• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
08.06.2023
ПНИПУ
321

Разработка Пермского Политеха повысит эффективность мониторинга атмосферного воздуха

❋ 4.5

Ученые Пермского Политеха и Центра медико-профилактических технологий обратили внимание на потребность в автоматизированных и мобильных устройствах, позволяющих оперативно в режиме реального времени анализировать химический и дисперсный состав пыли в воздухе и заместить трудоемкие методы отбора проб этой пыли. Авторы разработали портативное устройство измерения концентрации мелкодисперсных частиц в воздухе и провели тестовые испытания. При помощи микрофотографий для классификации и вычисления размеров частиц была обучена нейросеть.

Разработка ученых Пермского Политеха повысит эффективность мониторинга атмосферного воздуха
Разработка ученых Пермского Политеха повысит эффективность мониторинга атмосферного воздуха / ©Getty images / Автор: Telestis Scaevinius

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.

©Пресс-служба Пермского Политеха

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.

©Пресс-служба Пермского Политеха

«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.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
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.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Сегодня, 11:17
Юлия Тарасова

Результаты эксперимента в США в будущем могут позволить добиться разрешения на использование отработанной конопли в качестве кормовой добавки в животноводстве.

Сегодня, 15:35
Губкинский университет

Исследования ученых РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина подтвердили, что технология производства авиационного топлива SAF из растительных лигноцеллюлозных отходов позволит снизить выбросы углекислого газа на 75% по сравнению с нефтяным керосином.

Сегодня, 08:01
Адель Романова

На стыке трех литосферных плит у Красного моря заметили необычный вулканический процесс: где-то магма поднимается равномерным потоком, где-то — по частям. По мнению геологов, такой «пульс» вызван тем, что в некоторых местах магма с большим трудом пытается пробиться на поверхность.

28 июня, 18:58
Игорь Байдов

За последние 30 лет размер трески, обитающей в Балтийском море, значительно уменьшился. Если раньше рыбаки вылавливали из воды особей размером с маленького ребенка, то теперь добытая рыба легко помещается в ладонях. Авторы нового исследования винят в этом человека, который заставил один из видов эволюционировать в «карликов».

27 июня, 09:47
Авдей Палиш

Снимки с фотоловушек давно стали культурным явлением. Особенно забавными выглядят медведи. Мы с удовольствием смотрим на зверей, попавших в объектив камер в национальных парках: тигр украл фотоловушку, муравьед проехал верхом на муравьеде и так далее. Но не все животные настолько обаятельные. Ученые из США решили развить эмпатию к гремучим змеям, которых многие боятся. Для этого специалисты запустили трансляцию из «мегалогова», где рептилии отдыхают и рожают потомство.

29 июня, 17:23
Людмила Соколова

Чтобы понять, как часто за пределами Солнечной системы встречаются миры, похожие на Землю, ученые из Калифорнийского университета (США) провели статистический анализ 517 экзопланет. Результаты показали, что всего три мира, включая наш, соответствуют критериям потенциальной обитаемости. Наиболее перспективными из них оказались Kepler-22b и Kepler-538b.

17 июня, 16:49
Адель Романова

Радиотелескопы уловили очень короткий сигнал, и по его характеристикам стало ясно, что он не может быть естественного происхождения. Астрономы пришли к выводу, что источник находился в околоземном пространстве — там, где уже более полувека летает «мертвый» аппарат NASA.

25 июня, 15:19
ФизТех

Группа российских ученых из Института прикладной математики имени М. В. Келдыша РАН и МФТИ провела детальное численное исследование источников шума, генерируемых крылом прототипа сверхзвукового бизнес-джета в режиме посадки. Эта работа, сочетающая передовые методы вычислительной гидродинамики и аэроакустики, впервые позволила с высокой точностью локализовать и охарактеризовать основные зоны шумообразования вблизи полноразмерной геометрии крыла модели прототипа сверхзвукового пассажирского самолета в посадочной конфигурации.

5 июня, 13:20
Александр Березин

Вид антилоп, с ледникового периода привыкший к массовым миграциям, пытается вернуться в свой исторический ареал, когда-то достигавший Днепра. Однако их нетипичные для травоядных привычки вызывают сильнейшее отторжение у сельских жителей, предлагающих массово уничтожать их с воздуха. С экологической точки зрения возвращение этих животных весьма желательно, но как примирить их с фермерами — неясно.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Закрыть
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно