Использование современных робототехнических средств для мониторинга загрязнения атмосферного воздуха

Р.Ю. Поляков 

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОВРЕМЕННЫХ 
РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ  
ДЛЯ МОНИТОРИНГА ЗАГРЯЗНЕНИЯ 
АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА 

Монография 

2-е издание, стереотипное

Москва 
Издательство «ФЛИНТА» 
2022 

УДК 504.064 
ББК  20.17 

 П54 

Рецензенты: 

Н.В. Мозговой, доктор технических наук, профессор, профессор ка
федры техносферной и пожарной безопасности, «Воронежский государ
ственный технический университет» (ФГБОУ ВО «ВГТУ»), 

А.И. Бобров, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры 

гражданской защиты (в составе учебно-научного комплекса гражданской 

защиты), «Академия Государственной противопожарной службы 

Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, 

чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий» 

(ФГБОУ ВО «Академия ГПС МЧС России») 

Поляков Р.Ю. 

П54       Использование современных робототехнических средств для мо
ниторинга 
загрязнения 
атмосферного 
воздуха: 
монография / 

Р.Ю. Полякова. – 2-е изд., стер. – Москва : ФЛИНТА, 2022. – 162 с. – 
ISBN 978-5-9765-4887-9. – Текст : электронный. 

Монография посвящена вопросам повышения эффективности 

системы экологического мониторинга за счет применения робототехнических средств, оснащенных специальным навесным оборудованием, который позволяет оперативно, в режиме реального времени, оценить экологическую ситуацию в районе мониторинга. Разработанная система управления, основана на применении динамических моделей и алгоритмов управления движением по концентрации 
токсичного газа, измеряемой бортовым газовым анализатором. 

Данная работа будет представлять интерес для преподавателей и 

студентов по направлению подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность». 

УДК 504.064 
ББК  20.17 

ISBN 978-5-9765-4887-9               
 © Поляков Р.Ю., 2022 
© Издательство «ФЛИНТА», 2022

ВВЕДЕНИЕ 

Здоровье населения города зависит от многих факторов, среди 
которых значительное место занимает состояние окружающей среды. 
Загрязнение атмосферы токсичными газами – одна из причин накопления вредных мутаций в организме человека, которые будут наследоваться последующими поколениями. Это приводит в крупных городах к росту заболеваемости населения онкологическими, аллергическими и сердечно-сосудистыми заболеваниями. 
В этой связи важнейшим научно-практическим механизмом реализации государственной экологической политики являются системы экологического мониторинга. Мониторинг среда–здоровье определяется как система организационно-технических и профилактических мероприятий, обеспечивающих наблюдение за состоянием среды обитания, здоровья населения, их оценку и прогнозирование, а 
также действий, направленных на выявление, предупреждение и 
устранение влияния вредных факторов среды обитания (факторов 
риска) на здоровье населения. 
Существующие системы контроля аварийных выбросов обеспечивают непрерывное измерение концентраций токсичных газов в воздухе, а также текущих значений метеопараметров на опасных объектах. Отбор проб атмосферного воздуха осуществляется на стационарных постах, укомплектованных необходимым оборудованием и автоматическими газоанализаторами. Однако стационарность таких датчиков-анализаторов загазованности делает невозможной обеспечение 
такого контроля на всех участках объекта и окружающей его территории. Одним из вариантов мониторинга является инспекция объекта 
сотрудником технической службы, однако такой способ обладает рядом существенных недостатков, включая угрозу человеческому здоровью. Таким образом, существует проблема оперативного получения 
достаточной информации (исходных параметров выброса, данных о 
метеоусловиях и др.) о химической обстановке на производстве и 
прилегающих к нему территорий, необходимых и достаточных для 
принятия соответствующих ситуации мер. 

Возможное решение данной проблемы, способное реализовать 
эффективный и непрерывный контроль над концентрацией вредных 
веществ в воздухе над всей территорией химически опасных объектов 
и прилегающих к ним территорий, – создание системы мониторинга 
экстремальных ситуаций на опасных объектах с использованием беспилотных летательных аппаратов. Данное решение предполагает 
установку портативного многоканального газоанализатора на несколько автономных беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). 
Автономность БПЛА обеспечивается бортовым комплексом интеллектуального управления движением и динамического измерения параметров атмосферного воздуха, результаты которого записываются в 
память параметров среды и отправляются на мобильный контрольный 
пункт, где осуществляется их интеллектуальный анализ в режиме реального времени. 
Автономность является важной характеристикой такого робототехнического комплекса, так как она устраняет ряд недостатков дистанционного управления, в частности: 
− недостаточную 
скорость 
мобильных 
дистанционноуправляемых роботов из-за ограниченных возможностей систем визуального контроля и управления; 
− ограниченную территорию эксплуатации из-за ограниченной 
зоны радиообмена; 
− вероятность потери связи с роботом при его попадании в зону 
неуверенного поведения и передачи сигнала; 
− необходимость постоянного участия оператора в процессе 
управления. 
Основной путь повышения автономности экстремальных робототехнических комплексов (РТК) – их интеллектуализация – придание рассматриваемым техническим устройствам способности выполнять присущие живым существам те или иные интеллектуальные 
функции, связанные с самостоятельным принятием эффективных решений в условиях неопределенности и их реализацией (при наличии 
такой возможности и необходимости) в виде того или иного целесообразного поведения [4]. 

