Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ХИМИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ В ЗАКРЫТЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ

Изобретение относится к области мониторинга, в частности к мониторингу химически опасных объектов в закрытых помещениях. К ним относят строения, в которых производят или хранят аварийно-опасные химические вещества, а также средства для их транспортировки. Таким образом, к упомянутым объектам можно отнести предприятия химической, нефтеперерабатывающей и пищевой промышленности, имеющие холодильные установки, в которых в качестве хладагента используется аммиак, а также водоочистные и другие сооружения, использующие хлор.

Известен способ экологического мониторинга химически опасных объектов (RU 2271012 C2, МПК⁷ G01N 35/00, опубл. 27.02.2006), по которому принимают решение об аварийной ситуации с учетом взаимной корреляции аварийных измерительных сигналов между собой.

Недостатком способа является невозможность точного определения координат места аварии.

Известен способ дистанционного обнаружения экологически опасных газов (RU 2158423 C1, МПК⁷ G01N 21/61, опубл. 27.10.2000), заключающийся в использовании лазерного излучения для обнаружения и измерения концентрации опасных газов в местах аварийного или несанкционированного их появления.

Однако данный способ может быть использован лишь на открытой непересеченной местности. Кроме того, применение лидарных систем требует больших затрат, так как установка одного поста наблюдения с точки зрения эффективности полученного результата недостаточна.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному изобретению является способ экологического мониторинга химически опасных объектов (RU 2346302 C1, МПК G01W 1/00, опубл. 10.02.2009), с помощью которого принимают решение о наступлении аварийной ситуации и определяют координаты по факту регистрации тремя регистраторами звуковой волны от взрыва на объекте.

Недостатком известного способа является невозможность определения координат места утечки отравляющих веществ в случае, когда не происходит взрыва на объекте и, соответственно, не образуется звуковая волна.

Задачей заявленного изобретения является повышение эффективности и оперативности определения координат аварии за счет сокращения времени на принятие решения о чрезвычайной ситуации, вызванной утечкой отравляющих веществ на химически опасном объекте.

Поставленная задача решена за счет того, что способ экологического мониторинга химически опасных объектов в закрытых помещениях включает в себя определение концентрации опасных веществ в зоне объекта закрытого помещения и сравнение полученных результатов с предельно допустимыми концентрациями. При их превышении с учетом объема выброса опасных веществ рассчитывают координаты места утечки опасных веществ, а прогнозирование развития аварии или возникновения аварийной ситуации адаптивно определяют в реальном масштабе времени с помощью постоянных постов контроля, установленных треугольником. Постоянные посты контроля определяют и фиксируют время достижения их облака опасных веществ, производя вычисление разности времени прихода облака на посты и координат центра возможной утечки опасных веществ исходя из геометрического расположения постов в треугольнике.

На практике целесообразно постоянные посты контроля выполнить в виде автоматических устройств, содержащих датчики отравляющих веществ, подключенные к микропроцессорной системе, включающей в себя GSM-модуль для обмена данными с автоматизированной системой мониторинга экологически опасного объекта.

Способ поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана возможная схема расположения постоянных постов контроля, а на фиг. 2 - пример осуществления способа.

Осуществление предложенного способа рассмотрим на примере.

Предположим, что на контролируемой территории закрытого помещения установлены три постоянных поста контроля так, как это изображено на фиг. 1. Рассмотрим порядок вычислений, которые будут выполнены автоматизированной системой мониторинга для регистрации опасной ситуации.

Для того чтобы система подтвердила факт утечки опасных веществ, параметры зарегистрированных процессов распространения зараженного облака должны соответствовать истинным параметрам аварии (мощности и положения относительно постоянных постов контроля на территории закрытого помещения). Обозначим W - параметры утечки, X, Y - координаты утечки, x₁, y₁ - координаты первого регистратора, x₂, y₂ - координаты второго регистратора, х₃, y₃ - координаты третьего регистратора, w - параметры зарегистрированного ими процесса. Тогда для объективного описания ситуации должно выполняться соотношение:

где f - функция, связывающая параметры регистрируемых процессов с параметрами утечки, координатами утечки и регистратора.

