Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Системный анализ информационных потоков производственного экологического мониторинга транспортных предприятий газовой промышленности (на примере газотранспортной системы «Голубой поток») .
1.1. Характеристика объектов производственного экологического мониторинга транспортных предприятий газовой промышленности . 10
1.2. Вербальная модель эко-контроллинга (на примере системы «Голубой поток»). 36
1.3. Системный анализ производственного экологического мониторинга. 44
Глава 2. Разработка алгоритмического обеспечения производственного экологического химического мониторинга транспортных предприятий газовой промышленности .
2.1. Разработка структуры алгоритмического обеспечения производственного экологического химического мониторинга транспортных предприятий газовой промышленности . 49
2.2. Анализ существующего алгоритмического обеспечения для информационной поддержки производственного экологического химического мониторинга. 61
2.3. Синтез унифицированных алгоритмов сбора и представления информации для газотранспортной трубопроводной системы Россия-Турция «Голубой поток». 87
Глава 3. Тестирование и внедрение разработанных программно-алгоритмических средств производственного экологического химического мониторинга для системы «Голубой поток» .
3.1. Разработка контрольных задач и тестирование программных средств производственного экологического химического мониторинга для газотранспортной трубопроводной системы «Голубой поток». 101
3.2. Комплекс работ но внедрению программных средств производственного экологического химического мониторинга для газотранспортной трубопроводной системы «Голубой поток». 107
Заключение. 113
Список информационных источников. 114
- Характеристика объектов производственного экологического мониторинга транспортных предприятий газовой промышленности
- Разработка структуры алгоритмического обеспечения производственного экологического химического мониторинга транспортных предприятий газовой промышленности
- Синтез унифицированных алгоритмов сбора и представления информации для газотранспортной трубопроводной системы Россия-Турция «Голубой поток».
- Разработка контрольных задач и тестирование программных средств производственного экологического химического мониторинга для газотранспортной трубопроводной системы «Голубой поток».
Введение к работе
Наиболее распространенным фактором антропогенного воздействия, приводящего к отрицательным последствиям, является загрязнение природной окружающей среды, и, в частности, перенос вредных веществ на большие расстояния. В период существования технологических процессов, не обеспечивающих полную утилизацию отходов и замкнутых циклов воздуха, может быть разрешен ограниченный, строго контролируемый выброс токсичных веществ (ТВ) в атмосферу, который определяется по специальным методикам, учитывающим рассеяние ТВ, их накопление и миграцию. Хозяйственная деятельность предприятий (в первую очередь предприятий топливного комплекса) потребовала дальнейшей разработки и принятия научно-обоснованных мер по ограничению выбросов и загрязнения ими природной среды и, прежде всего, атмосферного воздуха.
Одним из эффективных механизмов экологического регулирования
является информационно-управляющая система производственного
экологического мониторинга (ПЭМ), обеспечивающая подготовку управляющих решений по снижению антропогенных влияний на окружающую среду производственных комплексов. Системы ПЭМ обеспечивают решение следующих задач:
сбор и накопление информации о выбросах и сбросах, состоянии водной, воздушной, биологической и геологической сред в зонах влияния крупных промышленных объектов;
контроль и оценку экологической ситуации в зонах влияния промышленных объектов, оперативное выявление нештатных экологических ситуаций;
прогноз изменения уровней загрязнения и состояния компонентов природной среды в зонах влияния крупных промышленных объектов;
своевременное доведение данных ПЭМ до ответственных должностных лиц и поддержку принятия решений по управлению экологической обстановкой. Система ПЭМ успешно внедрена в различных регионах России, например в Астраханской и Оренбургской областях, Ставропольском и Краснодарском краях,
в курортной зоне Черноморского побережья. Основополагающими принципами построения системы ПЭМ являются;
централизованный сбор информации от территориально-распределёиных объектов системы, единый анализ информации;
функционирование системы в режиме реального времени, в процессе которого осуществляется постоянный обмен информацией между элементами системы;
построение системы с учётом возможности её наращивания и модернизации.
Эффективность производственного экологического мониторинга существенно возрастает на предприятиях газовой отрасли ввиду значительной протяжённости газопроводов (сотни и тысячи километров) и огромных крупнотоннажных объёмов транспортировки газа. Эти же огромные масштабы создают трудности в подготовке управляющих экологических решений, поскольку существующие в настоящее время в системах мониторинга программные средства обработки и представления информации не поддерживают картографических режимов (геоинформационных систем ГИС) - наиболее эффективных для производственных систем большой протяжённости.
Таким образом, для предприятий газовой промышленности особую актуальность приобретает задача расчёта и прогнозирования воздействия на окружающую среду выбросов в атмосферу и сбросов в гидросферу загрязняющих веществ. Она важна как для органов законодательной и исполнительной власти (в качестве инструмента по научному обоснованию размеров платежей за загрязнения и установлению нормативов), так и для предприятий (в качестве одного из инструментов по оптимизации затрат на производство).
Цель работы: Разработка информационно-алгоритмического обеспечения производственного экологического химического мониторинга газотранспортного предприятия (на примере КС «Береговая» трубопроводной системы Россия-Турция «Голубой поток»).
Задачи, решаемые для достижения цели:
Системный анализ информационных потоков производственного экологического мониторинга транспортного предприятия газовой промышленности.
Системный анализ производственного экологического мопиториїїга при разработке алгоритмов автоматизированного сбора и обработки информации.
Разработка алгоритмического обеспечения автоматизированного сбора и представления информации для производственного экологического химического мониторинга транспортного предприятия газовой промышленности.
Тестирование и внедрение разработанного алгоритмического обеспечения для газотранспортной трубопроводной системы Россия-Турция «Голубой поток» (КС «Береговая»).
Научная новизна:
выполнен системный анализ производственного экологического мониторинга при разработке алгоритмов автоматизированного сбора и обработки информации;
разработана структура алгоритмического обеспечения производственного экологического химического мониторинга транспортного предприятия газовой промышленности;
разработаны контрольные задачи программных средств автоматизированного сбора и представления информации производственного экологического химического мониторинга для газотранспортной трубопроводной системы Россия-Турция «Голубой поток»;
выполнен синтез алгоритмов автоматизированного сбора и представления информации об экологических параметрах для лиц, принимающих решение.
Практическая значимость:
разработаны унифицированные алгоритмы подсистем сбора и
представления информации для производственного экологического химического
мониторинга газотранспортного предприятия ГПС «Береговая», что позволило сократить общее число программных модулей с 328 до 76;
протестированы на контрольных задачах алгоритмы автоматизированного сбора и представления информации производственного экологического химического мониторинга для газотранспортной трубопроводной системы Россия-Турция «Голубой поток»;
внедрены в промышленную эксплуатацию программно-алгоритмические средства автоматизированного сбора и представления информации производственного экологического химического мониторинга газотранспортной трубопроводной системы Россия-Турция «Голубой поток» (КС «Береговая»),
Апробация работы: Материалы диссертации доложены на Юбилейной Международной научной конференции памяти В.В.Кафарова «Методы кибернетики в химии и химической технологии». (г.Москва, 2004 г.), 11-ом Северном социально-экологическом Конгрессе (г.Сыктывкар, 2006 г.), а также па заседаниях научно-технических советов в Инженерно-техническом центре экологической безопасности газовой промышленности "Оргэкогаз" (г.Москва, 2005г.), секции Автоматизации и секции Охраны окружающей среды в ОАО "Газпром" (г.Москва, 2005-2006гг.), на ежегодной конференции молодых ученых и аспирантов МИТХТ им. М.В.Ломоносова (г. Москва 2006 г.), на семинарах по экологическому мониторингу НПО ДИЭМ (г.Москва, 2005-2007 гг).
Публикации: Основные результаты диссертации опубликованы в 5 научных работах, в том числе в одной статье в ведущем рецензируемом журнале.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, основных выводов и списка литературы. Общий объём диссертации составляет 97 страниц текста, в том числе 32 рисунка, 14 таблиц, 88 наименований информационных источников.
Характеристика объектов производственного экологического мониторинга транспортных предприятий газовой промышленности
Участок газопровода КС "Береговая" (370-372 км) расположен на Черноморском побережье Кавказа на землях Геленджикского района Краснодарского края РФ, который относится к курортной зоной (курортная зона г. Геленджик). Участок газопровода расположен на территории между населенными пунктами Архипо-Осиповка, Джубга, Тешебс, базами отдыха Инал, Чайка. В окрестностях участка газопровода также находятся базы отдыха Горный утес и Голубая бухта.
Район охватывает южные отроги западного окончания Главного Хребта Большого Кавказа. Преобладает резкое густое расчленение, образованное глубокими узкими долинами-ущельями коротких водотоков, текущих с гор в море (в основном в южном направлении), и их притоками. Склоны, крутизной 15-46 и более, выпуклые, с некоторым увеличением крутизны вниз по профилю. Местами встречаются осыпи, оползни и камнепады. Вершины и гребни заостренные, реже куполообразные.
Компрессорная станция "Береговая" находится на уплощенной вершине (высотой около 278 м) одного из отрогов, между долинами - "щелями" Дровяной и Малый -Бжид, приблизительно в 1800 м к северу от берега. Рельеф способствует распространению возможных загрязнений вместе со сточными, дождевыми и талыми водами вниз по склонам практически по всем направлениям на расстояние от 400 м до более чем 2 км от вершины.
Гидрографическая сеть представлена речками Дровяная Щель и Малый Бжид и их притоками. Территория линейной части газопровода 370-372 км и компрессорной станции "Береговая" полностью находится в их бассейнах. Русла рек и ручьев и летний период пересыхают. Течение наблюдается только в период весеннего половодья, максимальная скорость не превышает 0.2-0.3 м/с. Летом водотоки распадаются па ряд стоячих, часто осолоненных водоемов, сохраняющихся иод сенью уремы - зарослей ольхи и высоких кустарников. Повсеместно развита водная эрозия. Ливневые осадки смывают плодородный почвенный слой, образуют промоины, рытвины и овраги.
Почвенный покров типичен для побережья Черного моря. Па территории распространены буроземы разной степени деградироваииости.
Растительный покров представлен в основном лесами разной степени сохранности и антропогенной трансформации. Преобладающими являются широколиственные леса из дуба и граба и смешанные из дуба и сосны. Встречаются также ясень, бук, осина, липа, груша и черешня. Средняя высота деревьев составляет 12-20 метров, что зависит от их положения на разных элементах рельефа. В подлеске распространены крушина, лещина, боярышник, клекачку, сумах, скумпия и кизил, перевитые лианами. В составе растительного покрова много уникальных растительных группировок, эндемичных видов и видов, занесенных в Красную книгу России и Краснодарского края, таких как подснежник кавказский, лилия кавказская, ятрышник раскрашенный, пион, красавка-беладонна, тисе ягодный и другие. Местами леса вырублены и на их месте посажены виноградники, которые являются одними из наиболее цепных сельскохозяйственных угодий региона - Краснодарский край поставляет на внутренний рынок России около половины отечественного винограда.
Метеорологическая обстановка и особенности циркуляции атмосферы
Линейная часть газопровода 370-372 км и компрессорная станция "Береговая" расположены на северной периферии субтропической зоны. Особенности климата определяют высокая интенсивность солнечной радиации в течение всего года, защищенность горами от непосредственного вторжения холодных воздушных масс и близость теплого Черного моря. Ближе всего к трассе расположена метеостанция Джубга, по данным которой и дается описание метеорологической обстановки.
Климат мягкий. Зима теплая, неустойчивая, с длительными оттепелями, однако случаются и значительные понижения температуры воздуха. Безморозный период длительный. Последние заморозки в среднем наблюдаются 1 апреля, самые ранние были отмечены 12 марта в 1951 и 1962 годах, самые поздние-23 апреля в 1948 году. Продолжительность безморозного периода в среднем составляет 217 дней. Устойчивый снежный покров отсутствует приблизительно в 96% зим. Если же снег выпадает, то держится в среднем 17 дней.
Среднегодовая температура составляет 12,0. Средняя температура июля - 22.2, абсолютный максимум достигает 42. Средняя температура января составляет 2.6е, абсолютный минимум достигает -25.
Среднегодовое количество осадков значительно и составляет 1176 мм. Зимой осадки выпадают в виде дождя и снега. Их максимальное количество приходится на декабрь. Много осадков выпадает также и в другие зимние месяцы. Наименьшее количество осадков приходится на май. В течение летних месяцев регулярно наблюдаются ливни и град. Грозы также чаще бывают летом, в среднем в году наблюдается 37 дней с грозами, однако в отдельные годы таких дней бывает до 60, а летом грозы случаются через день.
В ветровом режиме ясно прослеживаются суточные изменения направления и силы ветра. Для холодного периода (с ноября по март) характерен ветер бора, который в среднем дует 46 дней в году со скоростью, достигающей 40 м/с. Средние годовые скорости ветра составляют 5.1 м/с. Наибольшие средігие скорости (более 7 м/с) отмечаются в декабре-январе. В среднем на протяжении 28 дней в году дует сильный ветер. В течение года преобладают северные ветры. Розы ветров представлены на рис. Более подробные климатические характеристики приведены в таблицах 1.1 - 1.4.
Разработка структуры алгоритмического обеспечения производственного экологического химического мониторинга транспортных предприятий газовой промышленности
Для организации автоматизированного обмена данными с источниками и потребителями информации, обработки и хранения измерительных данных, решения расчетных задач и отображения результатов мониторинга программное обеспечение систем ПЭМ включает общесистемное, сетевое, прикладное и специализированное программное обеспечение. Терминалы автоматизированных рабочих мест эколога (АРМ-Э) систем ПЭМ снабжаются необходимыми офисными приложениями, антивирусными средствами и набором системных утилит, позволяющих выполнять системное сопровождение и техническое обслуживание программных комплексов. Пример организации обмена данными при мониторинге атмосферного воздуха показан нарис. 2.1.
Разрабатываемое ЗАО «НПФ «ДИЭМ» специализированное алгоритмическое обеспечение АРМ-Эколога ПЭМ базируется на программных средствах в составе:
Коммуникационный комплекс (КК);
Диспетчерский комплекс (ДК);
Архивный комплекс (АК);
Геоинформационный моделирующий комплекс (ГМК). Коммуникационный комплекс обеспечивает организацию
двухстороннего обмена данными между источниками и потребителями мониторинговой информации по различным каналам передачи данных. КК работает автоматически в реальном масштабе времени, находясь в режиме ожидания запроса от абонентов на установление связи; взаимодействует с ДК и обменивается с ним сообщениями о ходе приема/передачи данных; поддерживает служебные журналы и протоколы передачи данных. КК может работать также в диалоговом режиме для настройки программы и организации экстренной связи.
Диспетчерский комплекс предназначен для ведения локальной базы данных (БД) АРМ-Эколога ПЭМ и оперативного контроля состояния параметров экологической обстановки на контролируемой территории. ДК выполняет следующие функции:
приём измерительной информации через КК от автоматических постов контроля загазованности атмосферного воздуха (ПКЗ) и метеопостов (МП);
обмен данными с территориальным центром мониторинга (ЦМ);
обработка и загрузка мониторинговой информации в базу данных ЦМ;
решение задач оперативного контроля и анализа экологической обстановки на контролируемой территории с картографической привязкой результатов мониторинга;
визуализация по запросу оператора результатов последних измерений;
контроля состояния ПКЗ/МП, формирование и передача управляющих команд на ПКЗ/МП.
Кроме того, в ДК автоматически проводятся входной контроль и обработка поступившей информации, формирование и отображение аварийных сигналов и сообщений в случае превышения контролируемыми параметрами нормативных значений или выявления экстремально высоких уровней загрязнения в реальном времени. Диспетчерский комплекс может работать и в диалоговом режиме, предоставляя пользователям АРМ-Эколога ПЭМ возможности отображения результатов мониторинга в виде экранных форм и карт.
