патент
№ RU 2680652
МПК G09B29/00

СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО МОНИТОРИНГА ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ

Авторы:
Лепехин Павел Павлович Мурашева Алла Андреевна Шаповалов Дмитрий Анатольевич
Все (15)
Номер заявки
2017116218
Дата подачи заявки
11.05.2017
Опубликовано
25.02.2019
Страна
RU
Дата приоритета
16.06.2024
Номер приоритета
Страна приоритета
Как управлять
интеллектуальной собственностью
Иллюстрации 
1
Реферат

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, в частности для мониторинга использования и экологического состояния природной, а также техногенной сред: атмосферы, воды, недр, почв, биоресурсов, техногенных объектов, пересечений линейными объектами (нефтегазопроводами) водных преград: рек, водохранилищ, озер, болот и других, суши с целью получения общей картины состояния контролируемой территории, раннего обнаружения и установления местоположения отклонений от существующих требований. Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в отличие от приведенных прототипов предлагается новое технологическое решение, направленное на автоматизацию и автономность системы комплексного мониторинга природной среды. Целью изобретения является создание комплекса взаимообусловленных и взаимосвязанных мониторингов экологического состояния и использования природных территорий. Задача изобретения - проведение анализа и контроля за состоянием природной и техногенной сред для площадных и линейных объектов, расположенных на суше, под водой и на водной поверхности, посредством объединения информационных потоков в едином Центре комплексного мониторинга природной среды (ЦКМПС), функционирующего на основе использования современных методов дистанционного зондирования при использовании геопорталов и порталов метаданных. Для решения поставленной задачи разработан новый способ комплексного мониторинга природной среды (КМПС), отличающийся от прототипов тем, что при его применении однотипные циклы КМПС осуществляются не реже одного раза в пять лет на основе статистического анализа потоков комплексной информации, выявления наиболее информативных показателей наблюдений с целью актуализации, кластеризации в границах установленных территорий ПС и разработки программ КМПС, базирующегося на дистанционных методах и получении информации в режиме on-line. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Формула изобретения

1. Способ комплексного мониторинга природной среды (КМПС), заключающийся в создании автоматизированной системы комплексного экологического мониторинга природной среды, в которой до начала проведения обследований вводят в базу знаний единого информационного Центра КМПС программный комплекс анализа, обработки, управления и средств, параметры значений границ интервалов допустимых показателей состояния исследуемого объекта, правила их оценки и соответствия или несоответствия установленным нормам, затем вводят информативные показатели наблюдений исследуемого объекта на основе статистического анализа потоков комплексной информации, базирующегося на дистанционных методах получения информации в режиме on-line, природных объектов (ПО) - земельных участков (ЗУ), разделяемых по видам функционального использования с учетом конкретных природных условий, рельефа местности с применением данных геопортала и портала метаданных, контрольно-измерительных стационарных и мобильных контрольных пунктов (СМКП) по доминирующим основным факторам антропогенного воздействия (ФАВ), проводят съемку фактической территории природного техногенного объекта двумя методами дистанционного зондирования в соответствии с требованиями СНиП: 1) космическую, 2) аэросъемку с использованием современных беспилотных летательных аппаратов в видимом диапазоне электромагнитного излучения (ЭИ) или дополнительную (например, параллельную) в невидимом инфракрасном диапазоне ЭИ (например, георадаром «Зонд-10»), определяют по разному фототону места утечек углеводородного топлива из подземных трубопроводов и емкостей хранения, определяют границы их подземных накоплений и территорий, подверженных загрязнению, заболачиванию, засолению, определяют отсутствующую, но необходимую для углубленной оценки в требуемый момент реального времени совокупность процедур состояния комплексной системы, формируют в программном комплексе обработки и управления задание каждому средству мониторинга на контроль состояния системы или ее элементов, на изменение содержания базы знаний и порядка использования процедур интеллектуальной обработки измеренных значений, на изменение пространственно-временных характеристик состояния средства в процессе осуществления мониторинга, создают в полярной системе координат графический образ состояния системы и текстовую часть, которые включают в содержание результатов по видам мониторинга, осуществленных на каждом средстве, формируют в заданной форме результаты по осуществленным ими видам контроля, передают их в центр обработки и АСУ, где совмещают их графические и текстовые части для одновременного представления результатов оценки экологической обстановки комплексного мониторинга природной среды.
2. Способ комплексного мониторинга ПС, отличающийся тем, что в созданной автоматизированной системе комплексного экологического мониторинга природной среды находится блок актуализированных цифровых карт территории обследования, изготавливаемых тематическими по видам использования, например, географические (размещение, состояние, связи имеющихся природных и общественных явлений), экологические (загрязнение, зараженность, радиоактивность, подверженность опасным природным и природно-техногенным процессам: селям, оползням, снежным лавинам, обвалам, землетрясениям, цунами и т.д.) и другие, а также картосхемы (в т.ч. трехмерные модели местности), картограммы, показывающие требуемые тематические характеристики факторов антропогенного воздействия (ФАВ), полученных по данным аэрокосмических и наземных съемок.
3. Способ комплексного мониторинга ПС, отличающийся тем, что может проводиться как на территориях суши, так и на территориях водных акваторий.

