СУЧАСНІ ТЕХНІЧНІ РІШЕННЯ ДЛЯ ЗМЕНШЕННЯ ЕФЕКТУ «ЗМИВУ» ПРИ ВИМІРЮВАННІ КОНЦЕНТРАЦІЙ ЗАБРУДНЮЮЧИХ РЕЧОВИН ЗА ДОПОМОГОЮ БПЛА
DOI:
https://doi.org/10.32689/maup.it.2024.3.4Ключові слова:
моніторинг атмосферного повітря, БПЛА, ефект «змиву», технічні рішенняАнотація
Рівень забруднення атмосферного повітря формується під впливом багатьох факторів, зокрема викидів від об’єктів енергетики, транспорту, промисловості сільського господарства, а також процесів утилізації та очищення стоків. Він також залежить від метеорологічних умов, швидкості розсіювання забруднюючих речовин та їх взаємодії з навколишнім середовищем (фізико-хімічна трансформація, вимивання опадами, поглинання підстилаючою поверхнею), і географічних особливостей місцевості (рельєф, наявність забудови, висота та щільність рослинності). У статті наведено джерела викидів таких забруднювачів повітря, як тверді частинки, чадний газ і діоксид вуглецю, оксиди азоту, аміак, летючі органічні сполуки, озон, діоксид сірки, сірководень, випромінювання, запахи), зазначено загальні методи їх вимірювання. Описано особливості функціонування наземних стаціонарних станцій моніторингу якості повітря. Показано низьку ефективність даних систем для оперативного реагування на швидкоплинні надзвичайні ситуації з хімічним та радіаційним фактором забруднення. Обґрунтовано, що для оперативної оцінки обстановки та отримання необхідних даних під час виникнення таких ситуацій ефективним підходом є застосування систем моніторингу, які базуються на мобільних платформах, а саме БПЛА. Відзначено, що перевагами цих засобів є можливість оперативного потрапляння на місце надзвичайної ситуації в складних умовах (складний рельєф місцевості, наявність важкопрохідної рослинності, руйнація або аварійно-небезпечний стан об’єкту, велика пожежа або вибухи на території об’єкту, бойові дії, важкі метеумови тощо) та швидке отримання необхідних даних для прийняття вчасних ефективних управлінських рішень службами реагування. Описано ефект «змиву», який виникає під БПЛА в результаті швидкого обертання його роторів, що спричиняє порушення розподілу повітря навколо дрона і зменшення концентрації досліджуваних газів в місці розташування мультисенсорної системи. Здійснено аналіз сучасних передових технічних рішень науковців з різних країн світу щодо розміщення датчиків на борту БПЛА для зменшення впливу ефекту «змиву» на точність вимірювання відповідних концентрацій.
Посилання
Jońca J., Pawnuk M., Bezyk Y., Arsen A., Sówka I. Drone-Assisted Monitoring of Atmospheric Pollution – A Comprehensive Review. Sustainability. 2022. Vol. 14(18). 11516. URL: https://doi.org/10.3390/su141811516
ЗАКОН УКРАЇНИ «Про охорону атмосферного повітря» URL: https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/2707-12#Text
Oleniacz R., Gorzelnik T. Assessment of the Variability of Air Pollutant Concentrations at Industrial, Traffic and Urban Background Stations in Krakow (Poland) Using Statistical Methods. Sustainability. 2021. Vol. 13. 5623. URL: https://doi.org/10.3390/su13105623
Chamola V., Kotesh P., Agarwal A., Naren Gupta N., Guizani M. A Comprehensive Review of Unmanned Aerial Vehicle Attacks and Neutralization Techniques. Ad Hoc Netw. 2021. Vol. 111. 102324. URL: https://doi.org/10.1016/j.adhoc.2020.102324
Boon M. A., Drijfhout A. P., Tesfamichael, S. Comparison of a fixed-wing and multi-rotor uav for environmental mapping applications: A case study. Int. Arch. Photogramm. Remote Sens. Spat. Inf. Sci. 2017. Vol. XLII-2-W6. P. 47–54. URL: http://dx.doi.org/10.5194/isprs-archives-XLII-2-W6-47-2017
Ducard G. J. J., Allenspach M. Review of designs and flight control techniques of hybrid and convertible VTOL UAVs. Aerosp. Sci. Technol. 2021. Vol. 118. 107035. URL: https://doi.org/10.1016/j.ast.2021.107035
Zhou Y., Zhao H., Liu Y. An evaluative review of the VTOL technologies for unmanned and manned aerial vehicles. Comput. Commun. 2020. Vol. 149. P. 356–369. URL: https://doi.org/10.1016/j.comcom.2019.10.016
Lee C., Kim S., Chu B. A Survey: Flight Mechanism and Mechanical Structure of the UAV. Int. J. Precis. Eng. Manuf. 2021. Vol. 22. P. 719–743. https://doi.org/10.1007/s12541-021-00489-y
Ito S., Akaiwa K., Funabashi Y., Nishikawa H., Kong X., Taniguchi I., Tomiyama H. Load and Wind Aware Routing of Delivery Drones. Drones. 2022. Vol. 6. 50. URL: https://doi.org/10.3390/drones6020050
Kaliszewski M., Włodarski M., Młyńczak J., Jankiewicz B., Auer L., Bartosewicz B., Liszewska M., Budner B., Szala M., Schneider B., et al. The Multi-Gas Sensor for Remote UAV and UGV Missions–Development and Tests. Sensors 2021. Vol. 21. 7608. URL: https://doi.org/10.3390/s21227608
Madokoro H., Kiguchi O., Nagayoshi T., Chiba T., Inoue M., Chiyonobu S., Nix S., Woo H., Sato K. Development of Drone-Mounted Multiple Sensing System with Advanced Mobility for In Situ Atmospheric Measurement: A Case Study Focusing on PM2.5 Local Distribution. Sensors. 2021. Vol. 21. 4881. URL: https://doi.org/10.3390/s21144881
Villa T. F., Salimi F., Morton K., Morawska L., Gonzalez F. Development and Validation of a UAV Based System for Air Pollution Measurements. Sensors. 2016. 16. 2202. URL: https://doi.org/10.3390/s16122202
Burgués J., Esclapez M.D., Doñate S., Marco S. RHINOS: A lightweight portable electronic nose for real-time odor quantification in wastewater treatment plants. iScience. 2021. 24. 103371. URL: https://doi.org/10.1016/j.isci.2021.103371
Hutchinson M., Liu C., Chen W.H. Source term estimation of a hazardous airborne release using an unmanned aerial vehicle. J. Field Robot. 2019. Vol. 36. P. 797–817. URL: https://doi.org/10.1002/rob.21844
Oberle F. K. J., Gibbs A. E., Richmond B. M., Erikson L. H., Waldrop M. P., Swarzenski P. W. Towards determining spatial methane distribution on Arctic permafrost bluffs with an unmanned aerial system. SN Appl. Sci. 2019. Vol. 1. 236. URL: https://doi.org/10.1007/s42452-019-0242-9
Smith B. J., John G., Christensen L. E., Chen Y. Fugitive methane leak detection using sUAS and miniature laser spectrometer payload: System, application and groundtruthing tests. In Proceedings of the 2017 International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS), Miami, FL, USA, 13–16 June 2017; pp. 369–374. URL: https://doi.org/10.1109/ICUAS.2017.7991403
Cichowicz R., Dobrzański M. Modeling Pollutant Emissions: Influence of Two Heat and Power Plants on Urban Air Quality. Energies. 2021. Vol. 14. 5218. URL: http://dx.doi.org/10.3390/en14175218
Koval A., Irigoyen E., Koval T. A. R. Drone as a platform for measurements. In Proceedings of the 2017 IEEE 37th International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO), Kyiv, UKraine, 18–20 April 2017; pp. 424–427. URL: https://doi.org/10.1109/ELNANO.2017.7939812
Takei Y., Kanazawa Y., Hirasawa K., Nanto H. Development of 3D gas source localization using multi-copter with gas sensor array. In Proceedings of the 2019 IEEE International Symposium on Olfaction and Electronic Nose (ISOEN), Fukuoka, Japan, 26–29 May 2019; pp. 1–4. URL: https://doi.org/10.1109/ISOEN.2019.8823396
Burgués J., Hernández V., Lilienthal A. J., Marco S. Smelling Nano Aerial Vehicle for Gas Source Localization and Mapping. Sensors. 2019. Vol. 19. 478. URL: https://doi.org/10.3390/s19030478
Kaliszewski M., Włodarski M., Młyńczak J., Jankiewicz B., Auer L., Bartosewicz B., Liszewska M., Budner B., Szala M., Schneider B., Povoden G., Kopczyński K. The Multi-Gas Sensor for Remote UAV and UGV Missions–Development and Tests. Sensors. 2021. Vol. 21. 7608. URL: https://doi.org/10.3390/s21227608
DJI. M600 Specifications. URL: https://www.dji.com/uk/matrice600-pro/info#specs
Burgués J., Marco S. Environmental chemical sensing using small drones: A review. Sci. Total Environ. 2020. Vol. 748. 141172. URL: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.141172
Madokoro H., Kiguchi O., Nagayoshi T., Chiba T., Inoue M. Chiyonobu S., Nix S., Woo H., Sato K. Development of Drone-Mounted Multiple Sensing System with Advanced Mobility for In Situ Atmospheric Measurement: A Case Study Focusing on PM2.5 Local Distribution. Sensors. 2021. Vol. 21. 4881. URL: https://doi.org/10.3390/s21144881
Yang F., Xue X., Cai C., Sun Z., Zhou Q. Numerical Simulation and Analysis on Spray Drift Movement of Multirotor Plant Protection Unmanned Aerial Vehicle. Energies. 2018. Vol. 11. 2399. URL: https://doi.org/10.3390/en11092399
Wu Y., Qi L., Zhang H., Musiu E.M., Yang Z., Wang P. Design of UAV Downwash Airflow Field Detection System Based on Strain Effect Principle. Sensors 2019. Vol. 19. 2630. URL: https://doi.org/10.3390/s19112630
