Система экологического мониторинга загрязнения окружающей среды с использованием беспилотного летательного аппарата Российский патент 2024 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к области экологии, в частности, к системе экологического мониторинга и прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха с использованием беспилотного летательного аппарата.

В современных промышленных городах воздушная среда загрязняется сложной смесью вредных веществ, состав которой напрямую зависит от характера имеющихся производств и т.д. Концентрация вредных веществ в различных частях города может значительно превышать предельно-допустимый уровень в несколько раз.

Последнее обусловлено рядом причин: технологический режим и состояние производственной аппаратуры каждого техногенного предприятия, погодные условия (характер и мощность ветров, температура, влажность), количество автотранспорта в каждой точке города и другие факторы, которые необходимо учитывать в совокупности со временем их возникновения. При этом имеющиеся системы мониторинга не позволяют повсеместно и постоянно осуществлять контроль, наблюдение за выбросами загрязняющих веществ и своевременно оповещать специализированные службы о чрезвычайных превышениях загрязнений окружающей среды.

Все это свидетельствует о специфических трудностях, возникающих при исследовании воздушной среды, и обуславливает высокие требования к качеству экологического контроля. Направлением решения данной проблемы, является создание автоматизированного мониторинга окружающей воздушной среды промышленных городов - системы оперативного контроля состояния атмосферного воздуха, его загрязнений с использованием беспилотного летательного аппарата.

Известны технические решения поставленной задачи [1.2].

Первое из известных технических решений содержит первую и вторую группы быстродействующих датчиков экологического контроля состояния атмосферы, систему GPS, метеостанцию, мобильную телефонную станцию, центральный диспетчерский пункт. Причем датчики первой группы для измерения фоновых концентраций химического загрязнения и уровней физического загрязнения атмосферного воздуха устанавливают на стационарных постах. Датчики второй группы для измерения концентраций химического загрязнения и уровней физического загрязнения атмосферного воздуха устанавливают на беспилотных летательных аппаратах (БЛА), совершающих облеты территории горнопромышленной агломерации по заданной программе. В случае обнаружения превышения нормативных значений загрязнений датчиками первой группы в места превышения уровня загрязнения направляют БЛА с датчиками второй группы для более детального изучения появившегося загрязнения и прогнозирования траектории его распространения в зависимости от метеопараметров (1).

Недостаток данного технического решения заключается в невысоком быстродействии системы, поскольку данные для принятия решения система выдает только после окончания сбора и обработки всей входной информации.

Известно и другое техническое решение, содержащее первую и вторую группы датчиков экологического контроля состояния среды, средства радиосвязи датчиков второй группы с аппаратурой городской телефонной сети, центральный диспетчерский пункт, быстродействующие газовые датчики экологического контроля состояния атмосферы, систему GPS, мобильную телефонную систему, установленные на электротранспортных единицах, а также метеостанцию, группу датчиков замеров концентраций загрязняющих веществ непосредственно с источников загрязнения, центр моделирования, центр обработки и сравнения данных, датчики экологического контроля состояния атмосферы, датчики, улавливающие вещества, обладающие эффектом суммации, датчики пыли, телефонный пункт ЖКХ и центр контроля работы светофоров. Центр контроля работы светофоров и телефонный пункт ЖКХ соединены посредством каналов передачи данных с центральным диспетчерским пунктом, Телефонный пункт ЖКХ подсоединен к системе экологического мониторинга атмосферного воздуха промышленного региона только в весенне-осенний период года (2).

Недостаток этого технического решения состоит в ограниченном арсенале технических средств для точной идентификации показателей загрязнения окружающей среды.

Цель изобретения заключается в устранении указанного недостатка путем существенного расширения арсенала технических средств для точной идентификации показателей загрязнения окружающей среды.

