А.Л. Умнов (ННГУ), Д.А. Беспалов (ООО "Друг-М"), И.С. Волгин (ООО "Друг-М"), А. С. Тимукина (Технопарк “Саров”)

Труды XXVI Научной конференции по радиофизике, ННГУ, 2022

Пандемия COVID-19 сделала явными множество проблем существующей среды замкнутых помещений (квартир, офисов, торговых центров, ресторанов, отелей и т.п.), в которых люди проводят более 90 процентов времени обычно и часто до 100 процентов времени в условиях карантина.

Проблемы эти связаны с плохой (по факту) вентиляцией, приводящей к высоким уровням загрязнения воздуха вредными химическими веществами и патогенными микроорганизмами, с далеким от естественного (природного) интерьерным фоном, вызывающим депрессии, не распространенностью штатных средств автоматической дезинфекции воздуха и поверхностей, отсутствием объективных средств контроля за состоянием среды, а так же рядом других факторов.

Существующие на рынке многочисленные разрозненные климатические приборы (увлажнители воздуха, мойки и другие очистители воздуха, УФ рециркуляторы, кондиционеры и т.п.) дороги, не предназначены для согласованной работы в едином комплексе и не могут быть применены для массового быстрого внедрения в существующие замкнутые помещения с объективным контролем достигаемого результата, как по экономическим соображениям, так и потому, что на настоящий момент отсутствует программная среда, которая позволила бы человеку, не обладающему специальными знаниями, быстро интегрировать эти разнородные приборы в единый комплекс, решающий проблемы конкретного помещения с учетом специфики конкретной эпидемии и требований карантина.

Следует также подчеркнуть, что пандемия COVID-19 выдвинула много новых требований к поведению людей в закрытых помещениях и их личным качествам (соблюдение социальной дистанции, изоляция заболевших, необходимость усиленного соблюдения личной гигиены, психологическая устойчивость к длительному пребыванию в замкнутом пространстве с неизменным интерьером и т.п.).

Проект ЭДЕМ предлагает новый подход к проблемам замкнутых помещений, основанный на создании в этих помещениях управляемой биотехнической среды, которая становится возможной с использованием современных технологий, работающих в составе единого программно-аппаратного комплекса. Концепция программно-аппаратного комплекса ля решения задач подобных, рассматриваемым в настоящем докладе описана в [1].

В основу концепции комплекса положено несколько базовых идей:

1. Внутренняя среда помещений – это сложная биотехническая система, включающая микроорганизмы, высшие растения, животных, людей, системы обогрева, охлаждения и увлажнения воздуха, проветриватели, дезинфекторы и т.п.. Биотехнический характер этой системы особенно ярко проявляется в условиях эпидемий, поскольку важными становятся такие процессы, как перенос патогена, течение инфекционной болезни, влияние на тяжесть течения болезни как физико-химических, так и биологических компонентов биотехнической системы.

2. Физико-химические свойства среды существенным образом влияют на распространение патогена, поэтому они должны как мониторироваться, так и управляться техническими средствами

3. Управление внутренней средой посещений должно осуществляться в автоматическом режиме (с возможностью перехода в ручной режим) с помощью программно-аппаратных комплексов с учетом требований, находящихся в них людей, общих рекомендаций гигиенистов и эпидемиологов, а также с учетом текущей эпидемиологической обстановки.

4. Исходя из устойчивой мировой тенденций перехода к насыщенной растениям среде помещений, программно-аппаратный комплекс должен исходно включать растения, как существенную часть внутренней среды замкнутых помещений. При этом растения должны находиться под автоматическим (программируемым) уходом, осуществляемым техническими средствами.

5. Микробиота помещений (ее состав, численность и активность) также должны носить контролируемый и управляемый характер [2]. В качестве биологических агентов, управляемым образом воздействующих на микробиоту помещений можно использовать, например, пробиотики (такие, как сенная палочка), распыляемые в помещениях с помощью увлажнителей.

6. Биологические методы должны формировать базовый уровень свойств внутренней среды замкнутых помещений, технические средства, наряду с архитектурными решениями, должны обеспечивать работу биологических методов, осуществлять быструю подстройку внутренней среды под требуемые значения параметров, а также решать проблемы, которые невозможно решить чисто биологическими методами.

