Исследование и разработка архитектуры персональных вычислительных устройств атмосферного мониторинга

В связи с возрастающим воздействием человеческой жизнедеятельности на окружающую среду, важнейшей международной проблемой оказалась охрана окружающей среды и сохранения в допустимых пределах уровня загрязнения атмосферы[2,15,18]. Природная среда, находящаяся под постоянным антропогенным воздействием, постепенно утрачивает уникальную способность к самоочищению, что, в конечном итоге, может привести к необратимым процессам, грозящим гибелью человечества. Поэтому, сегодня, многие учёные проводят различные типы исследований и пытаются найти рациональный универсальный подход к проблеме загрязнения окружающей среды на долгие годы вперёд.

Развитие вычислительной техники и информационных технологий, позволяет использовать метод цифрового решения, что, по мнению автора работы, является наиболее эффективным способом изучения возможностей разрешения существующей проблемы. Причём, цифровое решение даёт, отличную возможность получить более точную и подробную информацию об исследуемых объектах. Таким образом, исследование и разработка методов функционирования устройств вычислительной техники атмосферного мониторинга остается наиболее приемлемым методом поиска решений и получения ответов на поставленную нами задачу.

Индустриальное воздействие на окружающую среду настолько велико и значительно, что требует постоянного контроля экологической обстановки [14,19,20,21,22]. Это даст возможность принимать своевременные меры для поддержания уровня загрязнения атмосферы в допустимых пределах.

В последнее десятилетие задача эффективного контроля и защиты воздушного бассейна от промышленных загрязнений приобретает еще большую актуальность, вследствие чего Правительство Российской.

Федерации приняло постановление № 1229 от 24.11.93 г. «О создании единой государственной системы экологического мониторинга» [84,85,86,91].

Создание или совершенствование теоретической и технической базы средств вычислительной техники и систем управления, обладающими высокими качественными и эксплуатационными показателями и, обеспечивающими ускорение научно-технического прогресса, имеет важную народно-хозяйственную значимость. Проблемой анализа качества воздуха и выработки действенных мероприятий по поддержанию чистоты воздушного бассейна является фиксация и оперативная оценка как временных, так и пространственных колебаний концентраций и энергий отдельных ингредиентов. Временной фактор может быть обеспечен автоматизацией и непрерывностью процесса обследований. Пространственная плотность обследований в каждом конкретном случае выбирается на основе компромисса между требуемой точностью и экономическими возможностями.

Исследуя воздействие загрязнения на окружающую среду и её значительные изменения, которые ощущаются ежедневно, становится очевидным, что проблема охраны окружающей среды, как в отдельных регионах, так и в масштабах всей планеты, нуждается в соответствующем подходе[17,23]. Сегодня, невозможно найти такое долгосрочное решение без применения вычислительной техники, в частности без применения таких устройств, как персональные Вычислительные Устройства Атмосферного Мониторинга (ПВУАМ).

Анализ показывает, что существующие в настоящее время вычислительные устройства атмосферного мониторинга позволяют сканировать, анализировать и определять состояние загрязнения атмосферы, но при этом не в полной мере отвечают предъявляемым к ним требованиям, а именно, по отношению к большому динамическому диапазону, широкой номенклатуре анализируемых газов и прочее[6,8]. Они недостаточно полноценно определяют следующие показатели: радиация, точность обследования, стабильность характеристик, возможность дистанционного обследования, помехоустойчивость, устойчивость к изменению параметров окружающей среды (температуры, влажности, вибрации и т. д.), высокая чувствительность, универсальность, селективность, простота юстировки и конструкции, надежность и так далее.

Наряду с этим необходимо отметить существование криминальных действий, оказывающих влияние на окружающую среду. Так, некоторые европейские компании, пользуясь слабыми законодательными актами, незащищённостью санитарных стандартов и высоким уровнем коррумпированности стран третьего мира, совершают экономические и экологические преступления против них.