Координаты утечки можно определить исходя из времени прихода сигналов на посты. Для этого используется тот факт, что скорость распространения зараженного облака в закрытом помещении из-за отсутствия ветра постоянна.

Для математических расчетов приняты следующие обозначения:

V - скорость распространения зараженного облака в закрытом помещении, которая зависит от геометрических размеров помещения, температуры, влажности и т.д.;

t₁ - время от момента утечки отравляющих веществ до момента регистрации зараженного облака первым постом;

Δt₂ - время между моментом регистрации зараженного облака первым и вторым постами;

Δt₃ - время между моментом регистрации зараженного облака первым и третьим постами;

S_УП1 - расстояние от места утечки отравляющих веществ до первого поста;

S_УП2 - расстояние от места утечки отравляющих веществ до второго поста;

S_УП3 - расстояние от места утечки отравляющих веществ до третьего поста;

S_П1П2 - расстояние от первого поста до второго поста;

S_П2П3 - расстояние от второго поста до третьего поста;

S_П1П3 - расстояние от первого поста до третьего поста;

УП1П2 - угол, образованный прямыми линиями, соединяющими источник локальной утечки химически опасных веществ, первый пост и второй пост;

УП2П1 - угол, образованный прямыми линиями, соединяющими источник локальной утечки химически опасных веществ, второй пост и первый пост;

П1УП2 - угол, образованный прямыми линиями, соединяющими первый пост, источник локальной утечки химически опасных веществ и второй пост;

УП2П3 - угол, образованный прямыми линиями, соединяющими источник локальной утечки химически опасных веществ, второй пост и третий пост;

УПЗП2 - угол, образованный прямыми линиями, соединяющими источник локальной утечки химически опасных веществ, третий пост и второй пост;

П2УП3 - угол, образованный прямыми линиями, соединяющими второй пост, источник локальной утечки химически опасных веществ и третий пост.

Расстояние от места утечки отравляющих веществ до первого поста определится следующим выражением:

Расстояние от места утечки отравляющих веществ до второго поста определится следующим выражением:

Расстояние от места утечки отравляющих веществ до третьего поста определится следующим выражением:

Расстояние между постами известно и рассчитывается по известным координатам, от первого поста до второго поста:

где Х_П1 - координата X первого поста; Х_П2 - координата X второго поста; Y_П1 - координата Y первого поста; Y_П2 - координата Y второго поста.

Расстояние от второго поста до третьего поста:

где Х_П2 - координата X второго поста; Х_П3 - координата X третьего поста; Y_П2 - координата Y второго поста; Y_П3 - координата Y третьего поста.

Расстояние от первого поста до третьего поста:

где Х_П1 - координата Х первого поста; Х_П3 - координата Х третьего поста; Y_П1 - координата Y первого поста; Y_П3 - координата Y третьего поста.

Из треугольника, образованного прямыми, соединяющими первый пост (П1), источник локальной утечки химически опасных веществ (У), второй пост (П2), можно рассчитать координаты источника локальной утечки химически опасных веществ, используя формулу Юнга [1]:

Используя теорему косинусов, можно определить углы УП1П2 и УП2П1:

Аналогично, для треугольника, образованного прямыми, соединяющими второй пост (П2), источник локальной утечки химически опасных веществ (У), третий пост (П3), для углов УП2П3 и УП3П2 получим:

Для описания неизвестных параметров V - скорости распространения зараженного облака и t_i - времени от момента утечки отравляющих веществ до момента регистрации зараженного облака ближним к нему постом через известные использовано выражение для суммы внутренних углов треугольников, на основании которых составлена система уравнений:

Для увеличения наглядности и повышения прикладных возможностей использовано разложение обратной тригонометрической функции арккосинуса в ряд Маклорена [2]:

Ограничившись первыми четырьмя членами ряда, что позволяет проводить расчеты с точностью более 95%, выражение (18) преобразуется к виду:

Выражения (2)-(19) позволяют при известных координатах трех постов регистрации и расстояния между ними, времени между моментом регистрации зараженного облака первым, вторым и третьим постами определить координаты источника локальной утечки химически опасных веществ.

Проверку корректности применения предлагаемого способа рассмотрим на следующем примере.