7. Поскольку передачи инфекции между людьми зависит от поведения людей, то и поведение людей в помещениях должно мониторироваться и в той или иной мере управляться. Мониторинг поведения людей в помещениях может быть основан, например, на системах видеоаналитики. Для управления поведением людей в помещениях могут использоваться световый барьеры, звуковые и визуальные динамически управляемые системы оповещений, системы замков с RFID идентификацией и динамически изменяющимися кодами доступа к ним и т.п.

8. Распространение эпидемий – это процесс, захватывающий большие массы людей на больших территориях, поэтому комплекс должен иметь, как минимум два уровня иерархии – уровень помещения, в котором непосредственно происходит заражение в результате контакта людей, и уровень социума, по которому распространяется эпидемия. В связи с этим средства мониторинга и управления также должны поддерживать оба уровня. Система должна иметь множество локальных серверов, управляющих внутренней средой локальных помещений и  центральный сервер, который собирает большие данные от локальных серверов (о состоянии внутренней среды помещений, погодных условиях, наличии больных и т.п.) и предоставляет инфраструктурные сервисы всем подключенным к нему объектам (контроль работоспособности оборудования, доставка расходных материалов, регламентное обслуживание и аварийный ремонт,  рекомендации по параметрам внутренней среды в условиях конкретной эпидемии и т.п.).

Для проверки идей, заложенных в концепцию системы ЭДЕМ, в Технопарке «Саров» в рамках проекта, поддержанного Научно-образовательным центром Нижегородской области в 2021 г. создана тестовая зона, охватывающая 12 офисных помещений и коридор одного из зданий Технопарка. На рис. 1 показано помещение с фитостенами системы ЭДЕМ.

Мониторинг окружающей среды в тестовой зоне осуществляется сенсорными блоками, измеряющими температуру, влажность и давление воздуха в нескольких точках каждого помещения, а также уровень углекислого газа и запыленность (число и разнообразие сенсорных блоков могут быть легко увеличены без перестройки системы).

Модификация параметров среды осуществляется распределенной сетью традиционных и ультразвуковых увлажнителей (которые наряду с увлажнением воздуха могут распылять пробиотики), системой клапанных проветривателей с рекуператорами, автоматизированными фитостенами, УФ-рециркуляторами и УФ-облучателями. Всего в помещениях тестовой зоны установлено более 80 устройств мониторинга и модификации параметров среды, соединенных с локальным сервером (блоком управления) с помощью WiFi-каналов связи. Локальный сервер через Интернет соединен с центральным сервером системы. Все устройства и сервера работают с использованием программного обеспечения платформы Alterozoom-IoT. Автоматическое управление поведением технических устройств осуществляется с помощью программы на визуальном языке программирования AzVL [3], настройка желаемых параметров микроклимата и их текущий контроль пользователями в каждом помещении – с помощью виртуальных приборных панелей (пример панели показан на рис.2).

Созданная тестовая зона системы ЭДЕМ продемонстрировала свою полную работоспособность и управляемость. В настоящее время тестовая зона работает в режиме накопления данных, необходимых для оптимизации ее аппаратных и программных решений, а также для разроботки для нее эффективных алгоритмов управления.

 Рис.1 Фитостены системы ЭДЕМ в переговорной комнате Технопарка “Саров”

Рис.2 Пользовательская виртуальная приборная панель системы ЭДЕМ одного из офисных помещений Технопарка “Саров”

Литература

1. А.Л. Умнов, А.В. Князев, Р.Д. Благин, Д.А.Беспалов, И.С. Волгин, Д. Говедарица, А.Е. Тараканова, Б. Янкович Распределенная сетевая система микрореакторов для умных городов Труды XXIV Научной конференции по радиофизике, ННГУ, 2020, с. 496-501.

2. 1. Horve, P. F. Building upon current knowledge and techniques of indoor microbiology to construct the next era of theory into microorganisms, health, and the built environment / P. F Horve, S. Lloyd, G.A. Mhuireach et al. // J Expo Sci Environ Epidemiol. - 2020. – V. 30, No. 2. – P. 219-235. DOI: 10.1038/s41370-019-0157-y.

3. Д. А. Беспалов, А. Л. Умнов Визуальный язык программирования AzVL для IoT подсистемы платформы Alterozoom, Труды XXV Научной конференции по радиофизике, ННГУ, 2021, c. 549-552.

4. Видеоматериалы и презентация о проекте ЭДЕМ в Технопарке «Саров» [Электронный ресурс] URL: https://ecoimpact-ple.com/en/documents/10215.html (дата обращения: 30.05.2022).