Мониторинг урбанистических и экосистем становится важной задачей современности. Развитие науки, техники и промышленности, внедрение новых технологических процессов приводит ко все большему загрязнению окружающей среды, носящему тотальный характер. Изменения в промышленном производстве сказались на составе промышленных выбросов, что привело к качественно новому загрязнению воздушного и водного бассейнов Земли. Наряду с газовыми загрязнениями природного характера в земной атмосфере появились новые сложные синтетические соединения, не существующие и не образующиеся в природе и не свойственные ей. Исследования показали, что некоторые новые синтетические соединения оказались в биологическом отношении высокоактивными, а токсичность многих из использующихся в промышленности веществ пока еще мало изучена. Это уже привело к тому, что экологическое равновесие в ряде районов нашей планеты находится под прямой угрозой.
Особо важное значение для человека и природной среды в целом имеет экологический контроль загрязненности атмосферного воздуха.
Источниками загрязнений атмосферного воздуха являются топки печей, ГРЭС, химические, металлургические и другие промышленные производства, выхлопные газы автотранспорта, продукты сгорания турбореактивных двигателей самолетов, лесные, торфяные и другие пожары и т.п.
Вредные атмосферные примеси оказывают на человека и природную среду токсическое, канцерогенное (вызывают злокачественные новообразования), мутагенное (влияют на наследственность), тератогенное (вызывают уродства у рождающихся детей), аллергенное и климатическое воздействие.
Токсическое воздействие на здоровье человека, животных и растений, на биосферу вообще, а также на объекты неживой природы (например, на здания и сооружения) оказывают многие газовые примеси антропогенного происхождения в сильно загрязненном атмосферном воздухе больших городов и промышленных районов. Вне этих районов уровень содержания токсичных примесей и их влияние на окружающую среду в целом незначительно. Канцерогенное действие на организм при поступлении с вдыхаемым воздухом оказывают некоторые ароматические амины, смолистые соединения, альдегиды, нитрозамины и др. В крупных промышленных центрах, где размещены химические и нефтехимические предприятия, канцерогенные вещества составляют до 80 % общего загрязнения атмосферного воздуха. При установлении опасности выявления злокачественных новообразований у человека под влиянием вредных органических веществ (при поступлении их в организм с вдыхаемым атмосферным воздухом) нужно учитывать, что канцерогенное действие многих веществ обнаруживается лишь через длительный период после начала их действия. С момента поступления в организм человека некоторых канцерогенных веществ и до появления первых клинических признаков заболевания скрытый период действия нередко может составлять 20 лет и более.
Мутагенное действие на организм оказывает ряд химических веществ: некоторые ароматические амины, в том числе и нитрозамины, альдегиды, галогензамещенные алканы и их производные, винилхлорид. Активные мутагены образуются вследствие реакции содержащихся в атмосфере премутагенов, в частности 1,2-бензпирена и полициклических аренов, с озоном, диоксидом азота и нитросоединениями. К числу мутагенов относятся и некоторые канцерогенные вещества, в том числе и 3,4-бензпирен. Генетическая адаптация человека к поступлению в организм мутагенов из внешней среды невозможна.
Аллергенное действие, обусловленное повышенной чувствительностью организма к воздействию химических веществ, оказывают многие органические соединения. Они вызывают либо общие заболевания (бронхиальная астма, ринит и др.), либо болезни кожи (дерматит, экземы и др.).
Органические соединения, осаждаясь из промышленных выбросов, оказывают токсичное действие на микрофлору почвы и растения. Наиболее вредны соединения, отличающиеся высокой стабильностью. Критерием стабильности вещества в почве служит период его полураспада (время, в течение которого концентрация токсичного вещества снижается на 50 % по сравнению с исходным значением).
Промышленные выбросы в атмосферу с течением времени под влиянием силы тяжести оседают на поверхность почвы и затем частично с поверхностным стоком поступают в водоемы, пополняя вредное действие сточных вод. Растворимые в воде вредные органические соединения, попавшие на поверхность почвы с промышленными выбросами, фильтруются почвой и поступают в подземные воды. Таким образом, промышленные выбросы в атмосферу влияют на содержание вредных веществ в источниках водоснабжения.