Описание

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, в частности, для мониторинга использования и экологического состояния природной, а также техногенной сред: атмосферы, воды, недр, почв, биоресурсов, техногенных объектов, пересечений линейными объектами (нефтегазопроводами) водных преград: рек, водохранилищ, озер, болот и других, суши с целью получения общей картины состояния контролируемой территории, раннего обнаружения и установления местоположения отклонений от существующих требований.

Известны два прототипа предлагаемого способа «Автоматизированная система аварийного и экологического мониторинга окружающей природной среды региона» [1, 2], которые включают стационарные (СКП) и мобильные (МКП) контрольные посты, прямые и обратные связи, центральный контрольный пульт (ЦКП).

Известна система радиационного мониторинга окружающей среды, включающая СКП с детекторами, ЦКП и прямую связь между ними [3].

Известна автоматизированная система аварийного и экологического мониторинга окружающей среды региона, включающая СКП с детекторами измерения параметров и характеристик окружающей среды, ЦКП с блоком сравнения и управления, приемопередатчиком прямой и обратной связи контрольных постов с ЦКП [4].

Известен способ мониторинга загрязнения атмосферного воздуха, изложенный в рекомендациях по организации и функционированию систем специальных наблюдений Росгидромета Р 52.24.581-97 [5].

Известен способ мониторинга атмосферы и контроля источников загрязнения и система для его реализации, опубликованная в Интернете [6].

Основными недостатками вышеуказанных способов являются:

1) извлечение части информации, формирующейся для конкретной природной среды (ПС), определяемой по ландшафтным и/или физико-географическим характеристикам СОБ без учета антропогенного объекта, что приводит к получению фрагментарности информации и не обеспечивает полной информационной характеристикой объекта исследования как природно-техногенной системы (ПТС);

2) ограниченный объем получаемой информации, зависимость базы данных от базового компьютера, невозможность организации круглосуточного наблюдения за состоянием параметров окружающей ПС;

3) отсутствие МКП ограничивает маневренность системы, не позволяет оперативно определять местоположение возникших в результате аварии экологически опасных источников и осуществлять вблизи них мониторинг, а также обеспечивать оперативную замену неисправных СКП;

4) отсутствие в СКП и МКП предварительной обработки поступающей с детекторов информации не позволяет оперативно оценивать экологическую обстановку и переходить на соответствующий режим работы, не предоставляет возможность уменьшать загрузку канала связи за счет сокращения избыточности передаваемой информации, а также оперативно оповещать о возникновении предаварийной ситуации;

5) невозможность обнаружения и устранения ошибок в информации и командах управления, передаваемых по каналу связи;

6) отсутствие защиты от несанкционированного доступа, например террористов и хакеров.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в отличие от приведенных прототипов предлагается новое технологическое решение, направленное на автоматизацию и автономность системы комплексного мониторинга природной среды.

Цель изобретения - создание комплекса взаимообусловленных и взаимосвязанных мониторингов экологического состояния и использования ПС.

Задача изобретения - проведение анализа и контроля за состоянием природной и техногенной сред для площадных и линейных объектов, расположенных на суше, под водой и на водной поверхности, посредством объединения информационных потоков в едином Центре комплексного мониторинга природной среды (ЦКМПС), функционирующего на основе использования современных методов дистанционного зондирования при использовании геопорталов и порталов метаданных.

Для решения поставленной задачи разработан новый способ комплексного мониторинга природной среды (КМПС), отличающийся от прототипов тем, что при его применении однотипные циклы КМПС осуществляются не реже одного раза в пять лет на основе статистического анализа потоков комплексной информации, выявления наиболее информативных показателей наблюдений с целью актуализации, кластеризации в границах установленных территорий ПС и разработки программ КМПС, базирующегося на дистанционных методах и получении информации в режиме on-line.

