Sistem de Monitorizare

Sistem de monitorizare

Structura informațională

Pentru identificarea componentelor sistemului, trebuie pornit de la fluxul informațional care trebuie asigurat pentru funcționarea sistemului.

Funcțiile sunt executate cu ajutorul următoarelor echipamente și tehnologii:

Achiziția datelor se realizează prin intermediul senzorilor infrastructurii și anume:

Senzori de trafic – măsoară densitatea și viteza vântului;

Senzori pentru condiții meteo;

Senzori de mediu.

Prelucrarea datelor poate fi realizată:

La nivel local: de exemplu, subsistemul de măsurare și afișare a concentrațiilor de gaze poluante datorate traficului rutier urban;

La nivel central: în centrele de management al traficului, zonale sau centrale; se realizează fuzionarea datelor, verificarea corectitudinii lor, distribuirea datelor pe tipuri de aplicații, modelare, simulare, întocmire prognoze, actualizare baze de date, realizarea de rapoarte, interfațta om-mașină, scrierea datelor în formatul necesar transmiterii către echipamentele de distribuire a informației.

Distribuirea informației: în urma prelucrării datelor, informațiile pot fi transmise direct conducătorilor auto prin:

Panouri cu mesaje variabile;

Portal de informare publică;

Utilizarea informației: informațiile obținute prin prelucrarea datelor pot fi utilizate direct, de echipamente specializate, pentru:

Activarea unor semnale avertizoare, la intrarea în curbă, la apropierea unor vehicule din sens opus;

afisșarea automată a vitezei cu care circulă un autovehicul și avertizarea în cazul depășirii limitei de viteză adaptată la condițiile de circulație;

reglarea accesului pe autostradă.

Comunicatțiile: suportul de comunicații este:

GPRS/GSM SMS;

Portal Internet cu acces liber pentru informare on-line privind nivelul de poluare urbană în punctele monitorizate.

Pentru sistemul de monitorizare a calității aerului din zonele aglomerate, zonele de monitorizare se împart în:

Postul central și centralele zonale – locul ce este folosit de către părți ale sistemului pentru colectarea și asamblarea datelor, administrarea bazelor de date, generarea de rapoarte statistice, generarea măsurilor de management al traficului, cu sau fără intervenția omului;

Pe drum – locul care este folosit de către părți ale sistemului pentru detectarea caracteristicilor traficului sau mediului, pentru detectarea vehiculelor, pentru generarea măsurilor de management al traficului, și furnizarea de informații și comenzi către conducătorii auto.

Fluxul informațional in sistemele inteligente de transport

Structura funcțională

Arhitectura funcțională a unui controler de trafic

Postul central are rolul de a gestiona și prelucra informațiile primite de la centrele zonale. La nivelul central se ține o evidență a tuturor datelor culese din trafic pentru a se putea efectua, la cerere, analize și evaluări asupra influenței pe care o pot avea unele decizii majore asupra calității aerului.

Centrele zonale achiziționează și prelucrează datele din trafic obținute de

la cele trei tipuri de senzori, dar și de la subsistemele de reglare automată a traficului. Astfel, se află sub supraveghere densitatea de vehicule, gradul de ocupare al benzii de circulație, viteza de rulare și limitarea acesteia. Prelucrarea datelor se face atât în mod independent de postul central, prin transmiterea mesajelor variabile către panouri specializate, în vederea informării participanților la trafic, cât și în strânsă legatură cu acesta, deoarece se poate anticipa o situație negativă prin simularea ce rulează la nivel central.

Structura funcțională este dispusă pe două niveluri de funcții:

Funcții de nivel înalt;

Funcții de nivel inferior.

Prin această specializare a funcțiilor sistemul de monitorizare devine mai eficient, cu o rată a erorilor mult mai mică. Funcțiile de nivel înalt nu se pot realiza decât prin executarea corectă a celor de nivel inferior, iar cele de nivel inferior nu ar avea rezultatele dorite dacă nu ar exista cele de nivel înalt care le însumează și compară, în vederea obținerii rezultatelor cerute de sistem.