Опираясь на данное направление и специфику проблемы мониторинга экстремальных ситуаций, можно сформировать основные 
принципы построения системы анализа атмосферного воздуха на химически опасных объектах с использованием БПЛА. 
1. Использование нескольких исполнителей (БПЛА). Специфика 
мониторинга экстремальных ситуаций определяет ряд прикладных 
задач (необходимость минимальных затрат времени на сбор максимального количества данных, повышение надёжности выполнения 
поставленной задачи и др.), актуализирующих необходимость создания мультиагентной системы мониторинга. Такая система позволяет 
обеспечить выполнение сложной прикладной задачи (задача анализа 
экстремальной ситуации) усилиями отдельных исполнителей (БПЛА), 
координирующих свои действия. 
2. Бортовой комплекс интеллектуального управления каждого 
БПЛА обеспечивает автономное выполнение полётного задания, производя корректировку маршрута в зависимости от изменений внешней среды и постановки цели. Автономность БПЛА как составляющих частей мультиагентной системы необходима для устранения 
приведенных недостатков дистанционного управления и организации 
эффективного распределения функций между оператором и системой 
мониторинга. 
3. Бортовой комплекс интеллектуального управления каждого 
БПЛА обеспечивает представление динамики развития экстремальной 
ситуации и её последствий на основе методов построения временных 
рядов параметров динамических измерений. 
Единственным и наиболее экономичным образом структура исследуемого объекта (экстремальной ситуации) в пространстве (времени) может быть представлена совокупностью своих производных, 
наличие информации о которых является обязательным условием для 
дальнейшего осуществления системой функции прогнозирования [2]. 
Следуя из этого, бортовая система интеллектуального управления 
БПЛА должна предоставить всю собранную информацию об экстремальной ситуации для дальнейшей обработки в виде производных. 

Одним из важных критериев эффективности системы экологического мониторинга является точность определения координат источника загрязнения. Увеличение количества измерителей на объекте 
позволяет уменьшить расстояние между датчиками и как следствие 
повысить точность измерения координат. Однако, этот путь связан с 
увеличением затрат на монтаж, установку и обслуживание стационарных газовых анализаторов. Поэтому, расстояние между постами 
обычно измеряется сотнями метров и, как следствие, погрешность 
определения координат источника токсичных газов, определяемая как 
отношение отклонения реального положения источника загрязнений 
от измеренного к базовой длине объекта может быть значительной, 
что не позволяет выявить место источника загрязнений на ранней 
стадии.  
Одним из путей дальнейшего совершенствования систем экологической безопасности является использование мобильных приборных платформ, перемещающихся к источнику токсичных газов и позволяющих определять его координаты. 
При создании таких систем особое внимание необходимо уделить решению научно-технической задачи по разработке методов 
проектирования мобильных приборных платформ (МПП), анализу 
связей между подсистемами, разработке методов определения координат источника токсичного газа, основанных на планировании траектории движения МПП, моделированию режимов движения устройства, связанных с одной стороны с измерением концентрации СО, а с 
другой – с определением собственных координат мобильной платформы, что возможно при наличии бортовых сенсорных систем и вычислителей. Таким образом, дальнейшее распространение и развитие 
этого важного в системе мониторинга окружающей среды направления, сдерживается из-за отсутствия методов расчета, построенных на 
математических моделях адекватно, описывающих основные режимы 
движения МПП.  
 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ  
ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗАГРЯЗНЕНИЯ  
АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА 
 
Последние годы большое внимание уделяется разработке и созданию систем мониторинга окружающей среды и средствам контроля аварийных выбросов токсичных газов. При этом особое внимание уделяется вопросам обеспечения непрерывного измерения концентраций токсичных газов в воздухе, а также текущих значений метеопараметров на опасных объектах. Отбор проб атмосферного воздуха осуществляется на стационарных постах, укомплектованных необходимым оборудованием и автоматическими газоанализаторами. 
Однако стационарность таких датчиков-анализаторов загазованности 
не обеспечивает определение положения источника загрязнений и, 
как следствие, снижает уровень контроля на всех участках объекта и 
окружающей его территории. Одним из вариантов мониторинга является инспекция объекта сотрудником технической службы, однако такой способ обладает рядом существенных недостатков, включая угрозу человеческому здоровью. 
Таким образом, существует проблема оперативного получения 
необходимой и достаточной информации (исходных параметров выброса, данных о метеоусловиях и др.) о местоположении источника 
выброса токсичных газов и химической обстановке на объектах мониторинга, в частности на промышленных предприятиях, складах и 
прилегающих к нему территориях.  
В системах экологического мониторинга широкое распространение получили газовые анализаторы, которые обнаруживают изменение оптической плотности воздуха в результате выбросов.  
Более эффективными оказываются системы экологического мониторинга, построенные на контроле за монооксидом углерода (СО) – 
который является один из наиболее опасных токсичных газов, повышенные концентрации которого оказывают негативное влияние на 
здоровье человека. Переход к применению газочувствительных сенсоров-измерителей концентрации СО в системах мониторинга воз

