Разработка Пермского Политеха повысит эффективность мониторинга атмосферного воздуха

Многие технологические процессы промышленных предприятий и фабрик — это источник интенсивных выбросов мелкодисперсных пылевых частиц в атмосферу, опасных для здоровья. Важность наблюдений за уровнем пыли в атмосферном воздухе как фактора риска дополнительной смертности и заболеваемости населения подтверждена многочисленными исследованиями. PM — взвешенные твердые микрочастицы, содержащиеся в воздухе и имеющие заданный диаметр (РМ2.5, РМ10). Доказано, что наиболее мелкие частицы РМ2.5 могут попадать в кровеносную систему. Каждое повышение концентрации РМ2,5 на 10 мкг/м3 сопряжено с ростом долговременного риска кардиопульмональной смертности на 6–13 процентов.

Данные ученых свидетельствуют о том, что твердые частицы РМ в качестве основного загрязнителя воздуха ухудшают структуру и функцию эпидермиса. В некоторых работах описано негативное влияние РМ2.5 на когнитивные функции и риск возникновения ранних деменций. Даже относительно низкие уровни РМ2.5 могут быть важным фактором окружающей среды, влияющим на модели структурного развития мозга в детстве. Подтверждается негативная роль пылевых частиц и в распространении инфекционных заболеваний, в частности Covid-19. Все это свидетельствует о высокой актуальности мониторинга мелкодисперсных пылей и управления уровнями загрязнения воздуха в российских городах, в том числе через нормирование выбросов хозяйствующих субъектов.

Ученые Пермского Политеха и Центра медико-профилактических технологий обратили внимание на потребность в автоматизированных и мобильных устройствах, позволяющих оперативно в режиме реального времени достаточно точно анализировать химический и дисперсный состав твердой компоненты загрязнения и заместить трудоемкие методы отбора проб и раздельное определение фракционного и химического состава пыли. Авторы разработали портативное устройство измерения концентрации пыли в воздухе и провели тестовые испытания. Для классификации и вычисления размеров частиц была обучена нейронная сеть на наборе микрофотографий.

Результаты исследований опубликованы в журналах «Анализ риска здоровью» и «Вестник ПНИПУ. Электротехника, информационные технологии, система управления». Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030». По данным Росгидромета суточные измерения взвешенных частиц РМ10 свидетельствуют о практически повсеместном превышении установленных гигиенических нормативов. Ученые называют основные причины неэффективности управления качеством воздуха в части загрязнения мелкодисперсной пылью. Промышленные предприятия крайне редко указывают на наличие мелкодисперсных пылей в составе отходящих пылегазовых смесей. Из-за чего источники ненормативного содержания РМ2.5, РМ10 в воздухе невозможно идентифицировать, и загрязнение остается вне системы государственного регулирования. Также сложность управления выбросами пыли состоит в том, что пыль — общераспространенное загрязняющее вещество. Из-за чего выделить и доказать вклад конкретного субъекта в уровень пылевого загрязнения очень непросто.

Для повышения оперативности мониторинга пылей ученые предложили двухэтапную схему распознавания отобранных из атмосферного воздуха частиц по принципу «от грубого к точному». Первый этап включает в себя определение общей концентрации частиц РМ, что поможет найти наилучшую локацию для проведения точных измерений. На втором этапе применяется принцип «компьютерного зрения», автоматизирующий рутинные операции распознавания образов объектов для расчета процентного содержания веществ в пробе.

Портативное устройство для решения задач обработки данных системы мониторинга может реализовывать схему многоэтапной обработки данных в парадигме «грубый-точный» на уровне самого прибора: непрерывные замеры концентрации частиц РМ2.5/PM10 в воздухе; проведение морфологического и компонентного анализа частиц с использованием оптических методов распознавания объектов и сопоставление распознанных частиц с пылевыми профилями предприятий. При использовании такой схемы ресурсоемкие операции, связанные с оптическими методами обработки изображений, выполняются только в тех точках, где есть необходимость. В результате составление картограммы загрязнений происходит оперативно, в непрерывном режиме.

Аппаратное и программное обеспечение протестировано в реальных условиях загрязнения атмосферного воздуха в зоне влияния горнодобывающего предприятия. Ученые выявили, что пылевое загрязнение атмосферного воздуха вблизи промышленного объекта с интенсивными выбросами твердых веществ в атмосферу характеризуется сложным и компонентным, и дисперсным составом. В составе пыли, которая на посту Росгидромета оценивается как «взвешенные вещества», были идентифицированы соли и оксиды железа, кремния, магния, марганца, алюминия и пр., что в достаточной мере соответствует результатам исследования, полученным на стационарном оборудовании.

«Классификация и вычисление размеров частиц выполняется с помощью модели нейронной сети, обученной на сотнях примеров, размеченных экспертами. Обучение нейронной сети выполнено с применением библиотек микрофотографий пылей разных производств и технологических аппаратов. Изображения на каждой микрофотографии характеризовались параметрами химического, фракционного и морфологического состава пыли. Изображения были размечены с указанием расположения и контуров объектов, которые должна распознавать нейросеть», — рассказывает кандидат технических наук, доцент кафедры автоматики и телемеханики ПНИПУ Андрей Кокоулин.

Важной позитивной стороной построения профилей пылевых выбросов является возможность корректной оценки рисков для здоровья населения. Нередко пыли, которые кодируются в ходе инвентаризации самим хозяйствующим субъектом как «взвешенные вещества» содержат примеси солей или оксидов тяжелых металлов, опасность которых существенно выше, чем просто взвешенных частиц.

Пылевое загрязнение — серьезный источник угроз и опасностей для здоровья населения. В силу того, что на основе гигиенических оценок, в том числе оценки и характеристики уровней рисков для здоровья, принимаются управляющие решения, корректная оценка дисперсного и компонентного состава пыли, содержащихся в атмосферном воздухе, остается важнейшей актуальной задачей. Предлагаемые разработки ученых, основанные на современных методах, могут найти применение в системе постоянных наблюдений, которые ведутся специалистами Роспотребнадзора.

ПНИПУ

1043 статей

Пермский национальный исследовательский политехнический университет (национальный исследовательский, прошлые названия: Пермский политехнический институт, Пермский государственный технический университет) — технический ВУЗ Российской Федерации. Основан в 1960 году как Пермский политехнический институт (ППИ), в результате объединения Пермского горного института (организованного в 1953 году) с Вечерним машиностроительным институтом. В 1992 году ППИ в числе первых политехнических вузов России получил статус технического университета.

Показать больше