Автоматизированная система мониторинга загрязнения водных объектов стоками промышленных предприятий Российский патент 2024 года по МПК C02F1/00 G05B15/00 

Изобретение относится к специализированным системам автоматического контроля качества поверхностных вод и может быть использовано для анализа и моделирования загрязнения водных объектов стоками промышленных предприятий, для оперативного информационного обеспечения процессов мониторинга экологических рисков и принятия управленческих решений по минимизации негативного влияния на гидросферу.

Техническим результатом изобретения является на основании информации, полученной с измерительных приборов, возможность автоматизированного получения, обработки и сравнения широкого спектра набора данных о параметрах поверхностных вод с последующим автоматическим принятием эффективных решений по сбросам сточных вод.

Известна система мониторинга наводнений и датчик уровня воды, включающая блок управления, к сигнальным входам которого подключены датчики: уровня воды, несанкционированного доступа, температуры воды и воздуха, пультом централизованного наблюдения, снабженного блокомкоммуникаций, а блок управления снабжен устройством приема-передачи (Патент RU №115930, МПК⁸ G01W 1/00; G01F 23/62, опубл. 10.05.2012 г.).

Недостатками данной системы являются сложная структура, высокая себестоимость, отсутствие контроля для анализа чрезвычайной ситуации и опасности наступающего паводка или наводнения.

Известна геоинформационная система мониторинга экологических рисков, содержащая центр пользователей, базу метаданных и геопространственных данных, средства отображения и документирования, системное и прикладное программное обеспечение, и центр локального мониторинга, которые объединены в единый центр мониторинга геоинформационной системы экологических рисков, причем центр локального мониторинга соединен с центром пользователей, а геоинформационная система оснащена множеством локальных систем мониторинга экологических рисков, которые соединены каналами связи с центром локального мониторинга через сервер архива базы данных (Патент на полезную модель RU №87280, МПК⁸ G06F 17/30, опубл. 27.09.2009 г.).

Недостатками системы являются отсутствие контроля и анализа изменений уровня воды в открытых водоемах, что приводит к невозможности его использования для оперативного реагирования на наличие опасности паводков и наводнений.

Известно устройство для контроля уровня воды в открытых водоемах, содержащее центр пользователей, базу метаданных и геопространственных данных, средства отображения и документирования, связанные с центром локального мониторинга, которые объединены в единый центр мониторинга геоинформационной системы экологических рисков, центр пользователей предназначен для подачи запросов в центр мониторинга геоинформационной системы экологических рисков, а также получения результатов от центра локального мониторинга для передачи полученных данных в блок принятия решений по ЧС, согласно изобретению, сервер архива базы данных локальных систем мониторинга выполнен с возможностью в зависимости от запроса, поступающего в центр мониторинга, подключать соответствующую локальную систему мониторинга экологических к интересуемым пользователей участкам контроля, таким образом, чтобы датчики контроля в открытых водоемах выдавали на сервер требуемую информацию по паводковой обстановке, блок ранжирования выполнен с возможностью при поступлении от датчиков контроля уровня воды сигнала о поднятии уровня воды извещать центр локального мониторинга через сервер архива базы данных при этом блок принятия решений при ЧС связан с единым центром локального мониторинга и центром пользователей и предназначен при получении данных по паводковой ситуации, вырабатывать управляющее решение по контролю за гидроэнергетическими ресурсами либо принятию решения по эвакуации (Патент RU №2710898, МПК⁸ G06F 9/00; G00B 21/00, опубл. 30.11.2018 г.).

Недостатками данной системы является невозможность автоматического контроля, анализа уровня воды, своевременное оповещение аварийных служб, длительное время реагирования на паводковую опасность в связи с отсутствием прогнозируемого уровня воды.

Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является устройство для контроля уровня воды в открытых водоемах, содержащее последовательно соединенные центр пользователей, блок принятия решений при ЧС, центр мониторинга геоинформационной системы мониторинга экологических рисков, включающий базу геоданных и базу метаданных, средства отображения и документирования, центр локального мониторинга, сервер архива базы данных локальных систем мониторинга, блоки локальных систем мониторинга экологических рисков, блоки ранжирования, каналы связи, датчики контроля уровня воды, переключатели, сумматоры, блоки прогноза, датчики температуры воды и датчики температуры воздуха (Патент RU №2784822, МПК⁸ G08B 21/10, 25/14; G01F 23/00, опубликовано: 29.11.2022 Бюл. №34).

Недостатками данной системы является невозможность автоматического контроля, анализа качественного и количественного состава воды, своевременное оповещение аварийных служб для принятия управленческих решений по минимизации негативного влияния на гидросферу.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей системы, путем создания автоматизированного контроля и мониторинга качества поверхностных водных объектов вблизи выпусков промышленных сточных вод, что гарантирует оперативное реагирование и своевременное принятие управленческих решений при возрастании значений контролируемых параметров до уровня или выше уровня предельно-допустимых концентраций.

Поставленные задачи достигаются тем, что в автоматизированной системе мониторинга загрязнения водных объектов стоками промышленных предприятий, содержащей последовательно соединенные центр пользователей, блок принятия решений при ЧС, центр мониторинга геоинформационной системы мониторинга экологических рисков, включающий базу геоданных и базу метаданных, средства отображения и документирования, центр локального мониторинга, прикладное программное обеспечение, системное программное обеспечение, сервер архива базы данных локальных систем мониторинга, блоки локальных систем мониторинга экологических рисков, блоки ранжирования, каналы связи, датчики уровня воды, переключатели, сумматоры, блоки прогноза, датчики температуры воды и датчики температуры воздуха, причем переключатели соединены с блоком ранжирования посредством прямых и обратных каналов связи, выходы сумматоров и выходы датчиков уровня воды соединены с переключателями и соединены между собой, блоки прогноза соединены с выходами и входами датчиков температуры воды и датчиков температуры воздуха и блоки прогноза соединены с сумматорами посредством прямых и обратных каналов связи дополнительно введен центр анализа загрязнения водного объекта, включающий датчик измерения рН, датчик измерения мутности, датчик измерения электропроводности, оптический датчик измерения растворенного кислорода, коммутатор датчиков, блок сравнения значений рН, блок сравнения значений мутности, блок сравнения значений электропроводности, блок сравнения значений растворенного кислорода, блок фиксации превышений предельно допустимых значений, задатчик контроля критического значения рН, задатчик контроля критического значения мутности, задатчик контроля критического значения электропроводности, задатчик контроля критического значения растворенного кислорода, блок установки предельно допустимых значений на задатчиках контроля критического значения рН, мутности, электропроводности и растворенного кислорода, контроллер загрязнения.

На Фиг. представлена схема предложенной автоматизированной системы мониторинга загрязнения водных объектов стоками промышленных предприятий.

Автоматизированная система мониторинга загрязнения водных объектов стоками промышленных предприятий содержит центр пользователей 1, блок принятия решений при ЧС 13, центр мониторинга геоинформационной системы мониторинга экологических рисков 7, включающий базу геоданных и базу метаданных 2, средства отображения и документирования 3, центр локального мониторинга 4, прикладное программное обеспечение 5, системное программное обеспечение 6, сервер архива базы данных локальных систем мониторинга 10, причем передачу сигнала осуществляют по прямым и обратным каналам связи 9, блоки локальных систем мониторинга экологических рисков 8, блоки ранжирования 11, датчики уровня воды 18, переключатели 12, сумматоры 14, блоки прогноза 15, датчики температуры воды 16 и датчики температуры воздуха 17, центр анализа загрязнения водного объекта 19, включающий датчик измерения рН 20, датчик измерения мутности 21, датчик измерения электропроводности 22, оптический датчик измерения растворенного кислорода 23, коммутатор датчиков 24, блок сравнения значений рН 25, блок сравнения значений мутности 26, блок сравнения значений электропроводности 27, блок сравнения значений растворенного кислорода 28, блок фиксации превышений предельно допустимых значений 29, задатчик контроля критического значения рН 30, задатчик контроля критического значения мутности 31, задатчик контроля критического значения электропроводности 32, задатчик контроля критического значения растворенного кислорода 33, блок установки предельно допустимых значений на задатчиках контроля критического значения рН, мутности, электропроводности и растворенного кислорода 34, контроллер загрязнения 35, передачу сигнала осуществляют по прямым и обратным каналам связи 9.

Причем выход и вход центра пользователей 1 соединен с выходом и входом блока принятия решений при ЧС 13, выход и вход которого соединен с выходом и входом центра мониторинга геоинформационной системы мониторинга экологических рисков 7, выход и вход которого соединен с выходом и входом сервера архива базы данных локальных систем мониторинга 10, выходы и входы которого в свою очередь соединяются с выходами и входами блоков локальных систем мониторинга экологических рисков 8. Количество блоков локальных систем мониторинга экологических рисков 8 зависит от планируемого количества постов мониторинга. Далее выходы и входы блоков локальных систем мониторинга экологических рисков 8 соединены с выходами и входами блоков ранжирования 11, выходы и входы которых соединены с выходами и входами переключателей 12. Передача сигнала осуществляется посредством прямых и обратных каналов связи 9.