Proiectare

Senzori

Într-o definiție succinta senzorul este un sistem destinat determinarii unor proprietați, cuprinzând atât traductorul, care transforma marimea de intrare în semnal electric util, cât și circuite pentru adaptarea și conversia semnalelor și eventual pentru prelucrarea si¸ evaluarea informațiilor. Exista o serie de criterii de clasificare a senzorilor și traductoarelor: cu sau fara contact, absoluți sau incrementali (în funcție de marimea de intrare), analogici sau digitali (în funcție de marimea de ieșire) etc. Senzorii și traductoarele sunt elemente tipice ale sistemelor de automatizare. Sunt foarte utili în cazul cercetarii, analizelor de laborator. Fiind incluși în lanțuri de masurare complexe, care sunt conduse automat. Alegerea senzorilor și traductoarelor trebuie sa fie facuta ținând cont de proprietatea de monitorizat, de domeniul în care variaza aceasta, de dimensiunile ce trebuiesc respectate sau de geometria sistemului, de condițiile speciale de mediu sau de lucru, de tipul marimii de ieșire și nu în ultimul rând de cost.

Dezvoltarea unei rețele de senzori în zona de interes (o zona dens populata) permite obținerea unor baze de date foarte utile pentru elaborarea de strategii. Acestea includ analiza cu posibilitatea de vizualizare a evoluției spațio-temporale a principalilor agenți poluanți atmosferici, a rapoartelor care exista între acesți agenți, precum și nivelul de corelare cu alți factori, cum ar fi vremea, sanatatea populației sau traficul rutier.

Caracteristicile principale ale senzorilor pot fi definite prin următorii parametrii:

domeniul de utilizare,

rezoluția (sensibilitatea – cel mai mic increment măsurabil al stimulului),

frecvența maximă a stimulului ce poate fi detectat (selectivitatea),

acuratețea (eroarea de măsurare raportată, în procente, la întreaga scală),

dimensiunile și masa senzorului,

temperatura de operare și condițiile de mediu, durata de viață (în ore sau număr de cicluri de operare),

stabilitatea pe termen lung,

costul.

Majoritatea acestor caracteristici sunt precizate în fișele de fabricație ale senzorilor.

Sensibilitatea unui senzor este definită ca panta curbei caracteristicii de ieșire sau, intrarea minimă a parametrilor fizici care va creea o variație a ieșirii. La unii senzori, sensibilitatea este definită ca parametrul de intrare cerut pentru a produce o standardizare a schimbării ieșirii. La altele, ea este definită ca tensiunea de ieșire dată pentru schimbarea parametrului de intrare.

Eroarea de sensibilitate este punctul de plecare pentru panta ideală a caracteristicii curbei.

Domeniul de acoperire al senzorului este maximul si minimul valorilor aplicate parametrilor care pot fi măsurate. De exemplu, un senzor de presiune dat poate avea domeniul de variatie intre –400 si +400 mm Hg. Alternativ, extrema pozitivă și negativă sunt de obicei inegale.

Domeniul dinamic reprezintă domeniul total al variației senzorului de la minim la maxim.

Precizia se referă la gradul de reproducere al măsurătorii. Cu alte cuvinte, dacă exact aceleași valori au fost măsurate de un anumit număr de ori, atunci un senzor ideal va scoate la ieșire aceași valoare de fiecare dată. Senzorii reali scot însă la ieșire valori apropiate de valoarea reală. Să presupunem că o presiune de 150 mm Hg este aplicată unui senzor. Chiar dacă presiunea aplicată este constantă, valorile de la ieșirea senzorului variază considerabil. Apar astfel câteva probleme din punct de vedere al preciziei când valoarea adevărată si valoarea indicată de senzor nu sunt la o anumita distanță între ele.