В КМПС выявляют отличия состояния природных объектов (ПО) ПС от проведенного последнего однотипного цикла мониторинга: исследуемую ПС объектов мониторинга или земельные участки (ЗУ), представленные частью земной поверхности, характеризующейся пространством, рельефом, климатом, почвами, растительностью, недрами, водами, являющейся местом расселения, главным средством производства в сельском и лесном хозяйстве, а также пространственным базисом для размещения объектов недвижимости, включая предприятия и комплексы хозяйств, а также зоны земель особого использования для проведения полевого обследования, разделяют на зоны ПО ПС по видам функционального использования с учетом конкретных природных условий, рельефа местности с применением данных геопортала и портала метаданных, контрольно-измерительных стационарных и мобильных контрольных пунктов (СМКП) по доминирующим основным факторам антропогенного воздействия (ФАВ), проводят съемку территории природного техногенного объекта в масштабе от 1:500 до 1:50000, а картографические материалы территорий по этой фотосъемке выполняют в масштабе от 1:500 до 1:10000 двумя методами дистанционного зондирования в соответствии с требованиями СНиП: 1) космическую, 2) аэросъемку с использованием современных беспилотных летательных аппаратов в видимом диапазоне электромагнитного излучения (ЭИ) или дополнительную (например, параллельную) в невидимом инфракрасном диапазоне ЭИ (например, георадаром «Зонд-10»), определяют по разному фототону места утечек углеводородного топлива из подземных трубопроводов и емкостей хранения, границы их подземных накоплений и территорий, подверженных загрязнению, заболачиванию, засолению, подтоплению, деградации, пожарам, проводят оценку изменения пойм рек, водоемов, болотных массивов и других видов состояния ПС, отображают их пространственно-временную динамику изменения границ и характеристик природных и техногенных объектов, обнаруженную в результате проведенного анализа сравнения материалов последнего и предыдущего однотипных циклов КМПС, условными топографическими знаками соответствующими цветами на актуализированных картах территории обследования ПС, изготавливаемых тематическими по видам использования, например, географические (размещение, состояние, связи имеющихся природных и общественных явлений), экологические (загрязнение, зараженность, радиоактивность, подверженность опасным природным и природно-техногенным процессам: селям, оползням, снежным лавинам, обвалам, землетрясениям, цунами и т.д.) и другие, а также картосхемы (в т.ч. трехмерные модели местности), картограммы, показывающие требуемые тематические характеристики факторов антропогенного воздействия (ФАВ), полученные результаты заносят в банк данных (БД), в котором формируется информационная база о состоянии территории и ее ПС, затем выявляют причины их изменения, принимают решение о возможности использования видов ПО ПС и необходимости проведения мероприятий по устранению причин изменения их состояния и сроках проведения очередного однотипного цикла КМПС, осуществляют контроль за функционированием техногенных объектов;

С помощью предлагаемого изобретения решаются следующие задачи:

- измерение с применением специального оборудования экологически значимых показателей: химических веществ, задымленности, сейсмических, метеорологических и других важных для оценки экологической обстановки;

- оценка экологической обстановки на основе предварительной обработки в КП результатов измерений и принятие решения об изменении режима работы и передачи информации, в частности автономной работы при потере связи с центральным контрольным пультом;

- сокращение объема передаваемой информации для уменьшения загрузки канала связи;

- защита информации и команд управления от несанкционированного входа в систему;

- определение местоположения экологически опасных источников.

