АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА АВАРИЙНОГО И ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ РЕГИОНА Российский патент 2003 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к области контрольных устройств (систем) и может быть использовано при конструировании систем аварийного и экологического, в частности радиационного, мониторинга окружающей среды региона.

Известна система радиационного мониторинга окружающей среды, включающая стационарные контрольные посты с детекторами, центральный контрольный пульт и прямую связь между ними (Э. Михоя и др. "Система радиационного мониторинга окружающей среды" - журнал "Атомная техника за рубежом", Москва, 1998 г., 11, стр. 21-25).

Недостатками известной системы радиационного мониторинга являются:
- ограниченная область применения, связанная с контролем радиационной обстановки вокруг единичного источника радиационной опасности;
- отсутствие предварительной обработки информации в контрольных постах, позволяющей уменьшить загрузку канала связи путем сокращения объема передаваемой информации;
- отсутствие контроля и исправления ошибок в передаваемой информации из-за помех в канале связи;
- отсутствие защиты информации от несанкционированного доступа.

Известна автоматизированная система радиационного мониторинга окружающей среды, включающая стационарные контрольные посты с детекторами измерения параметров и характеристик окружающей среды, центральный контрольный пульт с блоком сравнения и управления, приемопередатчиком прямой и обратной связи контрольных постов с центральным контрольным пультом (патент Российской Федерации 2150126, опубликован 27.05.2000 г.).

В этой системе, наиболее близкой к заявляемой, выявлены следующие недостатки:
- отсутствие мобильных контрольных постов ограничивает маневренность системы, не позволяет оперативно определять местоположение возникших аварийно и экологически опасных источников и осуществлять вблизи них мониторинг, а также обеспечивать оперативную замену неисправных стационарных контрольных постов;
- отсутствие в контрольных постах предварительной обработки поступающей с детекторов информации не позволяет оперативно оценивать аварийную и экологическую обстановку и переходить на соответствующий режим работы, не дает возможность уменьшать загрузку канала связи за счет сокращения избыточности передаваемой информации, а также оперативно оповещать о возникновении предаварийной ситуации;
- система не позволяет обнаружить и устранить ошибки в информации и командах управления, передаваемых по каналу связи;
- система не имеет защиты от несанкционированного доступа, например террористов и хакеров.

Прелагаемым изобретением решаются следующие задачи:
- измерение с помощью набора датчиков уровней и состава аварийно и экологически значимых излучений и химических веществ, задымленности и других индикаторов пожароопасной обстановки, сейсмических и метеорологических параметров, которые могут быть важны для оценки аварийной и экологической обстановки,
- оценка в реальном масштабе времени аварийной и экологической обстановки на основе предварительной обработки в контрольных постах 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;
- повышение помехозащищенности информации при передаче по каналу связи;
- защита информации и команд управления от несанкционированного доступа;
- определение местоположения аварийно и экологически опасных источников;
- маневренность контрольных постов и оперативная замена неисправных постов.

Для достижения этого технического результата автоматизированная система аварийного и экологического мониторинга окружающей среды региона, включающая стационарные контрольные посты с детекторами для измерения параметров и характеристик окружающей среды, центральный контрольный пульт, блоки управления и приемопередатчики прямой и обратной связи контрольных постов с центральным контрольным пультом, дополнительно содержит мобильные контрольные посты с детекторами, блоками управления и приемопередатчиками прямой и обратной связи их с центральным контрольным пультом, каждый из которых включает блок определения местоположения, а в каждом из стационарных и мобильных контрольных постов дополнительно содержатся блоки управления и предварительной обработки информации, в которые передаются данные измерений параметров и характеристик окружающей среды с датчиков контрольных стационарных и мобильных постов, а с блока предварительной обработки информация поступает в блок управления контрольного поста, затем на блок шифрования от несанкционированного доступа и далее в блок помехоустойчивого кодирования, информация с которого поступает на центральный контрольный пульт.

Данные измерений параметров и характеристик окружающей среды с датчиков контрольных стационарных и мобильных постов передаются в блоки предварительной обработки информации, из которых по командам блоков управления информация передается в блоки шифрования и помехоустойчивого кодирования, затем через приемопередатчики прямой и обратной связи информация поступает на центральный контрольный пульт.

Введение в систему дополнительных мобильных контрольных постов с блоками определения их местоположения, блоками предварительной обработки информации, блоками шифрования и помехоустойчивого кодирования повышает маневренность системы, позволяет определять местоположение аварийно и экологически опасных источников, осуществлять вблизи их мониторинг, а также обеспечивать оперативную замену неисправных стационарных контрольных постов.

В известных системах (см., например, вышеприведенные прототипы) в контрольных постах измерение параметров среды производится в детекторах, данные непосредственных измерений которых практически без обработки (сжатия, шифрования и т. п.) передаются через канал связи в центральный пульт, где и обрабатываются. По результатам обработки принимается решение, например, о возникновении аварийной ситуации и выдаче постам команд управления, например для перехода на аварийный режим работы.

Введение в контрольные посты блока предварительной обработки поступающей с детекторов информации позволяет оперативно оценивать аварийную и экологическую обстановку для перехода на соответствующий режим работы и передачи информации в зависимости от заложенной в блок управления программы или команд из центрального контрольного пульта, осуществлять оперативное оповещение об аварийной ситуации, а также обеспечивать сокращение объема передаваемой информации для уменьшения загрузки канала связи. При нарушении связи с центральным контрольным пультом контрольные посты переходят в автономный режим работы по внутренней программе, заложенной в блоки управления.

Введение в систему блока шифрования, в частности криптографического шифрования, позволяет защитить ее от несанкционированного доступа, например террористов и хакеров.

Введение в систему блока помехоустойчивого кодирования позволяет обнаружить и устранить ошибки в передаваемой информации и командах управления.

Конструктивная реализация функций вводимых блоков осуществляется известными способами.

Блок криптографического шифрования выполняется на микропроцессоре, который программируется по алгоритму, описанному в ГОСТ 28147-89 (Схемы программной реализации алгоритма криптографического преобразования, стр. 19-21). Блок предварительной обработки информации также выполняется на микропроцессоре, который программируется под конкретные требования к системе, например пользователем системы. В частности, определение предаварийной или аварийной ситуации по какому-то параметру среды может проводиться суммированием нескольких отсчетов (результатов измерений этого параметра соответствующим детектором) и сравнением получаемого результата с пороговым уровнем этого параметра. При превышении порога выдается сигнал предаварийного (аварийного) состояния и переход на другой аварийный режим мониторинга. Блок помехоустойчивого кодирования выполняется с использованием помехоустойчивых сверточных кодов на основе специализированных интегральных схем, см. И. Корнеев, А. Жиляев "СБИС - сверточный кодек (декодер Витерби)" -журнал "Chip News", Москва, 1996 г., 8-9, стр. 30-31, в которой дано описание их конструкции и функционирования.

Система (см. фиг.1) состоит из стационарных (см. фиг.2) и мобильных (см. фиг.3) контрольных постов (зондов), выходы и входы которых связаны прямыми и обратными связями с входами и выходами соответственно центрального контрольного пульта (диспетчерского центра).

На чертежах приведены:
Фиг. 1 - структурная схема системы, где 1 - стационарные контрольные посты (С1,...,Сn), 2 - мобильные контрольные посты (M1,...,Mm), 3 - прямые и обратные связи, 4 - центральный контрольный пульт;
Фиг. 2 - блок-схема стационарного контрольного поста, где (Д1,...,Дk) - детекторы, 5 - блок предварительной обработки информации, 6 - блок шифрования, 7 - блок помехоустойчивого кодирования, 8 - приемо-передатчик, 9 - блок управления, 10 - канал прямой и обратной связи;
Фиг. 3 - схема мобильного контрольного поста, где (Д1,...,Дk) - детекторы, 5 - блок предварительной обработки информации, 6 - блок шифрования, 7 - блок помехоустойчивого кодирования, 8 - приемопередатчик, 9 - блок управления, МП - блок определения местоположения.

