Разработка и тестирование прототипа интеграционной подсистемы цифровой платформы для экологического мониторинга и управления выбросами промышленных предприятий в атмосферный воздух.

РЕФЕРАТ Отчет содержит 96 стр. машинописного текста, 9 глав, 48 рисунков, 23 таблицы, 4 приложения. ЦИФРОВОЙ ЭКОМОНИТОРИНГ, ЦИФРОВАЯ ПЛАТФОРМА, ПРЕДИКТИВНАЯ АНАЛИТИКА, ГАЗОАНАЛИЗАТОР, МОНИТОРИНГ ВЫБРОСОВ. Целью НИОКР является разработка отечественной программно-аналитической IIoT платформы цифровых сервисов экомониторинга, непрерывного контроля и управления выбросами вредных веществ в атмосферный воздух на безопасном уровне. Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи: - разработка архитектуры прототипа интеграционной подсистемы цифровой платформы для экологического мониторинга и управления выбросами промышленных предприятий в атмосферный воздух; - разработка блока подключений газоанализаторов к интеграционной подсистеме цифровой платформы; - разработка блока управления активами прототипа интеграционной подсистемы цифровой платформы; - разработка блока информационного менеджмента и визуализации для прототипа интеграционной подсистемы цифровой платформы для экологического мониторинга и управления выбросами промышленных предприятий в атмосферный воздух; - разработка программного блока для подключения ГИС модуля к интеграционной подсистеме цифровой платформы; - разработка блока аналитики и интеграция предиктивных моделей для оценки изменений состояния атмосферного воздуха окружающей среды промышленных предприятий по данным с газоанализаторов; - разработка методов оперативной оценки экологической обстановки на контролируемой территории промышленного предприятия на основе данных измерений, актуальных данных о параметрах стационарных и залповых выбросов загрязняющих веществ и результатов предиктивного анализа процессов переноса загрязнений в окружающей среде по воздуху; - разработка блока личных кабинетов прототипа интеграционной подсистемы цифровой платформы; - проведено тестирование прототипа интеграционной подсистемы цифровой платформы для экологического мониторинга и управления выбросами промышленных предприятий в атмосферный воздух. Все поставленные задачи решены в полном объеме. Основные результаты работы: прототип интеграционной подсистемы цифровой платформы для экологического мониторинга и управления выбросами промышленных предприятий в атмосферный воздух, а также отчет и графический материал на прототип, который включает в себя представлены блок-схему разработанной архитектуры прототипа, диаграммы прецедентов, активностей, последовательностей и классов блоков подключений газоанализаторов к интеграционной подсистеме цифровой платформы, управления активами, информационного менеджмента и визуализации, подключения ГИС модуля, блока аналитики и интеграции предиктивных моделей для оценки изменений состояния атмосферного воздуха окружающей среды промышленных предприятий по данным с газоанализаторов, блока личных кабинетов интеграционной подсистемы цифровой платформы. Разработаны и задокументированы API для функций, выполняемых разработанными блоками. Разработана методика оперативной оценки экологической обстановки на контролируемой территории промышленного предприятия на основе данных измерений. Соисполнителем работ проведено тестирование элементов прототипа интеграционной подсистемы цифровой платформы для экологического мониторинга и управления выбросами промышленных предприятий в атмосферный воздух. Созданный прототип обладает следующими основными конструктивными, технологическими и технико-эксплуатационными характеристиками. Во-первых, прототип состоит из блока подключений, блока управления активами, блока личных кабинетов, блока информационного менеджмента и визуализации, блока аналитики. Позволяет подключать газоанализаторы (доступны измерения: диоксид серы, оксид и диоксид углерода, оксид и диоксид азота, сероводород, фтористый водород, хлористый водород, аммиак, закись азота, метан, кислород, пары воды, аэрозольные частицы - пыль) по протоколам Интернета вещей, в том числе Modbus TCP, MQTT, HTTP. Поддерживает гибкую настройку панелей управления с использованием таблиц, графиков, диаграмм и ГИС Яндекс-карт. Аналитика подключается с помощью внешнего интерфейса, при этом прототип уже имеет ряд расчетных моделей, включая устойчивые модели прогноза, методы на основе базовых линий, авторегрессионные модели, сглаживающие методы, модели на основе признаков временных рядов, ансамблевые модели на линейной регрессии и на нейронных сетях. Прототип работает под управлением операционной системы – Ubuntu, использует SpringBoot, язык JAVA и ReactJS, язык JavaScript на уровне сервера, базы данных InfluxDB и Postgres. Аналитика выполнена на языке программирования Python. Количественные параметры созданного прототипа: поддержка источников данных – не менее 10000; период опроса – не менее 1 сек; время работы – 24/7; время прогнозирования – не более 1 минуты; точность прогноза на сутки вперед определяется подключаемыми моделями; число одновременно работающих цифровых расчетно-аналитических моделей – не менее 100; хранение данных – не менее 10 лет. Прототип обладает высокой скоростью внедрения, на этапе тестирования был подключен газоанализатор ГАНК, установленный в г. Москва, настроены дашборды и оповещения. Разработанный прототип совместно с газоанализаторами ГАНК рекомендуется к дальнейшему внедрению и использованию на средних и крупных промышленных предприятиях металлургической, нефтехимической и химической отрасли, целлюлозно-бумажных комбинатах, имеющих в составе выбросов загрязняющие вещества NO2, H2S, SO2, CO, NH3, CH4, PM2.5, PM10. Платформа рекомендована для использования в качестве АРМ эколога, который позволит вести наблюдение за экологической обстановкой в атмосферном воздухе предприятия в непрерывном режиме, а также режиме просмотра журнала истории. В состав рабочих экранных форм рекомендуется вынести дашборды с текущей ситуацией по измерениям концентраций загрязняющих веществ по отдельным точкам наблюдений, дашборды с картой предприятия и отмеченными на ней приборами, дашборды с диаграммами и таблицами суммарных значений по суткам, неделям, месяцам. Область применения прототипа: экологический мониторинг, консультационные услуги для специалистов по экологической безопасности, системы оценки опасности выбросов, оценка экологичности компаний. С технико-экономической точки зрения эффективность внедрения высокая, поскольку платформа сокращает время на интеграцию за счет двух основных моментов: во-первых, она быстро настраивается на сбор данных с оборудования ГАНК (поддержано на уровне интерфейсов), а затем внутри личного кабинета также быстро конфигурируется под АРМ эколога (поддержано на уровне архитектуре). Кроме этого, предприятие может не использовать дорогостоящие сервера, а работать с личными кабинетами платформы SaaS архитектуры с обычных ПК через веб-браузер. По результатам выполнения работ был получен РИД, свидетельство о регистрации ПО для ЭВМ «Цифровая платформа для экологического мониторинга и управления выбросами промышленных предприятий в атмосферный воздух», №2022610378, от 11.01.2022 г. Таким образом, все работы по проекту успешно выполнены в полном объеме, результаты соответствуют техническому заданию и календарному плану. Целесообразно проведение дальнейших исследований в части расширения функций и математического аппарата (аналитик) на объекты городских поселений. Тематика экомониторинга воздуха города значительно сложнее и требует учета дополнительных моделей рассеивания, моделей анализа выбросов от транспорта, подключения новых источников данных, виджетов и ГИС модулей, включая карты МЧС, аналитических моделей, что представляет собой основное направление будущих работы по развитию прототипа цифровой платформы.