Например, 19 августа 2006 года судно Probo Koala, разгрузило несколько сотен тонн токсичных отходов в 12 местах города Абиджан (столицы республики Кот д’Ивуар). Официальные данные констатировали, что спустя несколько дней в результате выброса химически опасных отходов 17 человек умерло и более 30 000 горожан было госпитализировано с сильными ожогами кожи и лёгких. Около 100 000 граждан обратились в местную больницу с симптомами поражения от химических реакций. Экспертиза показала, что в привезённых на суднах отходах присутствовали такие токсичные продукты, как меркаптан и сероводород. Экологические преступления такого рода могут представлять серьезный риск окружающей среде и здоровью людей. Выгребной ямой для токсичных отходов и промышленных сливов развитых стран становятся страны третьего мира. Отсутствие в большинстве африканских государств сильной законодательной базы, регулирующей обращение с опасными отходами, а также отсутствие жёстких правил и требований санитарных стандартов и условий, влекут за собой не только смерть населения, загрязнения окружающей среды, но также и вымирание и опустошение самой местности [92,93,94].

Автор работы отмечает, что, если бы на момент происшествия большинство населения обладало своим ПВУАМ, то количество пострадавших было бы намного меньше. Это факт еццг>а^ «оо.

1 1 раз доказывает, насколько важно наличие персонального вычислителЕг^Е>ного усхр0йства атмосферного мониторинга (ПВУАМ).

Таким образом, задача создания новых архитекг—пг-ур пвуд]у[ или усовершенствование существующих способов является э^-с-гуальной темой и требует безотлагательного решения.

Требованиям, предъявляемым к персональным: вычислительны устройствам атмосферного мониторинга, удовлетз оряют ПВУАМ, функционирующие на основе радиационных и газовых не полупроводниковых детекторов. Применение полупроводниковых методов и <^х!Стем из них дает возможность создания более информативных и одновремеьс^-^ более простых долговечных и мобильных устройств обследования РаДио^~1СГИВНОСТИ и газа.

Актуальность диссертационной работы заключа."^^^ в том ^^ ^ настоящего времени не существует полноценно разработанных методик построения ВУАМ на базе полупроводниковых Детек^зс-оров которые бы обладали высокими качественными характеристикат^зсези давали бы возможность идентифицировать уровень загрязнения 0КРЗ>'^35сающей СредЬ1.

Целью диссертационной работы является разрабо-хКа архитектуры и методики проектирования персонального вычислите^гхьНого устройства атмосферного мониторинга (ПВУАМ), обладающ><^3−0 улучшенными техническими характеристиками, а именно: Универсальностью оперативностью, возможностью статистической обработку портативностью невысокой стоимостью.

Для достижения поставленной цели в работе поставлены и решаютс следующие задачи:

1. Исследование и разработка архитектуры, пР131Е1Ципов построения ПВУАМ с целью выявления проблем существующих Устройств и качест функционирования, присущих исследуемому объекту.

2. Разработка математической модели функционир>0вания.

3. Разработка методики проектирования ПВУАМ.

4. Разработка алгоритмов и программного обеспечения функционирования ПВУАМ.

Методы исследования. Исследования проводились с использованием теории построения дискретных устройств, аппарата математической статистики, принципов модульного и объектно-ориентированного, программирования. Широко использовались программные пакеты Microsoft Visual Studio .NET и Microchip MRLAB IDE.

Научная новизна. Новизну представляют следующие научные результаты:

1. Разработана архитектура ПВУАМ, отличающаяся от известных универсальностью, способностью к расширению.

2. Предложена математическая модель функционирования ПВУАМ в виде аналитической зависимости выходного напряжения от параметров элементов его структуры, а также количественной и качественной составляющих исследуемой среды. Отличается от существующих расширением спектра описываемых процессов с целью улучшения технических характеристик ПУВАМ.

3. Разработаны основы инженерной методики проектирования ПВУАМ для одновременного автоматического получения и анализа потоков, спектров, доз альфа-, бета-, гамма-излучения веществ, а также типов и концентраций галоидсодержащих газов в атмосфере, ориентированной на параллельную работу двух блоков детекторов при совмещении процессов автоматизации получения и анализа результатов.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Разработана архитектура ПВУАМ, обладающая универсальностью, и способностью к расширению.

2. Предложена математическая модель функционирования ПВУАМ в виде аналитической зависимости выходного напряжения от параметров элементов его структуры в частности, а также количественной и качественной составляющих исследуемой среды.

3. Разработаны основы инженерной* методики проектирования ПВУАМ для одновременного автоматического получения и анализа потоков, спектров, доз альфа-, бета-, гамма-излучения веществ, а также типов и концентраций галоидсодержащих газов в атмосфере, ориентированной на параллельную работу двух блоков детекторов при совмещении процессов автоматизации получения и анализа результатов с их оперативной передачей.

Практическая значимость работы заключается в том, что предложен ряд вариантов архитектур ПВУАМ, позволяющих определять как уровень радиации, так и концентрацию галоидсодержащих газов. На один из предложенных вариантов структуры ПВУАМ зарегистрирован патент РФ на изобретение. Разработаны основы инженерной методики, позволяющей проектировать ПВУАМ, обладающие требуемыми техническими и эксплуатационными характеристиками. Также представляют интерес разработанные алгоритмы и программное обеспечение функционирования ПВУАМ.

Достоверность результатов исследования подтверждается корректным использованием математического аппарата, результатами экспериментальных испытаний макета ПВУАМ, для создания которого использовались предложенная в работе архитектура устройства и методика его проектирования.

Внедрение результатов заключается в использовании результатов работы в учебном процессе кафедры ВТ СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

Апробация результатов исследования. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Санкт-Петербург, 2004, 2009 гг.).

Публикации. Основные теоретические и практические результаты по теме диссертации опубликованы в 4 печатных работах, среди которых 2 публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 1 работа в другом издании, 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы" Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 102 наименований и приложений. Основная часть диссертации изложена на 151 страницах машинописного текста, содержит 33 рисунков и 5 таблиц.

Заключение

.

В настоящее время возникают задачи комплексного мониторинга окружающей среды. Автор предлагает техническое решение объединения-спектрометра и дозиметра в единое1 устройствокак одно-из решений, этих задачи. Также автором получено универсальное, оперативное устройство со статистической* обработкой данных, которое доступно большинству населения. Рассматриваемый ПВУАМ является оригинальным устройствомполучен патент РФ № 2 366 977.

В диссертации приведены аналоги, сравниваются их функциональные характеристики, разработана архитектура ПВУАМ и подробно описаны элементы этого устройства.

Показана возможность параллельного детектирования при совмещении процессов автоматизации измерений и анализа результатов. Передача информации происходит на современном уровне с помощью приема-передатчика инфракрасного излучения и карманного персонального компьютера со встроенным мобильным сотовым телефоном. По трем каналам регистрируются альфа-, бета-, гаммаизлучения по спектральному, энергическому и изотопному составу, а по другим трем каналам выполняются детектирование, оценка типа и уровня концентрации галоидсодержащего газа.

Полученные результаты обладают новизной, имеют научную и практическую ценность:

1. В результате комплексного изучения современных методов и средств радиационного и газового анализа, научно обоснована перспективность применения в информационно-измерительных системах атмосферного мониторинга современных полупроводниковых детекторов и цифровых сигнальных микроконтроллеров, что, безусловно, приведет к повышению эффективности уже существующих систем.

2. В ходе анализа существующих технических решений были систематизированы принципы построения персональных универсальных ВУАМ,.

121 позволяющие улучшить их характеристики. Предложено новое техническое решение для создания персональных гетерогенных универсальных ПВУАМ (патент изобретения № 2 366 977), обладающих высокой точностью измерения* различных видов радиационных излучений и концентрации токсичных газов.

3. В* результате исследования физических процессов, происходящих в персональном гетерогенном универсальном ПВУАМ* была получена его математическая модель в виде аналитической зависимости его выходного напряженияот количественной, и качественной составляющих исследуемой среды и параметров самого устройства. На основе проведенных исследований установлена адекватность полученной математической модели реальному объекту, при этом расхождение результатов расчета и эксперимента не превышает 10%, что вполне допустимо.

4. В результате проведенных исследований выявлены источники погрешностей персонального универсального ПВУАМ. Показано, что из случайных погрешностей основную роль играют погрешности от шумов детекторов и изменения температуры окружающей среды, а из систематических — погрешности от неточности настройки и юстировки. Предложены разработанные рекомендации по их устранению.

5. Разработана методика выбора цифрового сигнального микроконтроллера и, на ее основе, реализован программный продукт для ЭВМ, позволяющий повысить точность и сократить временные затраты на проектирование переносных гетерогенных многоканальных ВУАМ.

Разработанная, в данной работе, методика построения Персонального Вычислительного Устройства Атмосферного Мониторинга, позволяет создавать приборы, позволяющие распознать места, подвергнутые, радиационному и газовому загрязнению. Автор работы надеется, что данное устройство и способ его использования найдет своё место в применении не только в коммунально-бытовых услугах, но и послужит основой для развития ещё более модернизированных прогрессирующих устройств в будущем и, разумеется, послужит на благо человечества.