Rezoluția reprezintă detecția celui mai mic parametru de intrare care poate fi detectat din semnalul de ieșire. Rezoluția poate fi exprimată proporțional cu semnalul citit, fie in valori absolute.

Acuratețea este dată de diferența dintre valoarea actuală si valoarea indicată la ieșirea senzorului. Din nou, acuratețea poate fi exprimată ca un procent sau în valori absolute.

Eroarea de offset al unui traductor este definită ca valoarea ieșirii care exista atunci când ar trebui să fie zero, sau diferența dintre valoarea reală de la ieșirea traductorului și valoarea de la ieșire specificată de o serie de condiții particulare.

Liniaritatea este expresia cu care curba măsurată se diferențiază de curba ideală. Neliniaritatea statică este uneori subiectul unor factori de mediu, inclusiv temperatura, vibrațiile, nivelul acustic de zgomot si umiditatea. Este important de știut în ce condiții această caracteristică este validă și se îndepărtează de acele condiții care nu furnizează modificări ale liniarității.

Liniaritatea dinamică a unui senzor este o măsură a abilității sale de a urmării schimbăriile rapide ale parametrilor de intrare. Caracteristicile distorsiunii amplitudinii, caracteristicile distorsiunii fazei, si timpul de răspuns sunt importante pentru a determina liniaritatea dinamică.

Timpul de răspuns poate fi definit ca fiind timpul necesar ieșirii valorilor unui senzor de a trece din starea precedentă spre o valoare stabilită in limitele unui domeniu de toleranță a noii valori corecte. Senzorii nu-și schimbă starea de ieșire imediat când apare o schimbare a parametrului de intrare, de obicei, va trece în starea nouă abia după o anumită perioadă de timp. Acest concept este într-un fel diferit de termenul de timp constant (T) a sistemului. Acest termen poate fi definit într-o manieră similară cu cea a unui condesator care se încarcă printr-un rezistor si este de obicei mai mic decât timpul de răspuns.

Clasificarea senzorilor

Există mai multe criterii de clasificare a senzorilor utilizați în sistemele de comandă ale proceselor industriale:

dacă intră sau nu în contact cu obiectul a cărui proprietate fizică o măsoară, distingem:

senzori cu contact;

senzori fără contact;

după proprietățile pe care le pun în evidență:

senzori pentru determinarea formelor și dimensiunilor (pentru evaluarea în mediu de lucru);

senzori pentru determinarea proprietăților fizice ale obiectelor (de forță, presiune, de cuplu, de densitate și elastici);

senzori pentru proprietăți chimice (de compoziție, de concentrație, analizatoare complexe);

după mediul de culegere a informației:

senzorii pentru mediul extern,

senzorii pentru funcția internă,

Senzorii pot fi : acustici, mecanici, magnetici, termici, pentru radiatii, chimici, bioelectrici (preiau semnalele electrice generate de corpul uman, în general), inteligenți, virtuali. Senzorii sunt conectați la circuite de condiționare si prelucrare a semnalelor furnizate de aceștia.

Senzori de trafic

Detecția vehiculelor și a condițiilor de trafic se poate realiza prin dispozitive plasate pe suprafața drumului, în pavaj sau sub pavaj, sau montate în lungul drumului. Funcțiile senzorilor de trafic sunt următoarele:

detectarea numărului de vehicule pe fiecare bandă de circulație;

măsurarea vitezei de deplasare;

determinarea gradului de ocupare al benzii.

Senzori pe suprafața drumului

Există mai multe tipuri de dispozitive care pot fi plasate pe suprafața drumului, pentru a fi utilizate în detectarea vehiculelor, printre care: plăcile cu buclă inductivă, plăcile de presiune și magnetometrele.