На схеме (фиг. 2) приняты следующие обозначения: П1 - пост 1, координаты которого определены из плана примера (0; 0), П2 - пост 2, координаты которого (7,5; 18,5), П3 - пост 3, координаты которого (4,5; 33,5).

Расстояние S_П1П2 - расстояние от поста 1 до поста 2 равно 20 ед.; расстояние S_П1П3 - расстояние от поста 1 до поста 3 равно 30,5 ед.; расстояние S_П2П3 - расстояние от поста 2 до поста 3 равно 15 ед.

Неизвестные параметры, V, t, Δt₂, Δt₃, S_УП1, S_УП2, S_УП3, У(X, Y), определим расчетным путем и сравним с заданными для примера.

Координаты места утечки неизвестны, для нашего примера определены из плана и приняты (16,5; 11,5). S_УП1 - расстояние от места утечки отравляющих веществ до первого поста принято 20 ед. S_УП2 - расстояние от места утечки отравляющих веществ до второго поста принято 11,5 ед. S_УП3 - расстояние от места утечки отравляющих веществ до третьего поста принято 25 ед.

V - скорость распространения зараженного облака в закрытом помещении, которая неизвестна, для примера принята 10 ед./сек.

t - время от момента утечки отравляющих веществ до момента регистрации зараженного облака постом, который зарегистрировал наличие загрязнения первым (в примере это второй пост), - параметр неизвестный, в примере с учетом выражения (2) равно 1,15 сек.

Δt₁ - время между моментом регистрации зараженного облака вторым и первым постами, в примере с учетом выражения (3) равно 0,85 сек.

Δt₃ - время между моментом регистрации зараженного облака вторым и третьим постами, в примере с учетом выражения (4) равно 1,35 сек.

По выражениям (10), (11), (12) рассчитываем величину углов, УП1П2 - угол, образованный прямыми линиями, соединяющими источник локальной утечки химически опасных веществ, первый пост и второй пост. УП2П1 - угол, образованный прямыми линиями, соединяющими источник локальной утечки химически опасных веществ, второй пост и первый пост. П1УП2 - угол, образованный прямыми линиями, соединяющими первый пост, источник локальной утечки химически опасных веществ и второй пост.

С учетом математических преобразований получим:

По выражениям (13), (14), (15) рассчитываем величину углов, УП2П3 - угол, образованный прямыми линиями, соединяющими источник локальной утечки химически опасных веществ, второй пост и третий пост. УП3П2 - угол, образованный прямыми линиями, соединяющими источник локальной утечки химически опасных веществ, третий пост и второй пост. П2УП3 - угол, образованный прямыми линиями, соединяющими второй пост, источник локальной утечки химически опасных веществ и третий пост.

С учетом математических преобразований получим

Для сокращения трудоемкости вычислений для примера, поскольку в выражении (19) x<1, ограничимся двумя членами, при этом погрешность вычислений по указанному выражению не превысит 10%.

Полученные выражения (20), (21), (22), (23), (24), (25) с использованием выражения (19) раскладываем в ряд и подставляем в систему уравнений (16), (17). С использованием формулы для вычисления корней квадратного уравнения выражаем t через V, а с использованием формулы для вычисления корней полного кубического уравнения вычисляем V [3]. В нашем примере скорость распространения зараженного облака в закрытом помещении, которая для примера принята 10 ед./сек, по расчетам получена 9,7 ед./сек, при этом ошибка составляет 3%.

Время от момента утечки отравляющих веществ до момента регистрации зараженного облака постом, который зарегистрировал наличие загрязнения первым (в примере это второй пост), в примере принят 1,15 сек, по результатам расчета получено 1,14 сек, ошибка составляет 0,009%.

Расстояние от места утечки отравляющих веществ до первого поста, принятое 20 ед., по результатам расчета получено 19,3, ошибка составляет 3,5%, расстояние от места утечки отравляющих веществ до второго поста принятое 11,5 ед., по результатам расчета получено 11,06 ед., ошибка составляет 3,8%, расстояние от места утечки отравляющих веществ до третьего поста принятое 25 ед., по результатам расчета получено 24,15 ед., ошибка составляет 3,4%.