Поставленная цель достигается тем, что в систему содержащую модуль селекции координат точек измерения показателей загрязнения окружающей среды, информационный и синхронизирующий входы которого являются информационным и синхронизирующим входами системы соответственно, при этом информационный вход системы предназначен для приема транзакций с беспилотного летательного аппарата, синхронизирующий вход системы предназначен для приема синхронизирующих сигналов занесения транзакций с беспилотного летательного аппарата в модуль селекции координат точек измерения показателей загрязнения окружающей среды, при этом информационный выход модуля селекции координат точек измерения показателей загрязнения окружающей среды является информационным выходом системы, предназначенным для выдачи количественных значений показателей загрязнения окружающей среды на информационный выход системы, модуль памяти, управляющие входы которого соединены с соответствующими управляющими выходами модуля селекции координат точек измерения показателей загрязнения окружающей среды, а синхронизирующий вход модуля памяти подключен к синхронизирующему выходу модуля селекции координат точек измерения показателей загрязнения окружающей среды, модуль подсчета количества поступивших транзакций, счетный вход которого подключен к синхронизирующему выходу модуля памяти, и первый блок адресации записей входных транзакций, один информационный вход которого соединен с первым информационным выходом модуля памяти, другой информационный вход первого блока адресации записей входных транзакций подключен к выходу блока подсчета количества поступивших транзакций, а синхронизирующий вход первого блока адресации записей входных транзакций соединен с синхронизирующим выходом модуля памяти, при этом информационный выход первого блока адресации записей входных транзакций является первым адресным выходом системы, предназначенным для выдачи адресов записи на адресный вход сервера базы данных, введены первый модуль идентификации кодов, один информационный вход которого соединен с третьим информационным выходом модуля памяти, другой информационный вход первого модуля идентификации кодов подключен к информационному выходу модуля селекции координат точек измерения показателей загрязнения окружающей среды, а синхронизирующий вход первого модуля идентификации кодов соединен с синхронизирующим выходом первого блока адресации записей входных транзакций, второй модуль идентификации кодов, один информационный вход которого соединен с четвертым информационным выходом модуля памяти, другой информационный вход второго модуля идентификации кодов подключен к информационному выходу модуля селекции координат точек измерения показателей загрязнения окружающей среды, и второй модуль адресации записей входных транзакций, один информационный вход которого соединен с вторым информационным выходом модуля памяти, другой информационный вход второго модуля адресации записей входных транзакций подключен к выходу модуля подсчета количества поступивших транзакций, один синхронизирующий вход второго модуля адресации записей входных транзакций соединен с одним выходом первого модуля идентификации кодов, другой синхронизирующий вход второго модуля адресации записей входных транзакций подключен к первому выходу второго модуля идентификации кодов, при этом адресный выход второго модуля адресации записей входных транзакций является вторым адресным выходом системы, предназначенным для выдачи адресов записи на адресный вход сервера базы данных, а синхронизирующий выход второго модуля адресации записей входных транзакций является первым синхронизирующим выходом, предназначенным для выдачи сигналов управления на вход первого канала прерывания сервера базы данных, второй выход первого модуля идентификации кодов соединен с синхронизирующим входом второго модуля идентификации кодов, другой выход которого является вторым синхронизирующим выходом системы, предназначенным для выдачи сигналов управления на вход второго канала прерывания сервера базы данных.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 - представлена структурная схема системы, на фиг. 2 - структурная схема модуля селекции координат точек измерения показателей загрязнения окружающей среды, на фиг. 3 - структурная схема модуля памяти, на фиг. 4 - структурная схема первого блока адресации записей входных транзакций, на фиг. 5 - структурная схема второго блока адресации записей входных транзакций.

Система (фиг. 1) содержит модуль 1 селекции координат точек измерения показателей загрязнения окружающей среды, модуль 2 памяти, модуль 3 подсчета количества поступивших транзакций, первый 4 и второй 5 модули идентификации кодов, первый 6 и второй 7 модули адресации записей входных транзакций.

На фиг. 1 показаны информационный 14 и синхронизирующий 15 входы системы, а также информационный 16 выход системы, первый 17 и и второй 18 адресные выходы системы, первый 19 и второй 20 синхронизирующие выходы системы.