Архивный комплекс предназначен для ведения локальной БД и информационного обслуживания пользователей. К основным функциям АК относятся:
обеспечение интерактивного доступа пользователей к накопленным результатам экологического мониторинга;
формирование запросов на поиск информации в локальной БД и отображение результатов поиска в виде экранных форм и карт;
выполнение расчётных процедур;
визуализация и получение по запросу оператора отчётной документации с ретроспективными данными (результаты контроля экологических параметров за любой период времени и любой точке контроля, сводные отчёты, графики);
ввод и корректировка оператором измерительных данных с клавиатуры (при необходимости).
Программные средства АК обеспечивают информационный поиск и интерактивный доступ к накопленным результатам экологического мониторинга, а также обеспечивают работу по составлению отчетов и информационному обслуживанию пользователей.
Геоинформационный моделирующий комплекс обеспечивает решение задач математического моделирования экологических процессов на основе совместного использования геоинформационных и моделирующих средств. ГМК решает следующие задачи:
картографического представления контролируемой территории в виде векторных карт па базе библиотеки разработчика Maplnfo МарХ4.5;
решение задач математического моделирования экологических процессов, в том числе:
моделирование полей рассеяния загрязняющих веществ в атмосферном воздухе по методике ОНД-86 с использованием моделирующей программы «Призма»;
моделирование полей рассеяния загрязняющих веществ в атмосферном воздухе по модели Гаусса;
моделирование полей рассеяния загрязняющих веществ в атмосферном воздухе от залповых выбросов по модели Гаусса;
восстановление полей рассеяния загрязняющих веществ в атмосферном воздухе по данным подфакельных измерений.
визуализацию результатов моделирования в картографической среде.
Синтез унифицированных алгоритмов сбора и представления информации для газотранспортной трубопроводной системы Россия-Турция «Голубой поток».
Требования к алгоритмическому обеспечению.
Программно-алгоритмическое обеспечение ПСД включает в себя:
системное и сервисное программное обеспечение - операционную систему Windows NT, набор системных утилит, позволяющих выполнять системное сопровождение и техническое обслуживание ПСД;
прикладное программное обеспечение - полный комплект программ, обеспечивающих выполнение возложенных на ПСД функций.
Программное обеспечение (ПО) ПСД должно удовлетворять следующим требованиям:
обеспечивать решение стоящих перед ПСД задач сбора, обработки, накопления, визуализации и передачи данных с необходимой достоверностью, полнотой и точностью в реальном масштабе времени;
обеспечивать единую технологию обработки данных в ПСД и ЦПЭБ с поддержкой диалогового (при присутствии на ПСД оператора) и пакетного (автоматического) режимов работы;
обеспечивать надежность функционирования ПСД в условиях сбоев и отказов оборудования;
обеспечивать защиту информации от разрушения, резервирование данных и их восстановление;
обеспечивать работу под управлением современных системных и сетевых программных средств, совместимых со средствами, применяемыми в АСУ ТП;
обеспечивать возможность приема на ПСД данных, поступающих от измерительных звеньев, подключенных к средствам сбора данных АСУ ТГІ;
обеспечивать возможность поэтапного развития и наращивания путем расширения функций и подключения новых задач;
все программы и системные продукты должны быть с индексом Y2K (2000 год);
все программы должны быть снабжены средствами перехода с летнего на
зимнее время и обратно. Рассмотренные выше алгоритмы реализованы в программном комплексе "Пост". Программный комплекс "Пост" предназначен для информационного обеспечения комплекса работ, связанных с построением рационального размещения на территории звеньев информационно-измерительной сети (ИИС) АСЭМ. Программный комплекс обеспечивает обработку исходных данных о контролируемой территории и источниках загрязнения атмосферного воздуха, построение, сравнение и улучшение вариантов размещения на основе набора требований к системе мониторинга, свойств контролируемой территории и складывающейся на ней экологической обстановки, а также формирование выходных документов, описывающих построенное размещение. Комплекс "Пост" реализован в виде диалоговой программной среды, в рамках которой пользователю даны средства доступа к разнообразным видам используемой информации, а также средства автоматизации расчетов критериев информативности размещения и их визуализации в картографическом виде. Процесс построения рационального размещения полностью контролируется пользователем; на каждой стадии имеется возможность внести коррективы в результаты размещения или в исходные данные.