Стационарный контрольный пост (см. фиг.2) состоит из детекторов Д1-Дk, измеряющих состояние окружающей среды (уровень гамма-излучения, температуру и т. п.), с выходов которых данные подаются на входы блока предварительной обработки информации 5 об этом состоянии среды. В этом блоке по программе, записанной в блоке управления 9, производится определение интегральных параметров среды (средних за заданный период измерений значений, тренда и др. ), сокращение объема передаваемой в канал связи информации, определение предаварийной или аварийной ситуации, накопление и хранение данных предшествующих измерений и т.п. Например, спектрометрический детектор гамма-излучения измеряет количество и энергии гамма-квантов, попавших в его сенсор за время измерения, например за 1 час. Эти данные с выхода блока детекторов подаются на вход блока предварительной обработки информации, где по полученному энергетическому "спектру" распределения определяется, например, превышение уровня излучения тех или иных радионуклидов в среде над пороговым уровнем, например аварийным. Если такое превышение уровня произошло, то блок управления по внутренней программе переходит в предаварийный (или аварийный) режим работы, осуществляет экстренное вхождение в связь с центральным контрольным пультом и (при необходимости) оповещает персонал. Если канал связи занят или неисправен, то производится хранение информации в запоминающем устройстве и повторный выход в связь. В канал связи 10 передается предварительно обработанная - сжатая (за счет сокращения избыточности или малой информативности) информация. Например, можно значительно уменьшить объем передаваемой по каналу связи информации, используя быстрое преобразование Фурье полученного спектра. Соответственно, почти во столько же раз становится возможным увеличение количества работающих в этом канале контрольных постов. В ряде случаев достаточным является передача интегральных (усредненных по многим измерениям) значений контролируемого параметра среды, например уровня радиационного фона или превышение порога аварийного уровня. Выполнение этой функции блоком предварительной обработки информации также приводит к значительному сокращению объема передаваемой информации. Выход этого блока соединяется с входом блока шифрования, обеспечивающего, например криптографическое шифрование информации от несанкционированного доступа. В этом случае обеспечивается защита системы от террористов или кого-либо, не имеющих право получать, преобразовывать или вводить искаженную информацию, если не произошла, компрометация секретных ключей. Выход последнего соединяется с входом блока помехоустойчивого кодирования, обеспечивающего выявление и исправление ошибок на приеме в центральном контрольном пульте. Ошибки могут возникнуть из-за помех и шумов в канале связи и/или в приемной аппаратуре. Его выход соединяется с входом приемопередатчика 8, выход которого соединяется с входом канала связи. Управляющие входы всех указанных блоков соединены с выходами блока управления, задающего режим их работы по внутренней программе или командам, передаваемым из центрального контрольного пульта (диспетчерского центра). В частности, при обнаружении предаварийной или аварийной ситуации этот блок автоматически может перейти на аварийный режим работы, не дожидаясь команд из диспетчерского центра, связь с которым может оказаться временно недоступной, а также, например, оперативно оповестить контролера-оператора об этом. В отличие от известных систем (см., например, вышеприведенные прототипы) такая организация системы, при которой функция начальной (предварительной) обработки данных детекторов переносится из диспетчерского центра "в среду мониторинга", позволяет получить новые ее свойства (оперативность при определение предаварийной ситуации, автономность, т.е. работу по оптимальной программе даже при отсутствии управляющих команд во время потери связи с диспетчерским центром, защищенность от несанкционированного доступа при передаче по каналу связи информации и команд управления, а также работоспособность при высоком уровне помех в канале связи). Эти новые свойства достигаются благодаря совместному действию введенных блоков. В частности, при высоком уровне помех в канале связи и наличии только блока предварительной обработки информации система вообще может быть неработоспособной, поскольку осуществляемое этим блоком сокращение избыточности передаваемой информации приводит, соответственно, к значительному возрастанию "ценности" каждого "поврежденного" помехами информационного бита.

Использование: при конструировании систем аварийного и экологического, в частности радиационного, мониторинга окружающей среды региона. Сущность: автоматизированная система содержит стационарные контрольные посты с детекторами для измерения параметров и характеристик окружающей среды, центральный контрольный пульт, блоки управления и приемопередатчики прямой и обратной связи контрольных постов с центральным контрольным пультом. Кроме того, система содержит мобильные контрольные посты с детекторами, блоками управления и приемопередатчиками прямой и обратной связи их с центральным контрольным пультом. Каждый мобильный контрольный пост включает блок определения местоположения. Также в каждом из стационарных и мобильных контрольных постов дополнительно содержатся блоки управления и предварительной обработки информации, блок шифрования от несанкционированного доступа и блок помехоустойчивого кодирования, информация с которого поступает на центральный контрольный пульт. Технический результат: повышение маневренности всей системы, возможность определения местоположения аварийно и экологически опасных источников, осуществление мониторинга и оперативной замены неисправного стационарного контрольного поста; оперативная оценка аварийной и экологической обстановки для оперативного оповещения об опасности сокращения загрузки канала связи; обнаружение и устранение ошибки в передаваемой информации и командах управления, а также защита системы от несанкционированного доступа. 3 ил.

Автоматизированная система аварийного и экологического мониторинга окружающей среды региона, включающая стационарные контрольные посты с детекторами для измерения параметров и характеристик окружающей среды, центральный контрольный пульт, блоки управления и приемопередатчики прямой и обратной связи контрольных постов с центральным контрольным пультом, отличающаяся тем, что система дополнительно содержит мобильные контрольные посты с детекторами, блоками управления и приемопередатчиками прямой и обратной связи их с центральным контрольным пультом, каждый из которых включает блок определения местоположения, а каждый из стационарных и мобильных контрольных постов дополнительно содержит блок предварительной обработки информации, в который передаются данные измерений параметров и характеристик окружающей среды с датчиков контрольных стационарных и мобильных постов, а с блока предварительной обработки информация поступает в блок управления соответствующего контрольного поста, затем на блок шифрования от несанкционированного доступа и далее в блок помехоустойчивого кодирования, информация с которого поступает на центральный контрольный пульт.