатализ и озонирование. При фотокатализе на поверхности катализаторов под действием мягкого ультрафиолетового излучения токсичные примеси разрушаются до безвредных компонентов воздуха: до двуокиси углерода, воды и азота. В качестве катализатора, например, используется TiO2. Под действием света он становится мощнейшим окислителем с образованием O- и OH--радикалов.
Другим мощным источником окислителей, обладающим высокой реакционной способностью и быстрым разложением, является процесс озонирования. Озон (О3) образуется под действием электрического разряда или ультрафиолетового излучения на кислород воздуха. Он окисляет примеси органических и неорганических веществ, обеззараживает воздух. В процессе озонирования образуются: кислород, вода, оксиды углерода и другие оксиды, не загрязняющие окружающую среду.
Отметим, что оба этих метода нейтрализуют такой канцерогенный продукт деятельности автотранспорта, как бенз(а)-пирен.
Применение этих методов на открытых магистралях потребует определенных затрат: на разработку исследовательской программы по составлению математической модели очистки конкретного транспортного промежутка (например: мосты через р. Томь, городские перекрестки, автобазы и крупные стоянки автотранспорта); приобретение оборудования (например, выпускаемые промышленностью озонаторы); разработку системы автоматизированного управления процессом очистки воздуха автомагистралей; ее изготовление, наладку, настройку и обслуживание и т. п.
Для прогноза состояния загрязнения атмосферы автомобильными выбросами необходима оперативная информация, получить которую можно используя современные компьютеризированные методы и средства сбора и обработки экологической информации. В настоящее время отсутствуют действующие комплексные автоматизированные системы контроля загрязнения экосистемы крупных городов, однако современный технический уровень позволяет их реализовать в ближайшее время. Создание автоматизированной системы экологического контроля является одной из актуальных проблем обеспечения снижения уровня загрязнения воздуха в местах наибольшего скопления автотранспорта.
При создании системы экологического контроля необходимо учесть весь комплекс накопленных в этом направлении положительных решений, а также последние достижения в области передачи, обработки и представления измерительной информации. В комплексную систему экологического мониторинга должны входить:
– устройства компьютеризированной обработки, накопления и систематизации данных о загрязнении экосистемы с возможностью оперативного представления экоинформации, а также прогнозирования и принятия решений;
– помехоустойчивая система передачи информации через цифровые каналы связи;
– перспективные и надежные беспроводные линии передачи информации (радиоканалы, оптические каналы);
– микропроцессорные системы предварительной обработки, запоминания и подготовки к передаче данных, полученных с первичных преобразователей измеряемых параметров (датчиков);
– модернизированные и усовершенствованные на базе интегральной схемотехники датчики контроля экологического загрязнения атмосферы.
Структурная схема локальной (местной) автоматизированной системы экологического контроля будет выглядеть следующим образом (рис. 1).
Рис. 1. Структурная схема локальной системы экологического контроля:
х1…хn – параметры контроля; 1 – первичный преобразователь с микропроцессорным
блоком; 2 – радиомодем; 3 – компьютеризированная система обработки информации;
4 – персональный компьютер оператора (диспетчера)
Контролируемые параметры (х1…хn) воздействуют на датчик, входящий в блок (1), в котором происходит первичная обработка и подготовка информации для передачи. По сигналам запроса компьютеризированной системы (3) через радиомодем (2) происходит передача информации. Обработанная информация либо хранится в памяти, либо передается на персональный компьютер оператора (4). Контроль может вестись как по одному параметру, так и по нескольким (многопараметровый контроль). При этом через один радиомодем может передаваться информация от нескольких датчиков. При превышении уровня допустимого загрязнения через радиомодемы (2) система передает сигнал для включения устройств очищения (ионизации) загрязненного воздуха.
В Кузбасском государственном техническом университете (ГУ КузГТУ) разработана универсальная микропроцессорная система предварительной обработки, запоминания и подготовки к передаче данных, полученных с первичных преобразователей измеряемых параметров.