Plăcile cu buclă sunt similare cu buclele inductive convenționale, în sensul că generează un câmp electromagnetic, care este perturbat la trecerea unui vehicul. Diferența dintre cele două tipuri de senzori este aceea că plăcile cu buclă nu sunt încastrate în pavaj.

Plăcile de presiune detectează vehiculele pe baza altui principiu. La trecerea roților peste ele, se produce un contact electric. Acest dispozitiv se limitează la detectarea osiilor, nu a vehiculelor, și în consecință nu poate fi folosit pentru măsurarea unei mari părți a parametrilor de trafic.

Magnetometrele măsoară modificarea câmpului magnetic al Pamântului, la trecerea unui vehicul.

Senzori în pavaj

Exemple de dispozitive încastrate în pavaj, utilizate pentru detectarea vehiculelor: bucle magnetice inductive, sonde magnetice, cabluri senzitive. Fiind încastrate în pavaj, acest tip de dispozitive prezintă o serie de dezavantaje, cum ar fi: blocarea traficului pentru lucrările de montare și întreținere, probleme în momentul deteriorării pavajului.

Buclele magnetice inductive reprezintă tipul de detector cel mai des utilizat. Ele generează un câmp electromagnetic, care este perturbat la trecerea vehiculelor, a căror prezență o detectează în acest mod. Mărimea unei bucle este în general de 1×1,5 m.

Sondele magnetice măsoară schimbările în câmpul magnetic al Pământului, pentru a detecta trecerea vehiculelor pe deasupra lor.

Cablurile senzitive. La trecerea vehiculelor peste un cablu senzitiv, roțile produc comprimarea cablului piezoelectric, care generează în acel moment un semnal electric. Nu pot măsura unii parametri de trafic, limitându-se la detectarea osiilor.

Detecția prin senzori montați în pavaj este cea mai folosita tehnologie din prezent.

Senzori pentru monitorizarea factorilor meteorologici

Factorii meteorologici – vântul, umiditatea atmosferica – pot contribui la deteriorarea calitații aerului.

Rețelele de senzori au o structura locala de puncte integrate de masur a a condițiilor meteorologice (stații de masur a) sau senzori pentru diverși parametri ai acestor condiții. Pentru acoperirea întregului domeniu ce implica meteorologia, atât senzorii din stațiile de monitorizare, cât și senzorii solitari se clasifica în: – senzori pentru monitorizarea vitezei vântului, a direcției acestuia și a rafalelor acestuia;

senzori de temperatura și de determinare a punctului de producere a efectului de „roua”;

senzori de umiditate;

detectori de nori și de grad de acoperire a cerului;

senzori de vizibilitate;

senzori de ploaie, burnița și zapadă;

detectori ai cantitații de precipitații;

detectori de furtuna și senzori de fulgere;

altimetre;

senzori de ceața

Parametrii atmosferici care duc la formarea ceții sunt temperatura aeru-

lui, umiditatea, temperatura solului și umiditatea acestuia, existența radiațiilor solare și viteza vântului. De aceea în general se folosesc sisteme de detecție a ceții, dar exista și senzori individuali de ceața.

Senzorii individuali de ceața se bazeaza pe efectul local al determinarii gradului de umiditate din atmosfera în concordanța cu temperatura sau pe determinarea vizibilitații în condiții normale (far a fum, furtuni de nisip și praf). Se bazeaza în general pe dispersia și absorbția microundelor, a undelor infraroșii, laser, uneori a ultrasunetelor și a undelor de radiofrecvența, dintre un emițator și un receptor, amplasați în aer.

În funcție de modalitatea de detecție pot determina atât prezența ceții cât și densitatea acesteia, prezența altor particule în aer, ajungând la unele modele care combina doua emițatoare și doua receptoare, unul laser și un altul cu microunde, sa determine procentual cantitatea, diversele particule existente în aer și tipul acestora.

Sistemele de detecție a ceții sunt în general stațiile meteorologice

care prin analiza parametrilor descriși mai înainte stabilesc prezența ceții și densitatea acesteia. Algoritmii de analiza sunt particularizați pentru fiecare producator ai acestor stații, dar verificarea rezultatelor fiind realizata prin sisteme de analiza a vizibilitații. Datorita progresului tehnologic aceste sisteme pot determina și alte fenomene meteorologice doar prin analiza de imagine (la lumina zilei și infraroșu):

ceața densa, ceața normala, fum;

ploaie, ploaie cu gheața, chiciura, burnița, polei, zapad a;

Pentru fiecare forma de fenomen sau fenomen detectat acestea transmit o serie de coduri în diverse formate catre stația principala (interfețe paralele, bucla de curent, RS232), dar pot fi și individuale (departe de orice stație meteorologica) caz în care transmisia informației se face prin sisteme de comunicații și protocoale compatibile și cu sistemele de calcul (RS485) si mai recent, prin interfete de comunicatii fara fir.

Senzori de mediu

O stație de monitorizare furnizează date de calitatea aerului care sunt reprezentative pentru o anumita arie în jurul stației. Aria în care concentrația nu diferă de concentrația măsurată la stație mai mult decât cu o "cantitate specifica" (+/- 20%) se numește "arie de reprezentativitate".

Stațiile sunt dotate cu analizoare automate ce măsoară continuu concentrațiile în aerul ambiental ale poluanților:

dioxid de sulf (SO2)

dioxid de azot (NO2)

ozon (O3)

monoxid de carbon (CO)

pulberi în suspensie (PM10)

Stațiile de monitorizare sunt amplasate în concordanță cu cele stabilite de directivele europene privind calitatea aerului, în vederea protecției sănătății umane, a vegetației și ecosistemelor. Amplasarea stațiilor permite evaluarea influenței diferitelor tipuri de surse de emisii poluante. Din acest punct de vedere stațiile sunt clasificate după cum urmează:

stații de trafic – pentru evaluarea influenței traficului asupra calității aerului

stații industriale – pentru evaluarea influenței activităților industriale asupra calității aerului

stații de fond urban și suburban – pentru evaluarea influenței “așezărilor urbane” asupra calității aerului

stații de fond rural și regional – pentru evaluarea calității aerului în zone depărtate de sursele de emisie

Senzor de detecție a dioxidului de carbon (TGS4160)

Senzorul are o componenta hibrida dintr-un element de detecție a dioxidului de carbon și un termistor intern. Elementul de detecție a CO2 are în componența un ion pozitiv (Na+) sub forma unui electrolit solid aflat între doi electrozi împreuna cu un filament. Catodul (elemental de detecție) este alcatuit dintr-un bicarbonat de litiu si aur, în timp ce anodul este alcatuit din aur. Baza senzorului este realizata din terephthalat de polietilena consolidata cu fibra de sticla. Învelișul extern este format dintrun strat dublu cu 100 de ochiuri de plasa inoxidabila. Învelișul se fixeaza la baza senzorului cu un inel de alama. Învelișul exterior este alcatuit din oțel inoxidabil. Spațiul dintre învelișul exterior și cel interior este umplut cu o substanța absorbanta care are rolul de a reduce influența gazelor interferente.

Senzor de CO2

Principiul de funcționare

Rezistența de încalzire aduce senzorul la temperatura optima de funcționare pentru gazul care trebuie detectat (de obicei între 200oC și 400oC). Materialul sensibil la gaz este bioxidul de staniu (SnO2).