Модуль 1 (фиг. 2) селекции координат точек измерения показателей загрязнения окружающей среды содержит регистр 21, дешифратор 22, элементы 23-25 И, элемент 26 задержки. На чертеже показаны информационный 14 и синхронизирующий 15 входы, а также группа 30-32 управляющих выходов, синхронизирующий 33 и информационный 34 выходы.

Модуль 2 (фиг. 3) памяти содержит первое 9, второе 10 и третье 11 постоянные запоминающие устройства, а также элемент 12 задержки. На чертеже показаны первый 37, второй 38 и третий 39 управляющие и синхронизирующий 40 входы, а также первый 41, второй 42, третий 43 и четвертый 44 информационные, и синхронизирующий 45 выходы.

Модуль 3 (фиг. 1) подсчета количества поступивших транзакций выполнен в виде счетчика, имеющего счетный 35 вход и информационный 36 выход.

Первый модуль 4 (фиг. 1) идентификации кодов выполнен в виде компаратора, имеющего информационные 48, 49 и синхронизирующий 47 входы, а также первый 50 и второй 51 выходы.

Второй модуль 5 (фиг. 1) идентификации кодов выполнен в виде компаратора, имеющего информационные 52, 53 и синхронизирующий 54 входы, а также первый 55 и второй 56 выходы.

Первый модуль 6 (фиг. 4) адресации записей входных транзакций показаний загрязнения окружающей среды содержит регистр 70, сумматор 71 и элемент 72 задержки. На чертеже показаны первый 57 и второй 58 информационные входы, синхронизирующий 59 вход, а также информационный 61 и синхронизирующий 60 выходы.

Второй модуль 7 (фиг. 5) адресации записей входных транзакций показаний загрязнения окружающей среды содержит регистр 75, сумматор 76, элемент 77 ИЛИ, и элементы 78, 79 задержки. На чертеже показаны первый 62 и второй 63 информационные входы, первый 64 и второй 65 синхронизирующие входы, а также информационный 18 и синхронизирующий 20 выходы.

Все узлы и элементы системы выполнены на стандартных потенциально-импульсных элементах.

Система работает следующим образом.

Определение точного местоположения источника экологического загрязнения играет основную роль в осуществлении непрерывного мониторинга состояния приземного слоя атмосферы, а главное в оперативном реагировании на аварийную ситуацию и предоставлении данных для возможности наиболее точного анализа критических ситуаций.

Структура кодограммы транзакции, поступающей с беспилотного летательного аппарата на информационный 14 вход системы имеет следующий вид:

Синхронизирующим сигналом, поступающим на синхронизирующий вход 15 системы, данная кодограмма транзакции заносится в регистр 21 модуля 1.

Код координат точки измерения показателей загрязнения окружающей среды с выхода 27 регистра поступает на адресный вход дешифратора 22, а синхронизирующий импульс с входа 15 задерживается элементом 26 задержки на время занесения кода транзакции в регистр 21 и срабатывания дешифратора 22, и далее поступает на входы элементов 23-25 И. Дешифратор 22 расшифровывает поступивший код координат и подготавливает цепь прохождения сигнала с выхода элемента 26 задержки, открывая один из элементов 23-25 И. Для определенности положим, что высокий потенциал поступил на один вход элемента 24 И.

Учитывая то обстоятельство, что открытым по одному входу будет только элемент 24 И, то пройдя этот элемент И, синхроимпульс поступает, во-первых, на вход 38 считывания фиксированных ячеек памяти постоянных запоминающих устройства 9-11 модуля 2.

В фиксированной ячейке памяти запоминающего устройства 9 модуля 2 хранится опорный адрес записи поступающих транзакций в сервер базы данных, если текущее значение количественного показателя загрязнения окружающей среды лежит в заданных пределах максимального и минимального значений, а в фиксированной ячейке памяти устройства 10 хранится базовый адрес записи поступающих транзакций в сервер базы данных, если текущее значение количественного показателя загрязнения окружающей среды выходит за пределы заданных максимального и минимального значений измеряемого показателя.