Для достижения технического результата создается автоматизированная система комплексного экологического мониторинга природной среды, включающая единый информационный Центр комплексного мониторинга природной среды (ЦКМПС), в котором происходит непрерывный сбор данных с СМКП, материалов дистанционного зондирования Земли и их анализ с использованием статистических программных продуктов, определяются с наибольшими значениями факторных нагрузок репрезентативные показатели с рассчитанными индексами деградационной опасности для ПС территорий с определенными показателями индекса техногенного риска (ИТР) влияния техногенных объектов (ТО) на состояние ПС на окружающей их территории, то есть происходит формирование единой базы с привязкой к реальному времени всех измеряемых параметров, а также обеспечивается различный уровень доступа в зависимости от возможностей абонента, при котором передача данных осуществляется проводным или беспроводным способом в зависимости от удаленности и конструктивно-обоснованного выбора связи объекта с помощью автоматизированной системы управления (АСУ), включающей программно-вычислительные средства и средства построения актуализированных карт территорий исследования состояния ПТС, установленные в ЦКМПС, содержащем в аппаратной части размещенное в едином корпусе следующее техническое оборудование: центральный контрольный пульт, связанный с блоками управления и приемопередатчики прямой и обратной связи, включающими блок определения местоположения, данные измерений параметров и характеристики окружающей среды с датчиков СКП и МКП, передающиеся в блоки предварительной обработки информации, которая передаваемой по командам блоков управления в блоки шифрования, затем через приемопередатчики прямой и обратной связи поступающей на центральный контрольный пульт (в блок управления КП), промышленный компьютер, устройство защиты от перенапряжений и аналого-цифровой преобразователь, положительный эффект которой проявляется в трех сферах:

1. Экономическая: сокращение финансовых затрат в связи с создание на 5 лет вперед прогноза состояния ПС исследуемой территории посредством разработанного коэффициента фактического изменения с помощью получения изображения карты для принятия и ускорения своевременных управленческих решений по предотвращению негативных явлений и их катастрофических последствий, проведении работ по рекультивации, консервации и других защитных мероприятий; снижение трудозатрат в промышленных масштабах;

2. Экологическая: формирование единой базы данных о состоянии природных сред в реальном времени и создание изображения-карты на запрашиваемую территорию с учетом уровня доступа; снижение заболеваемости людей, животных и растений путем предупреждения чрезвычайных ситуаций при проведении своевременной оценки экологической обстановки ПС;

3. Социальная: улучшение условий производства и жизнедеятельности населения; способствование устойчивому развитию городских и сельских территорий; сохранение трудовых ресурсов и территориальной целостности страны; создание новых рабочих мест; увеличение продолжительности жизни за счет улучшения здоровья населения.

Программное обеспечение состоит из стандартного лицензионного и специального, которое формирует базу актуализированных данных и отслеживает достоверность информации

На фигуре 1 представлена условная схема способа КМПС, где 1 -территория суши и контрольных постов КМПС (С1.); 2 - территория морских акваторий и контрольных постов КМПС на море (M1.); 3 - прямая и обратная связь; 4 - ЦКМПС; 5 - программный комплекс анализа, обработки; 6 - блок актуализированных цифровых карт, полученных по данным аэрокосмических и наземных съемок; 7 и 8 - АРМ1 - автоматизированные рабочие места пользователей, имеющих различный уровень доступа к базе данных актуализированных цифровых карт в ЦКМПС, в блоке программного комплекса которого на основе большого количества данных получают наиболее важные информативные показатели для конкретной исследуемой территории по выбранному числу характеризующих ее факторов.

Введение в систему дополнительных мобильных КП с блоками определения их местоположения, предварительной обработки информации, шифрования позволяет:

1) повышать маневренность системы;

2) определять местоположение экологически опасных источников;

3) осуществлять вблизи экологически опасных источников комплексный мониторинг;

4) обеспечивать оперативную замену неисправных СКП;

5) проводить оперативную оценку экологической обстановки при авариях для оперативного оповещения об опасности сокращения загрузки канала связи;

6) проводить обнаружение и устранение ошибок передаваемой информации и командах управления, а также защиту системы от несанкционированного доступа;

7) при нарушении связи с ЦКП перейти в автономный режим работы по внутренней программе, заложенной в блоки управления;

8) введение в систему блока шифрования, в частности криптографического позволяет защитить ее от несанкционированного доступа террористов и хакеров.

Источники информации

1. Патент RU №2257598, 27.07.2005 г.

2. Патент RU №2210095, 10.08.2003 г.

3. Михоя Э. и др. Система радиационного мониторинга окружающей среды // Атомная техника за рубежом. М.:, 1998 г., №11, стр. 21-25.

4. Патент RU №2150126, 27.05.2000 г.

5. Организация и функционирование системы специальных наблюдений за состоянием природной среды в районах развития угледобывающей промышленности и сопутствующих производств. Рекомендации. М.:, Росгидромет, 1999, стр. 14-15.

6. Лежнев А.С.Автоматизированная система мониторинга атмосферы и контроля источников загрязнения (АС-МАКИЗ), //www.intellect.csti.ru/objects.asp?num=83-005.

Как компенсировать расходы
на инновационную разработку
Похожие патенты