Программный комплекс состоит из следующих основных компонент (рис.2.4):
Геоинформаїщонная система: базовая среда программного комплекса, обеспечивающая работу с картографической и фактографической информацией и ее представление пользователю;
Управляющий блок: комплекс программ, осуществляющий управление работой различных компонент программного комплекса, а также координацию действий проектировщика в рамках процедуры построения вариантов рационального размещения;
Моделирующий блок: комплекс программ расчета распределений концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе;
Информационно-статистический блок: комплекс программ, обеспечивающих ведение баз статистической и промежуточной расчетной информации;
Расчетный блок: комплекс программ, осуществляющий расчет критериев оценки вариантов размещения и решение других расчетных задач;
Сервисный блок, реализующий сервисные и обслуживающие процедуры.
Базовой средой функционирования программного комплекса "Пост" является геоинформационно-моделирующий комплекс (ГМК), функционирующий в составе АСЭМ
Разработка контрольных задач и тестирование программных средств производственного экологического химического мониторинга для газотранспортной трубопроводной системы «Голубой поток».
Всего в комплекте алгоритмического обеспечения системы ПЭМ «Голубой поток» на ГПС «Береговая» было запроектировано 328 программно-алгоритмических модулей, реализующих опрос датчиков, ввод данных анализов, несколько уровней обработки и представления информации, моделирование процессов эммисии загрязнений и т.д. Их взаимодействие осложнялось многообразием интерфейсов и протоколов расчётов. Проведенная автором унификация алгоритмов позволила сократить их общее число до 76.
Для испытания работоспособности алгоритмов были разработаны контрольные задачи, которые моделировали все предусмотренные регламентом ситуации, а также несколько вариантов проектных и запроектных аварий. В результате тестирования было установлено, что время реакции на нештатную ситуацию, требующую оперативного реагирования, сократилось почти на 20%, а время расчёта полей концентраций вредных химических веществ при залповом выбросе сократилось с 18 до 8 минут. Последний результат важен для исследования воздействия на окружающую среду в режиме постоянной модернизации оборудования ГПС и изменения режимов нагрузки, т.к. при таких исследованиях приходится моделировать несколько десятков вариантов распространения загрязнений.
На рис. 3.1 представлены графические протоколы расчетов полей концентраций рассчитанные по унифицированному алгоритму.
В настоящее время накоплены большие объемы пространственной и атрибутивной информации (карты, космические и аэрофотоснимки, данные экспедиционных исследований и т.д.) по объектам строительства ГПС.
Основой для разработки блока контрольных задач производственного экологического мониторинга действующей информационной системы является Картографический Банк Данных (КБД), который будет включать различные тематические карты, космические и аэрофотоснимки снимки, данные дистанционного зондирования и полевых исследований. Все эти данные являются первичной информацией и не были систематизированы. Поэтому задачей первого этапа работ была систематизация первичной информации разработка модели базы данных и методик по обработке первичной пространственной и атрибутивной информации для формирования КБД в соответствии с нормативными документами.
Для создания цифровой картографической основы и собственно тематических карт Управление Подготовки Производства (УПП) рекомендует использовать геоинформационную систему (ГИС) Maplnfo Professional, начиная с версии 6.0 и новее.
ГИС Maplnfo оснащена широким спектром средств для ввода, редактирования и проверки векторных карт, кроме этого есть большой список дополнительных приложений, которые позволяют автоматизировать эти операции [40, 35].
Для составления тематических карт по трассе трубопровода предпочтительнее использовать синтезированные многозональные космические снимки высокого разрешения, например, Landsat [21, 39].