В фиксированной ячейке памяти запоминающего устройства 11 модуля 2 хранятся минимальное и максимальное значения измеряемого параметра в виде записи:

Диапазоны изменения количественных значений измеряемых показателей приведены в следующей таблице

Код минимального значения количественного показателя загрязнения окружающей среды с выхода 43 модуля 2 поступает на один информационный вход 48 компаратора 4, а код максимального значения количественного показателя с выхода 44 модуля 2 поступает на один информационный вход 52 компаратора 5.

К этому моменту времени с выхода 34 модуля 1 текущее значение количественного показателя загрязнения окружающей среды, поступившего на вход 14 системы, поступает на другой информационный вход 49 компаратора 4, на другой информационный вход 53 компаратора 5, и на информационный выход 16 системы.

Параллельно с этим процессом, считанный опорный адрес записи транзакций в сервер базы данных с выхода 41 модуля 2 поступает на первый информационный 57 вход модуля 6, на другой 58 информационный вход которого поступает код показаний счетчика 3, подсчитывающего число принятых транзакций по импульсам, поступающим с выхода 45 модуля 2 на его счетный 35 вход.

Кроме того, синхронизирующий импульс с выхода 45 модуля 2 поступает также на синхронизирующий вход 59 модуля 6, обеспечивая занесение кода опорного адреса записи в регистр 70 модуля 6, который с выхода регистра 70 поступает на один информационный вход сумматора 71.

Сумматор 71 по сигналу с выхода элемента 72 задержки формирует текущий адрес записи на выходе 61 сумматора 71, а синхронизирующий сигнал с выхода 60 модуля 6 поступает на синхронизирующий вход 47 компаратора 4.

По этому сигналу компаратор 4 сравнивает текущее количественное значение показателя загрязнения окружающей среды с входа 49 компаратора 4 с минимальным количественным значением показателя с выхода 43 модуля 2, и если текущее количественное значение показателя превышает его минимальное значение, то компаратор 4 вырабатывает сигнал на выходе 51 и выдает его на синхронизирующий вход 54 компаратора 5.

По поступившему сигналу компаратор 5 сравнивает текущее количественное значение показателя загрязнения окружающей среды с входа 53 с максимальным количественным значением показателя с входа 52, и если текущее количественное значение показателя не превышает его максимальное значение, то компаратор 5 вырабатывает сигнал на выходе 56 и выдает его на синхронизирующий 20 выход системы.

Этот сигнал с выхода 20 системы поступает на вход первого канала прерывания сервера базы данных. С приходом этого сигнала сервер базы данных переходит на подпрограмму записи поступившего количественного значения показателя загрязнения окружающей среды с выхода 16 по адресу, сформированному на адресном выходе 17 системы.

Если же текущее количественное значение показателя загрязнения окружающей среды будет меньше его минимального значения, то компаратор 4 зафиксирует этот факт выработкой сигнала на выходе 50 и выдачи его на синхронизирующий вход 64 модуля 7. Аналогичным образом, если текущее количественное значение показателя загрязнения окружающей среды превышает его максимальное значение, то этот факт компаратор 5 зафиксирует выработкой сигнала на выходе 55 и выдачи его на синхронизирующий вход 65 модуля 7.

Сигналы, идентифицирующие факт нарушения экологической ситуации и поступающие на вход 64 или вход 65, проходят через элемент 70 ИЛИ, и, во-первых, поступают на синхронизирующий вход регистра 75, записывая в него опорный адрес записи количественных значений показателей, превышающих значения предельно допустимых показателей экологической ситуации.

Код опорного адреса с выхода регистра 75 поступает на один вход сумматора 76, на другой 62 вход которого поступают показания модуля 3. Сумматор 76 по сигналу с выхода элемента 78 задержки формирует текущий адрес записи на выходе 18 системы, а синхронизирующий сигнал после задержки элементом 79 на время срабатывания сумматора 76, во-первых, через выход 20 системы поступает на вход второго канала прерывания сервера базы данных.

С приходом этого сигнала сервер базы данных переходит на подпрограмму записи поступившего количественного значения

показателя загрязнения окружающей среды с выхода 16 по адресу, сформированному на адресном выходе 17 системы.

Таким образом, введение новых узлов и модулей позволило существенно расширить арсенал технических средств для точной идентификации показателей загрязнения окружающей среды.