Промышленные выбросы в городах вредно действуют на здания, памятники архитектуры и искусства, искажая внешний вид (известны случаи резкого изменения внешнего вида ценных памятников в городах в результате действия на них вредных выбросов в атмосферу).
Ежегодно вследствие активной промышленной деятельности человека в атмосферу Земли выбрасываются сотни различных загрязнителей. Основными загрязняющими газовыми компонентами являются оксиды углерода (углекислый газ и оксид углерода), соединения серы, соединения азота (оксиды азота, аммиак, органические соединения азота), углеводороды, озон, галогеносодержащие соединения.
В зависимости от источника и механизма образования различают первичные и вторичные загрязнители воздуха. Первые представляют собой химические вещества, попадающие непосредственно в воздух из стационарных или подвижных источников. Вторичные образуются в результате взаимодействия в атмосфере первичных загрязнителей между собой и с присутствующими в воздухе веществами (кислород, озон, аммиак, вода и др.) под действием ультрафиолетового излучения. Часто вторичные загрязнители, например вещества группы пероксиацетилнитратов (ПАН), гораздо токсичнее первичных загрязнителей воздуха.
Целью контроля загрязнения атмосферного воздуха является получение полной информации о качественном и количественном составе загрязненного воздуха и его изменении, необходимой для прогнозирования степени загрязнения воздуха, выполнения мероприятий по охране окружающей среды, гигиенических и токсикологических исследований.
Для задач удаленного оптико-акустического газоанализа используются комплексные системы, в которых условно можно выделить три составные части [3, с. 145]:
1. Собственно аппаратно-программная часть, обеспечивающая мониторинг нужной среды как непосредственно через систему датчиков и аудио-визуальный тракт, так и средствами удаленного оптико-акустического газоанализа, которые в свою очередь могут быть как относительно простыми аналогами непосредственных средств, так и сложными подвижными роботизированными платформами со средствами дистанционного контроля.
2. Информационная система (ИС) для получения данных с датчиков и управления аудио-визуальными потоками. Такая система обычно строится с использованием интернет-технологий с клиент-серверной архитектурой и веб-интерфейсом. Отдельно следует отметить тенденцию миграции современных ИС с веб-ориентированной платформы с использованием серверного языка PHP на «облачные» сервисы с доминированием серверной версии языка Java – J2EE, то есть миграция с односерверного решения на кластерные многосерверные решения уровня предприятия.
3. Уровень пользовательского интерфейса (UI) с обеспечением максимально широкого охвата доступных устройств: от «классического» ПК с оконным UI для мобильных устройств с «осязательным» UI и в перспективе возможности легкого расширения на другие классы UI, такие как 3D очки, аудиоинтерфейс и тому подобное. Для обеспечения этих задач возможно использование как веб-интерфейса на основе HTML5/JS, так и нативных решений для перспективных платформ – Android, Windows, iOS.
