© 2005-2017 г. Международный Институт Инжиниринга в Экологии
и Безопасности Человека (МИИЭБЧ). Все права защищены законом РФ
Flag Counter
Главная

Международный институт инжиниринга в экологии и безопасности человека (МИИЭБЧ) создан решением ученого совета Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения 15 февраля 2005 г. как структурное подразделение университета. С 2015 г. МИИЭБЧ входит в Некоммерческое Партнерство Инновационно-Технологический центр «Аэрокосмический». Целью создания МИИЭБЧ являлось исследование и разработка систем управления, устройств и элементов системы «Природа-Техногеника», а также соответствующих систем «цифрового» (информационных технологий) проектирования и производства как всей системы, так и ее устройств и элементов.

В настоящее время скорость увеличения негативного воздействия техногенных факторов и интенсивность их влияния уже выходят за пределы приспособляемости экосистем к изменениям среды обитания и создает прямую угрозу жизни и здоровью населения. Увеличение до 15-16% в год объема токсичных отходов, обусловленных техногенными процессами, официально представлено как проблема общенационального значения. С целью предотвращения экологической катастрофы международными и российскими научно-исследовательскими центрами активно проводятся работы по созданию методов, систем и аппаратуры как для экологического мониторинга, так и для очистки выбросов и сбросов в окружающую среду.

Согласно прогнозам, в течение ближайших 30-40 лет (при сохранении существующих тенденций развития промышлености) состояние здоровья населения России на 50-70% будет зависеть от качества среды обитания (при нынешнем состоянии на 20-40%), а затраты материальных ресурсов, энергии и труда на стабилизацию условий окружающей среды станут самой крупной статьей экономики, превысив 40-50% валового национального продукта.

В настоящее время не существует надежных систем, позволяющих конструктивно решить задачу минимизации загрязняющих веществ. Реализуемые в этой области системы (см. рис. 1) построены на методах локальной диагностики источников возникновения загрязняющих веществ с дальнейшим вмешательством человеческого фактора как обязательного решающего звена системы управления, направленного на снижение уровня загрязняющих веществ.


Рис. 1. Разомкнутая система управления «Природа-Техногеника»
Для разработки таких сложных систем управления требуются новые подходы по проектированию и производству, которые в настоящее время объединяются под термином «цифровое проектирование и производство».

МИИЭБЧ, на основе многочисленных исследований, предлагает два проекта, включающие, наравне с общегосударственными, коммерческие предложения:
1. Замкнутая система управления «Природа-Техногеника» по минимизации загрязняющих веществ в выбросах стационарных предприятий-источников в окружающую среду.
2. Замкнутая система нейтрализации вредных выбросов в выхлопных газах автомобилей.
Описание проектов излагаются ниже.

В 1996 г. была предложена и в дальнейшем развита до конкретных инженерно-технических решений Замкнутая система «Природа-Техногеника» (ЗСУПТ). Концепция ее создания направлена на минимизацию человеческого фактора, исключение разрыва между мониторингом загрязняющих веществ и функционированием соответствующих очистных агрегатов, исключение потерь информации и, как следствие, экономических издержек, связанных с компенсациями по авариям, штрафам, упущенной выгоде.

Контур управления включает измерительные, усилительно-преобразующие, вычислительные, регистрирующие и исполнительные устройства (рис. 2). Измерительные устройства - это широкий спектр датчиков-газоанализаторов и анализаторов физико-химических проб воды, измеряющих и передающих информацию о концентрациях загрязняющих веществ. Они размещаются в точках с наибольшей концентрацией загрязняющих веществ с помощью подвижных носителей.

Рис. 2. Замкнутая система управления «Природа-Техногеника»
Усилительно-преобразующие и вычислительные устройства обеспечивают обработку, сжатие, формирование информации, передачу ее в управляющие и регулирующие устройства, а также в устройства визуализации и регистрации. Исполнительные устройства изменяют параметры очистных агрегатов в соответствии с управлением, нацеленным на минимизацию концентрации загрязняющих веществ. Объектом управления в ЗСУПТ является источник загрязняющих веществ. ЗСУПТ строится как система, инвариантная к основному производству предприятия-источника загрязняющих веществ.

Система автоматического управления «Природа-Техногеника» работает в реальном времени, передавая информацию в режиме online на устройства визуализации всех уровней - от руководства организации-источника загрязняющих веществ до лиц, принимающих решения (ЛПР) на федеральном уровне.

ЗСУПТ переводит решение проблемы загрязнения окружающей среды из пространства с прямым включением человеческого фактора в виде последовательности актов, подписей и согласований в пространство аппаратно-программных комплексов (АПК), где роль человека-оператора сводится к контролю над работой АПК и отдельными их элементами. Такой подход принципиально снижает риски угрожающего загрязнения окружающей среды и убирает человеческий фактор из прямого включения в систему.

Преимуществами предлагаемого концептуального и технического решений являются:
· замкнутость системы управления с минимизацией загрязняющих веществ в местах жизнедеятельности, что максимально повышает эффективность системы;
· расположение датчиков загрязняющих веществ в местах наибольшей концентрации загрязнений, что принципиально увеличивает достоверность измеряемой информации;
· формирование законов управления аппаратными средствами очистки от загрязняющих веществ в исполнительных устройствах в соответствии с критериями конкретного объекта управления;
· импортозамещенность элементов, которая обеспечивает низкую себестоимость комплекса.
АПК решают следующие задачи:
· повышение качества и эффективности стратегии улучшения экологической обстановки;
· компенсация ущерба, наносимого окружающей природной среде, за счет осуществления полноценного контроля над выбросами и сбросами предприятий-источников загрязняющих веществ;
· рост дохода за счет преференций в пользу промышленных предприятий, добившихся высокого уровня экорейтинга в известных классах «ЭКО А++», «ЭКО А+», «ЭКО А», а также целенаправленного и последовательного выполнения международных экологических норм по отношению к промышленным предприятиям низшего уровня экорейтинга.

Импортозамещенность элементов, основанная на высоких и научно обоснованных технологиях, при заметной потребности в таких рыночно-окупаемых системах, не имеющих аналогов в отечественной и зарубежной практике, позволяет реально занять ведущие позиции не только на российском, но и на международном экологическом рынке. В результате выполненных исследований подготовлено проведение опытно-конструкторских работ и построение пилотных АПК (АПК-1, АПК-2, АПК-3 для различных источников загрязняющих веществ).

Базовый АПК-1, включает в себя малогабаритные беспилотные летательные аппараты (МБЛА), приборы и программное обеспечение для измерения, обработки и управления процессами минимизации загрязняющих веществ на предприятиях-источниках без вмешательства в технологический процесс предприятия. АПК-1 также решает задачи в части экологического мониторинга переноса загрязняющих веществ, в том числе, трансграничного. АПК-1 работает в реальном времени на основе как стационарных контрольных наземных пунктов наблюдения, так и с использованием МБЛА.

В состав АПК-1 входят:
· малогабаритный беспилотный летательный аппарат (МБЛА) с бортовой аппаратурой для сбора данных и позиционирования МБЛА;
· передвижная наземная лаборатория для анализа проб загрязняющих веществ;
· наземный центр управления полетами, обработки информации и выработки управляющих воздействий на очистные агрегаты;
· коммуникационные и локальные сети, обеспечивающие передачу и обработку контрольной информации, а также визуальное представление объекта управления.
Аналогично устроены АПК-2 и АПК-3.

Основными потребителями предполагаемого к производству продукта являются промышленные предприятия, структуры Росприроднадзора федерального и регионального уровней и другие природоохранные организации, а также предприятия других стран на основе международных договоров. Кроме того, в разработке ЗСУПТ и соответствующих АПК заинтересованы производители устройств и элементов, входящих в состав ЗСУПТ (датчики концентрации загрязняющих веществ, контроллеры, беспилотные летательные аппараты, телекоммуникационные устройства и др.). Предварительная оценка объемов продаж АПК свидетельствует, что затраты на создание АПК окупаются в течение одного года. В дальнейшем предприятия и надзорные структуры, имеющие в своем арсенале АПК, выходят на рентабельный уровень получения устойчивой прибыли и могут успешно оперировать на отечественном и зарубежном экологических рынках.

В развитие концепции ЗСУПТ на подвижные источники загрязняющих веществ предлагается замкнутая система управления нейтрализацией выхлопных газов автомобилей (ЗСУНВГА). На рис.3 показана ЗСУНВГА в виде функциональной схемы.







Рис.3. Функциональная схема замкнутой системы управления нейтрализацией выхлопных газов автомобилей
Известны различные способы повышения эффективности работы систем нейтрализации. Работа катализаторов в системах нейтрализации без управления на основе измеренных концентраций NOx, CO, CH не обеспечивает рационального использования этих катализаторов.

Предлагаемый проект отличается тем, что измерители выхлопных газов автомобиля в составе замкнутой системы управления встраиваются в выхлопную систему автомобиля, сигналы измерений на автомобиле концентрации вредных веществ выхлопных газов автомобиля передаются на средства визуализации диспетчера технадзора и водителя транспортного средства. Управляющие сигналы блоков компенсации выбросов выхлопных газов автомобиля изменяют установку в блоках компенсации в сторону минимизации этих выбросов только в необходимое время с привязкой к координатам движущегося или стоящего автомобиля.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении предлагаемого устройства (см. рис. 4) является повышение эффективности очистки отработавших газов и надежности (ресурса) катализатора за счет того, что в устройство дополнительно введены датчик концентрации окиси углерода (3), датчик концентрации окислов азота (4), датчик концентрации углеводородов (5), блоки индикации вредных выбросов - для водителя (7) и для диспетчера технадзора (8), блок беспроводной связи с блоком управления нагревателем катализатора (6), а вход - с передатчиком ГЛОНАСС (здесь 6.1 - блок беспроводной связи передатчика GSM с блоком управления нагревателем катализатора, 6.2 - блок беспроводной связи передатчика ГЛОНАСС, 6.3 - блок управления нагревателем катализатора).

Локальная система отличается от системы с включением блоков ГЛОНАСС заменой блоков 6-1 и 6-2 на соответствующие соединения внутри автомобиля.


Рис.4. Взаимодействие блоков ЗСУНВГА
Основными потребителями предлагаемого продукта являются:
· администрация населенных пунктов и соответствующих органов Госприроднадзора, поскольку именно они отвечают за снижение загрязняющих веществ в атмосфере;
· частные владельцы автомобилей, поскольку им дорого их здоровье;
· руководители автопредприятий, поскольку они отвечают за эко-состояние всех автомобилей на предприятии;
· разработчики датчиков CO, CH, NOx для автомобилей, поскольку им нужны заказы;
· разработчики выхлопных систем автомобилей, поскольку их задача снижать выбросы;
· руководители производства автомобилей, поскольку они вынуждены снижать издержки производства автомобилей, повысить их привилегированность (рынок) с одновременным выполнением норм, ГОСТов и т.п.
· разработчики системы ГЛОНАСС, поскольку для окупаемости ГЛОНАСС нужны коммерческие проекты, при реализации которых данная система востребована.

В качестве важных элементов функционирования ЗСУПТ и ЗСУНВГА применяются встроенные системы управления приборов и устройств на кристаллах. В этом направлении ведутся разработки по цифровым регуляторам приборов и устройств.

Без информационных технологий (цифровых систем проектирования и производства) разработка таких систем как ЗСУПТ и ЗСУНВГА невозможна; ввиду общности методологии и средств проектирования информационные технологии распространяются на другие объекты в части прототипирования, в частности, проектирование электроустановок в замкнутом пространстве,  подготовка операций в медицине, а также решение задач по минимизации твердых бытовых отходов.

Цифровые системы проектирования и производства, включающие САПР, АСТПП, АСУ и т.д., позволяют разработать ЗСУПТ и ЗСУНВГА от идеи до изготовления готовых образцов продукции. Создание таких систем основано на многолетней работе коллективов, входящих в МИИЭБЧ, по разработке САПР, АСТПП и других информационных систем в цифровом проектировании и производстве.