Входы переключателей 12 соединены с выходами сумматоров 14 и выходами датчиков уровня воды 18, причем их выходы и входы соединены между собой.

Входы и выходы сумматоров 14 соединены с выходами и входами блоков прогноза 15, выходы и входы которых в свою очередь параллельно соединены с выходами и входами датчиков температуры воды 16 и датчиков температуры воздуха 17.

Входы и выходы блоков локальных систем мониторинга экологических рисков 8 соединены с выходами и входами контроллеров загрязнения 35, выходы и входы которых в свою очередь параллельно соединены с выходами блоков фиксации превышений предельно допустимых значений 29 и коммутаторов датчиков 24 и с входами блоков установки предельно допустимых значений на задатчиках контроля критического значения рН, мутности, электропроводности и растворенного кислорода 34, с входами датчиков измерения рН 20, датчиков измерения мутности 21, датчиков измерения электропроводности 22, оптических датчиков измерения растворенного кислорода 23.

Выходы блоков установки предельно допустимых значений на задатчиках контроля критического значения рН, мутности, электропроводности и растворенного кислорода 34 параллельно соединены с входами задатчиков контроля критического значения рН 30, задатчиков контроля критического значения мутности 31, задатчиков контроля критического значения электропроводности 32, задатчиков контроля критического значения растворенного кислорода 33, выходы которых в свою очередь параллельно соединены с входами блоков сравнения значений рН 25, блоков сравнения значений мутности 26, блоков сравнения значений электропроводности 27, блоков сравнения значений растворенного кислорода 28. Выходы блоков сравнения значений рН 25, блоков сравнения значений мутности 26, блоков сравнения значений электропроводности 27, блоков сравнения значений растворенного кислорода 28 соединены с входами блоков фиксации превышений предельно допустимых значений 29.

Выходы датчиков измерения рН 20, датчиков измерения мутности 21, датчиков измерения электропроводности 22, оптических датчиков измерения растворенного кислорода 23 параллельно соединены с входами блоков сравнения значений рН 25, блоков сравнения значений мутности 26, блоков сравнения значений электропроводности 27, блоков сравнения значений растворенного кислорода 28 и одновременно соединены с входами коммутаторов датчиков 24.

Автоматизированная система мониторинга загрязнения водных объектов стоками промышленных предприятий работает следующим образом.

От центра пользователей 1, который может быть выполнен, например, в виде компьютера, запрос поступает в центр мониторинга геоинформационной системы мониторинга экологических рисков 7, включающий базу геоданных и базу метаданных 2, средства отображения и документирования 3, центр локального мониторинга 4, прикладное программное обеспечение 5, системное программное обеспечение 6 через каналы связи 9, например, оптиковолоконная связь, интернет или радиосвязь. Центр локального мониторинга 4, который может быть выполнен в виде стационарного компьютера или ноутбука подключает базу метаданных и геопространственных данных 2, выполненных в виде цифровых карт с указанием, характеристик и адресов специализированных данных. Далее через сервер архива базы данных локальных систем мониторинга 10, в зависимости от запроса потребителя, подключаются локальные системы мониторинга экологических рисков 8, либо все сразу, либо только на интересующих потребителя участках, которые с помощью переключателя 12, подключенного к датчикам контроля уровня воды 18 в открытых водоемах и сумматора 14, соединенного с блоком прогноза 15, подключенного к датчику температуры воды 16 и датчику температуры воздуха 17, выдают на сервер архива базы данных локальных систем мониторинга 10 требуемую информацию по паводковой обстановке, которая далее поступает в центр локального мониторинга 4, где обрабатываются и анализируются полученные данные. Затем центр локального мониторинга 4 подключает средства отображения и документирования 3, выполненные в виде, например, принтеров, дисплеев, записывающих или запоминающих устройств, и, отправляет полученные результаты в центр пользователей 1, который оперативно передает полученные данные в блок принятия решений при ЧС 13 и анализирует сложившуюся обстановку и, в зависимости от величины угрозы наступления паводка или наводнения, вырабатывает управленческие решения по контролю за гидроэнергетическими ресурсами (сброс лишней воды из водохранилища), эвакуации населения из населенных пунктов и т.п. При поступлении от датчиков контроля уровня воды в открытых водоемах 12 сигнала о поднятии уровня воды, блок ранжирования 11 в зависимости от характеристик поступившего сигнала либо бездействует, либо извещает центр локального мониторинга 4.