Обеспечением создания и поддержки современных ИС удаленного оптико-акустического газоанализа необходимо заниматься в комплексе. Мероприятиями, которые обеспечивают этот комплекс, могут являться:
1) учебный процесс, включающий соответствующие учебные дисциплины: как специализированные «Интернет-программирование», «Клиент-серверное программирование», «Веб-технологии», «Робототехника» с отражением на уровень бакалавра и магистра, так и базовые «Основы программирования», «Базы данных», «Объектно-ориентированное программирование» с акцентом на современное состояние ИТ, языка программирования Java, JavaScript, PHP и углубленное изучение OC Linux/Unix и сетевой и интернет архитектуры;
2) опытно-конструкторский цикл, в основу которого заложена специализированная лаборатория робототехники, встроенных систем и мобильного компьютинга и прикладного исследования поставленных задач, их макетирование и создание аппаратно-программных прототипов. Отдельным вопросом является режим удаленного доступа к ресурсам такой лаборатории через веб-интерфейс с устройством виртуального аналога реально действующей лаборатории – виртуальной учебной лаборатории робототехники и мобильного компьютинга. Благодаря такому решению появляется возможность удаленного выполнения исследований, включая уменьшением опасности повреждения оборудования поскольку недозволенные действия блокируются в пользовательском интерфейсе. Другим весомым преимуществом является возможность тестировать аппаратно-программные решения, которые переносятся на всю ИС мониторинга, в частности задачи удаленного мониторинга с использованием веб-интерфейса робототехнических средств реальных задач эколого-экономического мониторинга, например, природоохранных и природно-техногенных комплексов;
3) сопровождение и поддержка ИС мониторинга включает как аппаратно-программные решения, так и специализированные тренинги персонала как в реальных условиях, так и использовании виртуального доступа через механизмы виртуальной лаборатории и веб-интерфейса с действующими ИС с удаленным доступом к робототехническим платформам оптико-акустического газоанализа.
Особое место занимают концептуальные аспекты реализации архитектуры ИС оптико-акустического газоанализа в части робототехнических средств. Для задач удаленного мониторинга целесообразно применять комплексные решения – работы телеприсутствия, которые включают [6, с. 91]:
1. Наземные мобильные платформы с колесным или гусеничным приводом как наиболее распространенные и изученные.
2. Летающие платформы или беспилотные летательные аппараты (БПЛА), которые строятся как по схеме самолета для исследования открытых пространств, так и одно- или многолопастных конструкций, например квадрокоптер, для детального мониторинга относительно небольших территорий со сложным рельефом, препятствиями и закрытыми помещениями.
3. Узкоспециализированные решения. Например, для экологического мониторинга заповедника, учитывая его уникальное природно-ресурсное и рекреационно-географическое положение, целесообразно использование плавающих робототехнических платформ в комплексе с двумя предыдущими.
Общими для этих трех решений являются: программная часть, аудио-визуальный тракт и коммуникационные решения, использующие стандартные для индустрии wi-fi и мобильную связь [4, с. 65]. Благодаря такому подходу робот телеприсутствия оптико-акустического газоанализа выступает как унифицированное аппаратно-программное решение, легко адаптируется к соответствующим условиям природной среды и не требует изменений в программном обеспечении ИС и UI [2, с. 147].
Благодаря интерфейсу, основанному на веб-технологиях, пользователь может удаленно управлять роботом оптико-акустического газоанализа, вести видеонаблюдение с аудио-визуальной фиксацией на серверах ИС, отдавать отдаленные голосовые команды и тому подобное [1, с. 17]. Благодаря элементам искусственного интеллекта (AI) робот оптико-акустического газоанализа в состоянии избегать отдельных критических ситуаций, проводить самостоятельно мониторинг заданных территорий или объектов в режиме автономного патрулирования с привязкой к карте местности и GPS навигации или специальных маяков для закрытых помещений [5, с. 36].
Отдельно следует отметить вопросы обучения робота телеприсутствия. В процессе эксплуатации постоянно возникают задачи по адаптации роботов оптико-акустического газоанализа к специфическим условиям различных сред мониторинга. Эти задачи должны быть легко реализованы, для чего предусмотрен специализированный алгоритмический язык, который доступен непосредственно через веб-интерфейс и позволяет совершенствовать AI робота телеприсутствия и функциональные возможности виртуальной экологической лаборатории робототехники в целом.
Также в данном случае возможно и прикладное применение в медицинских целях. Для области общественного здоровья в модуле возможно прописать мониторинг параметров в привязке к уровню заболеваемости населения и степени влияния на окружающую среду с прогнозированием. Для районов с техногенно аварийной ситуацией и катастрофами возможна дистанционная разведка. Для личностного использования перспективны разработка и применение системы мониторинга экологической и иной обстановки в жилых помещениях и у самого человека в виде носимой электроники.