Источники информации, принятые во внимание при составлении описания заявки:

1. Патент РФ №2536789 (09.08.2013)

2. Патент РФ №2672467 (29.12.2017) (прототип).

Изобретение относится к системам дистанционного экологического мониторинга. Сущность: система включает модуль (1) селекции координат точек измерения показателей загрязнения окружающей среды, модуль (2) памяти, модуль (3) подсчета количества поступивших транзакций, два модуля (4, 5) идентификации кодов и два модуля (6, 7) адресации записей входных транзакций. Технический результат: расширение арсенала технических средств. 5 ил.

Система экологического мониторинга загрязнения окружающей среды с использованием беспилотного летательного аппарата, содержащая модуль селекции координат точек измерения показателей загрязнения окружающей среды, информационный и синхронизирующий входы которого являются информационным и синхронизирующим входами системы соответственно, при этом информационный вход системы предназначен для приема транзакций с беспилотного летательного аппарата, синхронизирующий вход системы предназначен для приема синхронизирующих сигналов занесения транзакций с беспилотного летательного аппарата в модуль селекции координат точек измерения показателей загрязнения окружающей среды, при этом информационный выход модуля селекции координат точек измерения показателей загрязнения окружающей среды является информационным выходом системы, предназначенным для выдачи количественных значений показателей загрязнения окружающей среды на информационный выход системы, модуль памяти, управляющие входы которого соединены с соответствующими управляющими выходами модуля селекции координат точек измерения показателей загрязнения окружающей среды, а синхронизирующий вход модуля памяти подключен к синхронизирующему выходу модуля селекции координат точек измерения показателей загрязнения окружающей среды, модуль подсчета количества поступивших транзакций, счетный вход которого подключен к синхронизирующему выходу модуля памяти, и первый блок адресации записей входных транзакций, один информационный вход которого соединен с первым информационным выходом модуля памяти, другой информационный вход первого блока адресации записей входных транзакций подключен к выходу блока подсчета количества поступивших транзакций, а синхронизирующий вход первого блока адресации записей входных транзакций соединен с синхронизирующим выходом модуля памяти, при этом информационный выход первого блока адресации записей входных транзакций является первым адресным выходом системы, предназначенным для выдачи адресов записи на адресный вход сервера базы данных, отличающаяся тем, что система содержит первый модуль идентификации кодов, один информационный вход которого соединен с третьим информационным выходом модуля памяти, другой информационный вход первого модуля идентификации кодов подключен к информационному выходу модуля селекции координат точек измерения показателей загрязнения окружающей среды, а синхронизирующий вход первого модуля идентификации кодов соединен с синхронизирующим выходом первого блока адресации записей входных транзакций, второй модуль идентификации кодов, один информационный вход которого соединен с четвертым информационным выходом модуля памяти, другой информационный вход второго модуля идентификации кодов подключен к информационному выходу модуля селекции координат точек измерения показателей загрязнения окружающей среды, и второй модуль адресации записей входных транзакций, один информационный вход которого соединен с вторым информационным выходом модуля памяти, другой информационный вход второго модуля адресации записей входных транзакций подключен к выходу модуля подсчета количества поступивших транзакций, один синхронизирующий вход второго модуля адресации записей входных транзакций соединен с одним выходом первого модуля идентификации кодов, другой синхронизирующий вход второго модуля адресации записей входных транзакций подключен к первому выходу второго модуля идентификации кодов, при этом адресный выход второго модуля адресации записей входных транзакций является вторым адресным выходом системы, предназначенным для выдачи адресов записи на адресный вход сервера базы данных, а синхронизирующий выход второго модуля адресации записей входных транзакций является первым синхронизирующим выходом, предназначенным для выдачи сигналов управления на вход первого канала прерывания сервера базы данных, второй выход первого модуля идентификации кодов соединен с синхронизирующим входом второго модуля идентификации кодов, другой выход которого является вторым синхронизирующим выходом системы, предназначенным для выдачи сигналов управления на вход второго канала прерывания сервера базы данных.