УП1П2 - угол, образованный прямыми линиями, соединяющими источник локальной утечки химически опасных веществ, первый пост и второй пост, измеренный по плану 31°, по расчету получилось 31°.

УП2П1 - угол, образованный прямыми линиями, соединяющими источник локальной утечки химически опасных веществ, второй пост и первый пост, измеренный по плану 70°, по расчету получилось 73°.

П1УП2 - угол, образованный прямыми линиями, соединяющими первый пост, источник локальной утечки химически опасных веществ и второй пост, измеренный по плану 79°, по расчету получилось 75°.

УП2П3 - угол, образованный прямыми линиями, соединяющими источник локальной утечки химически опасных веществ, второй пост и третий пост, измеренный по плану 140°, по расчету получилось 138°.

УП3П2 - угол, образованный прямыми линиями, соединяющими источник локальной утечки химически опасных веществ, третий пост и второй пост, измеренный по плану 18°, по расчету получилось 17°.

П2УП3 - угол, образованный прямыми линиями, соединяющими второй пост, источник локальной утечки химически опасных веществ и третий пост, измеренный по плану 22°, по расчету получилось 22°.

Неизвестные координаты места утечки, измеренные по плану и принятые для примера (16,5; 11,5), по результатам расчета по выражениям (8) и (9) из треугольника УП1П2 (16,5; 12), из треугольника УП2П3 (16,1; 10,1), средние (16,3; 11,05), ошибка составляет соответственно 1,2% и 3,9%.

Результаты примера показывают, что предлагаемый способ даже при приблизительных расчетах дает удовлетворительные по точности результаты, а с применением вычислительной техники возможности предлагаемого способа не ограничены.

Определив координаты утечки, можно проверить выполнение соотношений (1), то есть определить, сработали ли регистраторы, соответствуют ли данные о временных соотношениях вычисленному положению выброса, соответствуют ли параметры всех зарегистрированных данных параметрам выброса, которые определяются на этом же этапе. На основании выполнения этих соотношений выдается решение о том, что выброс опасных веществ действительно произошел. Установка стационарных постов регистрации треугольником достаточна для контроля изменения концентрации при утечке опасных веществ. Учитывая, что на объекте утечки маловероятны, то стационарные посты будут регистрировать изменение фоновых концентраций опасных веществ в воздухе помещений. При этом три поста достаточно точно могут определить и источник локальной утечки, если она существует. При расположении постов треугольником исключено ложное принятие решения об утечке, при котором на один из постов регистрации может поступить выброс какого-либо вещества (помехи), находящегося вблизи поста. При отсутствии информации на других двух постах эта информация может считаться ложной.

Таким образом, разработанное техническое решение позволяет определить координаты источника локальной утечки химически опасных веществ, которое, с учетом взаимной функциональной связи аварийных измерительных сигналов между собой, целесообразно использовать:

- на химически-опасных объектах, к которым относятся объекты хозяйства, производящие, хранящие или использующие аварийно-опасные химические вещества. К химически опасным объектам относятся предприятия химической, нефтеперерабатывающей промышленности, предприятия пищевой, мясомолочной промышленности, хладокомбинаты, продовольственные базы, имеющие холодильные установки, в которых в качестве хладагента используется аммиак, водоочистные и другие сооружения, использующие хлор, склады с запасом сильнодействующих химических веществ - в случаях возможных чрезвычайных ситуаций, связанных с выбросом опасных веществ в результате террористической деятельности в зонах влияния химически опасных объектов;

- в случаях, когда зараженное облако может образоваться в результате реакции взаимодействия с другими химически опасными объектами, расположенными в непосредственной близости от рассматриваемого объекта.

Кроме того, во всех перечисленных ситуациях данный способ позволяет осуществлять качественный мониторинг в условиях сложной геометрии помещения, температуры, влажности, атмосферного давления и т.д.

Список использованных источников

1. Маслов А.В., Юнусов А.Г., Горохов Г.И. Геодезические работы в землеустройстве. - М.: Недра, 1990.

2. Прудников А.П., Брычков Ю.А., Маричев О.И. Интегралы и ряды. М.: Наука. 1981.

3. Цыпкин А.Г., Цыпкин Г.Г. Математические формулы. Алгебра. Геометрия. Математический анализ. М.: Наука. 1985.