Публикации по предлагаемым проектам:
1. Статьи в трудах международных научно-технических конференций «Приборостроение в экологии и безопасности человека» (ПЭБЧ), которые проводились на базе Центрального научно-исследовательского института робототехники и кибернетики (ЦНИИРТК) и Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения (ГУАП):
· «ПЭБЧ’96». СПб.: ЦНИИРТК, 1996.
· «ПЭБЧ’98». СПб.: ЦНИИРТК, 1998.
· «ПЭБЧ’2002». СПб.: ГУАП, 2002.
· «ПЭБЧ’2004». СПб.: ГУАП, 2004.
· «ПЭБЧ’2007». СПб.: ГУАП, 2007.
2. Рейтинговое агентство «Эксперт РА» и Всемирный фонд дикой природы (WWF), 2007 г.
3. Проблема общенационального значения (редакторская статья) // Энергонадзор-информ. 2008. №1 (35), С. 2.
4. Сольницев Р. И., Катаев А. Е., Машков А. А. «Замкнутая система «Природа-Техногеника»: инноватика в экологии» // Энергонадзор-информ. 2008. №1 (35), С. 30-31.
5. Сольницев Р. И., Коршунов Г. И. Системы управления «Природа - Техногеника» СПб.: Изд. Политехника. 2013. 204 с.
6. Официальное сообщение «Утверждены основы государственной политики в области экологического развития России на период до 2030 года» URL: http://www.kremlin.ru/events/president/news/15177
7. Доклад «План реализации в 2014 году и в плановый период 2015 и 2016 годов государственной программы Российской Федерации «Охрана окружающей среды» на 2012-2020 года». URL: http://www.mnr.gov.ru/regulatory/detail.php?ID=134733
8. Сольницев Р.И., Коршунов Г. И., Баранова О. В. Замкнутая система управления нейтрализацией отработавших газов автомобилей // Информационно-управляющие системы, 2015. № 2 (75). С. 37-42.
9. Сольницев Р. И., Каримов А. И., Каримов Т. И., Бутусов Д. Н., Мкртчян Д. Р., Якимовский Д. О. Автоматизированное рабочее место проектировщика цифровых регуляторов командных приборов // Информационно-управляющие системы, 2015. № 6 (79). С. 66-70.
10. Сольницев Р. И., Коршунов Г. И. Математическое и методическое обеспечение экосистемы инноваций в проблеме нейтрализации отработанных газов автомобилей // Инновации, 2015. № 11 (203). С. 125-128.
11. Сольницев Р. И., До Суан Чо. Вопросы построения аппаратно-программных комплексов замкнутой системы управления «Природа-Техногеника» // XIX Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям (SCM-2016). Сб. докл.  в 2-х томах. СПб. 25-27 мая 2016 г. Т. 2. C. 239-241.
12. Сольницев Р. И., Шамрай Я. Л. Построение САПР интеллектуальных преобразователей угла // XIX Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям (SCM-2016). Сб. докл.  в 2-х томах. СПб. 25-27 мая 2016 г. Т. 2. C. 145-147.
13. Патент РФ № 2006124948, 10.04.2009. Сольницев Р. И., Коршунов Г. И., Грудинин В. П. Способ снижения загрязняющих атмосферу вредных веществ посредством замкнутой системы управления // Патент России № 2351975. 2009. Бюлл. № 10.
14. Патент РФ № 2012145342, 10.02.2014. Сольницев Р. И., Коршунов Г. И. Каталитический нейтрализатор вредных выбросов автомобиля в атмосферу // Патент России № 2511776. 2014. Бюлл. № 10.
15. Патент РФ на полезную модель № G06F15/02, 27.09.2005. Слюсаренко А. С., Лебедев А. В. Калькулятор «Штурман-1» // Патент России № 48230. 2005.
16. Патент РФ на изобретение № 2015121466, 07.06.2017. Вопиловский П. Н., Дмитревич Г. Д., Нгуен Н. М., Сольницев Р. И. [и др.] Способ формирования индивидуального эндопротеза тазобедренного сустава // Патент России № 2621874. 2017. Бюлл. № 16.
17. Сольницев Р. И., Коршунов Г. И., Рыжов Н. Г. [и др.]. Информационное обеспечение проектирования систем управления «Природа-Техногеника» // XX Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям (SCM-2017). Сб. докл.  в 2-х томах. СПб. 24-26 мая 2017 г. T.2. C. 285-288.