Структурная схема микропроцессорного датчика с блоком индикации и радиомодемом представлена на рис. 2.
Рис. 2. Структурная схема микропроцессорного датчика: х – параметр контроля; 1 – первичный преобразователь; 2 – нормирующий усилитель; 3 – АЦП;
4 – микроконтроллер; 5 – радиомодем; 6 – блок индикации
В зависимости от решаемых задач схема может быть использована как без радиомодема (5), так и без индикаторного блока (6). Блоки 2, 3 и 4 для большинства датчиков являются общими. Различные типы датчиков отличаются в основном первичным преобразователем (1). В качестве блока (2) используется операционный усилитель, на выходе которого сигнал нормируется до уровня, необходимого для нормальной работы аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Блок (4) представляет собой микроконтроллер, включающий в себя устройства оперативной и постоянной памяти. Блоки (3) и (4) могут быть объединены в одном микроконтроллере со встроенным АЦП. Предварительно обработанная информация записывается в устройство оперативной памяти микроконтроллера и считывается из нее при запросе на передачу информации.
Разработанная в ГК КузГТУ автоматизированная телекоммуникационная система, позволяющая осуществлять комплексный экологический контроль, связь и оповещение участников дорожного движения на большой территории, включает в себя несколько укрупненных подсистем: телекоммуникационную (базовые станции); компьютеризированную систему обработки сигнала; стационарную систему сбора и передачи информации; подвижную систему связи. В качестве базовой станции могут быть использованы транкинговая сеть стандарта МРТ 1327, УКВ-сети, сотовая связь стандартов GSM, NMT-450i (рис. 3).
В автоматизированной системе контролируемые параметры загрязнения воздуха воздействуют на датчики, входящие в блоки, в которых происходит первичная обработка и подготовка информации для передачи. По сигналам запроса компьютеризированной системы через радиомодем происходит передача информации.
Основные функции автоматизированной системы сбора информации представлены на рис. 4. Принципиально все функции реализуются на основе современных микропроцессорных устройств.
Для передачи информации от датчиков на сервер локальной сети контроля загрязнения атмосферы применены беспроводные помехоустойчивые системы через цифровые каналы связи на базе радиомодемов «Спектр 9600», работающих в диапазоне частот 400-470 МГц, и радиомодемов «Siemens МС35 Terminal» сотовой связи стандарта GSM 900/1800 МГц.
Для создания интерфейсов с базами данных, локальных и типа «клиент-сервер» в среде Windows использован пакет Microsoft Visual Basic. База данных содержит файлы, в каждом из которых хранится определенная информация: схема контролируемой территории, расположение контрольных станций в виде маркеров, информация о датчиках и измеряемых параметрах, протоколы и журнал передачи сообщений, событий и др.
Рис. 3. Функциональная схема телекоммуникационной системы сбора
экологической информации с использованием сотовой связи
Рис. 4. Блок-схема функционального обеспечения
системы сбора информации
Различные схемы контролируемых территорий сканируются и заносятся пользователем в электронную базу данных. Предусмотрено расположение на основных схемах дополнительных детализирующих схем, а также информационных окон, на которые выводятся все сведения о работе автоматизированной системы, данные о состоянии контролируемого объекта, сведения об отправленных сообщениях. Обработанная и систематизированная на сервере информация может представляться в локальную сеть в виде графиков, гистограмм и таблиц, отражающих дату, время и уровень измеряемых параметров. Системой предусмотрена отправка коротких сообщений на сотовые телефоны абонентов как вручную, так и в автоматическом режиме при возникновении чрезвычайных ситуаций. Кроме SMS-сообщений предусмотрена возможность использования и других систем связи и оповещения.
Разработанные системы передачи экологической информации прошли лабораторные испытания на базе новых телекоммуникационных технологий в стандарте GSM 900 оператора Би Лайн GSM и готовы к внедрению.