Локальные системы мониторинга экологических рисков 8 устанавливают, например, в местах, где расположены отметки верхнего и нижнего уровня воды в открытых водоемах (например, отметки верхнего и нижнего бассейна гидроэлектростанции), населенных пунктах, подверженных затоплению и с высокой паводковой опасностью. В этом случае центр мониторинга геоинформационной системы мониторинга экологических рисков 7 позволит оперативно извещать аварийные службы, оперативный персонал гидроэлектростанции, население о надвигающихся паводках и наводнениях и времени их появления.

Данные замеров датчиков измерения рН 20, датчиков измерения мутности 21, датчиков измерения электропроводности 22, оптических датчиков измерения растворенного кислорода 23 центра анализа загрязнения водного объекта 19 с заданной периодичностью одновременно поступают:

1. в блоки сравнения значений рН 25, блоки сравнения значений мутности 26, блоки сравнения значений электропроводности 27, блоки сравнения значений растворенного кислорода 28 для сравнения измеренных параметров с заданными в задатчик контроля критического значения рН 30, задатчиках контроля критического значения мутности 31, задатчиках контроля критического значения электропроводности 32, задатчиках контроля критического значения растворенного кислорода 33, которые связаны с блоком установки предельно допустимых значений на задатчиках контроля критического значения рН, мутности, электропроводности и растворенного кислорода 34, регулирующим изменение критических значений анализируемых параметров;

2. на коммутаторы датчиков 24 для преобразования и распределения пространственно-разделенных сигналов, а так же для формирования сложных сигналов специальной формы.

Если значения анализируемых параметров, измеренных датчиками измерения рН 20, датчиками измерения мутности 21, датчиками измерения электропроводности 22, оптическими датчиками измерения растворенного кислорода 23 не превышают заданных в задатчиках контроля критического значения рН 30, задатчиках контроля критического значения мутности 31, задатчиках контроля критического значения электропроводности 32, задатчиках контроля критического значения растворенного кислорода 33 предельно допустимых значений, работа центра анализа загрязнения водного объекта 19 ведется в установленном режиме.

Если блоками сравнения значений рН 25, блоками сравнения значений мутности 26, блоками сравнения значений электропроводности 27, блоками сравнения значений растворенного кислорода 28 выявляются превышения заданных в задатчиках контроля критического значения рН 30, задатчиках контроля критического значения мутности 31, задатчиках контроля критического значения электропроводности 32, задатчиках контроля критического значения растворенного кислорода 33 критических значений анализирумых параметров, сигнал поступает на блоки фиксации превышений предельно допустимых значений 29 и далее данные замеров передаются в контроллеры загрязнения 35, которые отправляют сигнал о внеочередном сеансе замеров на датчики измерения рН 20, датчики измерения мутности 21, датчики измерения электропроводности 22, оптические датчики измерения растворенного кислорода 23. Одновременно сигналы о проведенных замерах и о превышении критических значений анализируемых параметров поступают на блоки локальных систем мониторинга экологических рисков 8, далее в сервер архива базы данных локальных систем мониторинга 10, затем через центр локального мониторинга 4 на блок принятия решений при ЧС 13 и центр пользователей 1.

Использование автоматизированной системы мониторинга загрязнения водных объектов стоками промышленных предприятий позволит обеспечить автоматический контроль за качественным и количественным составом поверхностных вод, что гарантирует оперативное реагирование и своевременное принятие управленческих решений при превышении заданных критических значений контролируемых параметров вблизи выпусков промышленных сточных вод, а так же даст возможность прогнозировать изменение уровня воды в зависимости от ее температуры и температуры воздуха, учитывать гидрогеологический фактор при проведении исследований экологических рисков и своевременно определять наличие паводковой опасности, оповещать аварийные службы, сохранять и анализировать базу данных по паводкам и наводнениям на сервере архива, моделировать и прогнозировать возможные последствия загрязнения водных объектов, возникновения паводков и наводнений в экологических системах и определять их стабильность.

Изобретение относится к специализированным системам автоматического контроля качества поверхностных вод и может быть использовано для анализа и моделирования загрязнения водных объектов стоками промышленных предприятий, для оперативного информационного обеспечения процессов мониторинга экологических рисков и принятия управленческих решений по минимизации негативного влияния на гидросферу. Система содержит последовательно соединенные центр пользователей, блок принятия решений при ЧС, центр мониторинга геоинформационной системы мониторинга экологических рисков, включающий базу геоданных и базу метаданных, средства отображения и документирования, центр локального мониторинга, прикладное программное обеспечение, системное программное обеспечение, сервер архива базы данных локальных систем мониторинга, блоки локальных систем мониторинга экологических рисков, блоки ранжирования, каналы связи, датчики уровня воды, переключатели, сумматоры, блоки прогноза, датчики температуры воды и датчики температуры воздуха, причем переключатели соединены с блоком ранжирования посредством прямых и обратных каналов связи. Выходы сумматоров и выходы датчиков уровня воды соединены с переключателями и соединены между собой. Блоки прогноза соединены с выходами и входами датчиков температуры воды и датчиков температуры воздуха, и блоки прогноза соединены с сумматорами посредством прямых и обратных каналов связи. Система также включает центр анализа загрязнения водного объекта, включающий датчик измерения рН, датчик измерения мутности, датчик измерения электропроводности, оптический датчик измерения растворенного кислорода, коммутатор датчиков, блок сравнения значений рН, блок сравнения значений мутности, блок сравнения значений электропроводности, блок сравнения значений растворенного кислорода, блок фиксации превышений предельно допустимых значений, задатчик контроля критического значения рН, задатчик контроля критического значения мутности, задатчик контроля критического значения электропроводности, задатчик контроля критического значения растворенного кислорода, блок установки предельно допустимых значений на задатчиках контроля критического значения рН, мутности, электропроводности и растворенного кислорода, контроллер загрязнения. Технический результат: возможность автоматизированного получения, обработки и сравнения широкого спектра набора данных о параметрах поверхностных вод с последующим автоматическим принятием решений по сбросам сточных вод. 1 ил.

Автоматизированная система мониторинга загрязнения водных объектов стоками промышленных предприятий, содержащая последовательно соединенные центр пользователей, блок принятия решений при ЧС, центр мониторинга геоинформационной системы мониторинга экологических рисков, включающий базу геоданных и базу метаданных, средства отображения и документирования, центр локального мониторинга, прикладное программное обеспечение, системное программное обеспечение, сервер архива базы данных локальных систем мониторинга, блоки локальных систем мониторинга экологических рисков, блоки ранжирования, каналы связи, датчики уровня воды, переключатели, сумматоры, блоки прогноза, датчики температуры воды и датчики температуры воздуха, причем переключатели соединены с блоком ранжирования посредством прямых и обратных каналов связи, выходы сумматоров и выходы датчиков уровня воды соединены с переключателями и соединены между собой, блоки прогноза соединены с выходами и входами датчиков температуры воды и датчиков температуры воздуха и блоки прогноза соединены с сумматорами посредством прямых и обратных каналов связи, отличается тем, что в нее дополнительно введены центр анализа загрязнения водного объекта, включающий датчик измерения рН, датчик измерения мутности, датчик измерения электропроводности, оптический датчик измерения растворенного кислорода, коммутатор датчиков, блок сравнения значений рН, блок сравнения значений мутности, блок сравнения значений электропроводности, блок сравнения значений растворенного кислорода, блок фиксации превышений предельно допустимых значений, задатчик контроля критического значения рН, задатчик контроля критического значения мутности, задатчик контроля критического значения электропроводности, задатчик контроля критического значения растворенного кислорода, блок установки предельно допустимых значений на задатчиках контроля критического значения рН, мутности, электропроводности и растворенного кислорода, контроллер загрязнения, при этом входы и выходы блоков локальных систем мониторинга экологических рисков соединены с выходами и входами контроллеров загрязнения, выходы и входы которых в свою очередь параллельно соединены с выходами блоков фиксации превышений предельно допустимых значений и коммутаторов датчиков и с входами блоков установки предельно допустимых значений на задатчиках контроля критического значения рН, мутности, электропроводности и растворенного кислорода, с входами датчиков измерения рН, датчиков измерения мутности, датчиков измерения электропроводности, оптических датчиков измерения растворенного кислорода, выходы блоков установки предельно допустимых значений на задатчиках контроля критического значения рН, мутности, электропроводности и растворенного кислорода параллельно соединены с входами задатчиков контроля критического значения рН, задатчиков контроля критического значения мутности, задатчиков контроля критического значения электропроводности, задатчиков контроля критического значения растворенного кислорода, выходы которых в свою очередь параллельно соединены с входами блоков сравнения значений рН, блоков сравнения значений мутности, блоков сравнения значений электропроводности, блоков сравнения значений растворенного кислорода, выходы блоков сравнения значений рН, блоков сравнения значений мутности, блоков сравнения значений электропроводности, блоков сравнения значений растворенного кислорода соединены с входами блоков фиксации превышений предельно допустимых значений, выходы датчиков измерения рН, датчиков измерения мутности, датчиков измерения электропроводности, оптических датчиков измерения растворенного кислорода параллельно соединены с входами блоков сравнения значений рН, блоков сравнения значений мутности, блоков сравнения значений электропроводности, блоков сравнения значений растворенного кислорода и одновременно соединены с входами коммутаторов датчиков.