душной среды позволяет обнаружить выбросы токсичных веществ на 
ранней стадии, когда можно принять меры по остановке опасного 
процесса, в том числе, предотвратить пожар. На начальном этапе, когда тлеет небольшое количество материала, угарный газ растворяется 
в объеме помещения и его концентрация мала. Единицей измерения 
концентрации принято ppm – количество молекул на миллион (part 
per million) [23, 26]. Последние годы появились высокочувствительные полупроводниковые сенсоры, измеряющие концентрацию СО от 
1 ppm, что позволяет повысить эффективность методов раннего обнаружения монооксидом углерода в воздухе на ранней стадии. 
Настоящее исследование посвящено созданию систем экологического мониторинга воздушной среды нового типа и совершенствованию методов и средств мониторинга окружающей среды на основе 
использования мобильных газовых анализаторов для контроля концентрации СО. Такая система позволит выявить загрязнение воздуха 
токсичными газами и определить местоположение источника загрязнений при появлении в воздухе предельно малых концентраций монооксида углерода. 
 
1.1. Классификация и структура датчиков, применяемых  
для систем экологического мониторинга 
 
Рассмотрим датчики концентрации моноксида углерода (СО), 
применяемые в системе экологического мониторинга загрязнения 
токсичными газами атмосферного воздуха.  
В зависимости от способа определения датчики угарного газа 
классифицируют по трем группам: 
− полупроводниковые; 
− инфракрасные; 
− электрохимические. 
Рассмотрим более детально особенности каждого из этих 
устройств: 
1. Полупроводниковый датчик обнаружения угарного газа работает на основе физического явления, связанного с увеличением элек

тропроводности воздушной среды при попадании в нее монооксида 
углерода. Сенсор устройства имеет два контакта из диоксида олова 
или рутения, возле которых расположен микротэн. Он способствует 
разогреванию воздуха до температуры +250ºС. Если в среде есть молекулы СО, они способствуют резкому увеличению проводимости 
нагретого воздуха. Вследствие этого происходит пробой воздушного 
пространства, замыкая электрическую цепь между контактами. В это 
время анализатором подается звуковой сигнал о выявленном монооксиде углерода. 
2. Инфракрасный датчик – сигнализатор угарного газа, который 
способен контролировать изменения длинны волны электромагнитных волн в ИК области спектра. Методика основана на том, что длина 
волн в чистом воздухе и насыщенном СО разная. В качестве источников света современных ИК-анализаторов чадного газа используются 
светодиодные излучатели. При изменениях в спектре больше допустимой нормы устройство издает звуковой сигнал, предупреждающий 
об опасности. 
3. Электрохимические – этот тип датчиков загазованности угарным газом относится к устройствам, работающим на основе химических реакций, происходящих на контактах электролитической ванны 
устройства. По их активизации судят о росте концентрации угарного 
газа в помещении. Электролитическая ванна представляют собой миниатюрную емкость, которая заполнена кислотным или щелочным 
электролитом. Каталитическая химическая реакция вызывает появление напряжения, способствующего срабатыванию звуковой сигнализации. 
Твердотельные полупроводниковые металлооксидные сенсоры 
реагируют на присутствие в атмосфере широкого спектра газов. Сенсоры изготавливаются по толстопленочной микроэлектронной технологии. Они обладают малым временем отклика на изменение концентрации газа при температуре несколько сотен градусов Цельсия и высокой чувствительностью, позволяющей определять концентрацию 
горючих газов (метан, пропан, бутан, водород и т.д.) в воздухе в интервале концентраций от 0,001% до единиц процентов, а также ток

сичных газов (СО, и т.д.) (рис.1.1) при концентрациях на уровне ПДК. 
Предельно допустимая концентрация (ПДК) содержания оксида углерода (СО) в воздухе рабочей зоны – 20 мг/м3 [27, 30]. 

 

Таблица 1. 

 

Основные преимущества и недостатки газоанализаторов 

 

Название 
Достоинства 
Недостатки 

Инфракрасные Низкая стоимость 

Низкая избирательность; 
маленький диапазон измеряемой концентрации; 
непродолжительный срок 
службы сенсора; низкое 
быстродействие и чувствительность; для работы требует наличие кислорода 

Электрохимические 

Позволяет обнаруживать даже 
мельчайшие частицы вредных 
газов; широкий диапазон определения загрязняющих органических и неорганических веществ; низкое энергопотребление; приемлемая цена 

Ограниченное 
быстро
действие; низкая селективность; крупные габариты; необходимо дополнительно за собой носить 
огромное количество реагентов и разнообразных 
блоков 

Оптические 

Высокая чувствительность; отсутствуют вредные реагенты, 
необходимые для анализа смеси газов; высокое быстродействие селективность и чувствительность; позволяют определять практически все загрязняющие газы и вещества 

Высокая стоимость