Pe suprafața granulelor de SnO2 se absoarbe oxigen din aer care preia electroni mobili din banda de conducție. Bioxidul de staniu, fiind semiconductor de tip "n" cu zona interzisa mare (3,8eV), va fi saracit la suprafața de purtatori de sarcina mobili și din aceasta cauza rezistența electrica la contactul dintre granule va fi mare. În momentul în care apare un gaz capabil sa se combine cu oxigenul absorbit, electronii inițial legați de oxigen sunt eliberați în banda de conducție, rezistența electrica a dispozitivului scazând mult. Deci, exista o dependența a conductanței senzorului în funcție de concentrația gazului reducator. Atunci când senzorul este expus la un mediu ce conține CO2 au loc urmatoarele reacții electrochimice: • Reacția catodica:

2Li++CO2+1/2O2+2e−=2Li2CO3

Reacția anodica:

2Na++1/2O2+2e−=Na2O

Reacția chimica completa:

Li2CO3+2Na+=Na2O+2Li++CO2

Ca raspuns la reacția electrochimica ce are loc, se va genera o forța electromotoare conform ecuației lui Nernst:

EMF=Ec-(RxT)/(2F)ln(P(CO2)) unde,

P(CO2)- presiunea parțiala a dioxidului de carbon;

Ec- valoare constanta;

T- temperatura(K);

R- constanta gazului;

F- constanta lui Faraday (9,6487*104Cmol−1)

Monitorizând forța electromotoare care se genereaza între cei doi electrozi, se poate masura concentrația de CO2.

Transmitere date

Suportul de comunicații propus este rețeaua GSM-SMS/GPRS cu acoperire urbana integrala, care prezinta fiabilitate în funcționare, ușurința de instalare (nu necesita lucrari de amenajare costisitoare), costuri convenabile.

Datele din trafic (achiziționate on-line, transmise prin Internet sau telefon operatorului), configurația rețelei rutiere, amplasarea semnelor de circulație, informații privind incidentele din trafic, zone afectate de lucrari de reabilitare a infrastructurii vor fi stocate într-o baza de date relaționala pe Serverul de Date ce va fi instalat la Centrul de monitorizare și control. Baza de date locala se va replica periodic pe server, asigurându-se astfel o funcționare fiabila.

În mod generic, pentru comunicație va fi utilizat serviciul GPRS, iar în situații deosebite, pentru backup, serviciul SMS. Deoarece Unitatea Centrala și modemul GSM comunica printr-o singura interfața seriala, vor fi stabilite in mod clar condițiile și succesiunea de operații de comutare dintr-un mod de lucru in celalalt: GPRS-SMS. Se instaleaza modem-ul ca un modem extern standard, conform procedurii specifice sistemului de operare utilizat.

Funcțiile interfeței de comunicații sunt urmatoarele:

inițializarea modemului cu parametrii de funcționare (viteza de comunicație, formatul datelor, suprimarea/validarea ecoului pentru interfața seriala, validarea afișarii erorilor in format extins etc.);

inițializarea si stabilirea legaturii de comunicație cu terminalele locale;

recepționarea și identificarea mesajelor recepționate din sistem;

transmiterea comenzilor și setarilor pentru echipamente;

transmiterea mesajelor de tip text pentru afișare locala;

retransmiterea mesajelor de mediu achiziționate de la un afișor catre celelalte afișoare din sistem.

Senzorii de trafic comunica direct cu subsistemele de reglare automata a traficului, dar transmit, în același timp, datele culese din trafic și centrelor zonale.

Afișarea datelor pentru informarea publicului

În punctele cu risc maxim de poluare de pe tronsonul selectat pentru realizarea sistemului se vor instala sisteme de achiziție de date dotate cu traductori inteligenți pentru masurarea concentrațiilor de CO, NO2, SO2. Concentrațiile se vor determina în unitațile CMA (cota maxima admisa) reprezentând mg/m3 (ppm).

Stațiile de supraveghere

pot fi direct la agentul poluator sau pot fi la nivel regional, care acopera o suprafața mult mai mare.

În cazul sistemului va fi utilizata o stație de supraveghere locala, care monitorizeaza agenții poluatori generați în trafic de motoarele cu combustie interna, respectiv NO2 / SO2 / CO.

Funcționarea afișoarelor va presupune execuția consecutiva a trei task-uri principale: