CC BY
11[10] Пластинин А.Е. Оценка механического воздействия на окружающую среду при взрывах на танкерах // Вестник государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова. - 2015. - № 1. - С.42-52.
[11] Пластинин А.Е. Оценка размера вреда, причинённого почве, при разливах нефти с судов // Вестник государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова. - 2015. - № 3. - С.74-83.
ASSESSMENT OF POLLUTION OF COASTAL LINE OF INLAND WATERWAYS AFTER THE OIL SPILLS
N. V. Byvsheva, V.S. Naumov
Keywords: oil spill, inland waterways, pollution, coastline, environmental components, the physico-chemical properties of the oil emergency management.
The article substantiates the problem of pollution of coastline of inland waterways from oil spills by the example of the Nizhniy Novgorod region. The estimation of the size of pollution of coastline in case of accidents on a water body, using simulation of a large number of oil spill scenarios .
Статья поступила в редакцию 10.04.2016 г.
УДК 551.46.086
С.Н. Гирин, к.т.н, профессор ФГБОУВО «ВГУВТ» В.И. Плющаев, д.т.н, профессор ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5 Е.Р. Штейн, к.т.н. ФНПЦ ОАО «НПП» Полет г. Нижний Новгород, Комсомольская пл., 1
АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ВОЛНОИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВНУТРЕННИХ ВОДНЫХ ПУТЕЙ
Ключевые слова: ветровое волнение, волноизмерительный буй, передача информации, автоматическая идентификационная система
Рассматривается проблема измерения высоты волны в заданной точке водного бассейна внутренних водных путей и передача полученной информации на удаленный диспетчерский пункт. Излагаются функциональные схемы волноизмерительного буя и берегового приемного устройства. В качестве средства передачи информации предлагается использовать каналы автоматической идентификационной системы, используемой на судах внутреннего плавания. Приводятся результаты натурных испытаний системы.
В соответствии с Правилами Российского Речного Регистра [1] внутренние водные бассейны РФ классифицированы по степени интенсивности возможных для них волновых режимов. Допуск судна для плавания в данном бассейне осуществляется, если класс судна, характеризующийся допустимой высотой волны определенной обеспеченности, равен или выше разряда бассейна. Однако иногда возникают ситуации, когда в бассейне имеет место волнение, интенсивность которого превышает режимное. В настоящее время прогноз высоты волнения осуществляет гидрометеоцентр на базе косвенных измерений силы и направления ветра. Точность таких прогнозов
невозможно оценить, поскольку в бассейнах практически отсутствуют инструментальные средства измерений высот волн. Ошибки в прогнозах в любую сторону нежелательны. При реальном превышении прогнозной волны возможно повреждение или даже гибель судна, а при завышении прогноза имеют место экономические потери судовладельцев от необоснованных простоев судов.
Повысить точность информации о состоянии водной поверхности бассейна и прогноз на ее изменение могут волноизмерительные устройства, которые устанавливаются в разных точках бассейнов вблизи судовых путей. Очевидно, что такие устройства должны быть в значительной мере автономными и осуществлять передачу данных на диспетчерские пункты по каналам связи.
К сожалению, в настоящее время в нашей стране не налажено серийное производство таких устройств. За рубежом рядом фирм выпускаются волноизмерительные буи, отвечающие перечисленным требованиям. К недостаткам этих буев можно отнести достаточно высокую стоимость их приобретения и эксплуатации. Практически все они передают информацию по спутниковым каналам связи, что также увеличивает эксплуатационные затраты.
В Волжском государственном университете водного транспорта выполнена работа по проектированию обсуждаемого устройства, изготовлен опытный образец и произведены его модельные и натурные испытания.
В настоящее время в рамках работ «АИС на ВВП» в Российской Федерации заканчивается оснащение внутренних водных путей береговыми базовыми станциями -автоматическими идентификационными системами (АИС), которое приведет к формированию единого поля АИС на ЕГС ВВП и позволит решить задачу создания системы мониторинга судов на ВВП. Диспетчерские пункты, оснащенные АИС, будут иметь возможность создавать единую базу данных по статической, динамической и рейсовой информации, автоматически передаваемой АИСами судов (ММБ1 номер судна, название судна, навигационный статус судна, скорость и направление поворота судна, скорость относительно грунта, путевой угол, истинный курс, время ЦГС, тип груза, размер судна, время прибытия, осадка судна и пр.), со всех находящихся в зоне действия станций судов.
В рамки созданной системы мониторинга органически вписывается канал для передачи информации с волномерных буев, оснащенных АИС.
В настоящей работе решается задача создания канала передачи информации в направлении волномерный буй - диспетчерский пункт в составе внедряемой на ВВП единой информационной системы АИС без затрат на поддержание дополнительных каналов связи для передачи этой информации.
Волномерный буй предназначен для контроля параметров волнения в заданной точке водного бассейна и передачи измеренных параметров на береговой диспетчерский пункт.
Структура организации связи с использованием АИС представлена на рисунке 1.
На рисунке 2 показана функциональная схема составляющих элементов буя.
Вычислитель обеспечивает следующие функции:
- измерение параметров волнения;
- архивирование информации;
- формирование управляющей посылки с параметрами волнения для АИС.
Транспондер АИС по полученной от вычислительного блока управляющей посылке формирует сообщение № 12 с информацией о параметрах волнения. Транспондер также формирует стандартное сообщение № 3, содержащее информацию об MMSI номере буя, координатах буя, скорости буя относительно грунта, времени ЦГС, флаге ЯА1М и др.
АИС (класс А) предназначена для использования на морских и речных судах в качестве навигационного оборудования.
Сообщение №3
Дополнительное сообщение №12
| буя,
навигационный I статус, координаты, характеристика | точности местоопределения, время иТС, флаг RAIM идр.
параметры волномерного буя
БЕСПЛАТНО
Рис. 1
Рис. 2. Функциональная схема составляющих элементов буя Функциональная схема вычислителя показана на рисунке 3.
Рис. 3. Функциональная схема вычислителя
Номинальное напряжение питания модуля 24 В. Допустимое напряжение питания 18-36 В. Вторичный источник питания является распределенным и построен на базе модуля THD 12-2411 (ф. Traco Power) и нескольких линейных стабилизаторов напряжения с выходным напряжением +3.3 В.
Измерительным датчиком является модуль ADIS16448 (ф. Analog Devices). Основными измеряемыми параметрами являются угловые скорости вокруг 3-х осей подвижной системы и линейных ускорений вдоль тех же 3-х осей. С вычислительной системой датчик взаимодействует по интерфейсу SPI и по нескольким TTL линиям.
Модуль вычислителя построен на базе 4-х микроконтроллеров типа ATxmega128A3 (ф. Atmel). Первый контроллер осуществляет сопряжение с измерительным датчиком и управление его работой. Также первый контроллер осуществляет предварительную фильтрацию сигналов, децимацию до 8 отсчетов в секунду и передачу обработанных данных в другие микроконтроллеры для дальнейшей обработки.
Второй микроконтроллер обрабатывает децимированные отсчеты с помощью математики кватернионов, оценивая вращения и перемещения системы в трехмерной неподвижной системе координат. Также на данном микроконтроллере производится статистическая обработка регистрируемого волнового процесса. Полученные данные через первый контроллер передаются на третий, а через него и на четвертый контроллер.
Третий контроллер осуществляет взаимодействие первого с четвертым микроконтроллером, а также взаимодействие модуля вычислителя и гироскопа с внешними устройствами. Типовыми внешними устройствами являются модуль АИС и персональный компьютер. С модулем АИС взаимодействие происходит через стык RS485/RS422. Вычислитель через этот стык периодически выдает оцененные статистические параметры волнения, а от модуля АИС принимает отсчеты времени и внешние команды управления (опционально). Взаимодействие с компьютером осуществляется по стыку RS232 и используется в технологических целях.
На четвертом контроллере выполнена система архивации данных. Децимирован-ные данные, оценки вращений и перемещений, статистические оценки, а также данные передаваемые на модуль АИС и принимаемые с модуля АИС сохраняются на подключаемой microSD флэш-карте. Каждые 2 секунды на карту сохраняется 512 байт информации. Используемая в опытном образце карта памяти объемом 32 ГБайта может хранить данные почти за 4 года наблюдений.
После изготовления блока вычислителя точность его показаний была проверена на специальном лабораторном стенде. Стенд представляет из себя вращающуюся с постоянной скоростью штангу, на которую привешивался корпус блока с установленными в нем платами. Питание осуществлялось от батареек. Расстояние от оси вращения штанги до оси подвеса корпуса измерялось с помощью рулетки. Точность измерения составляет ± 1,0 мм. В опыте это расстояние составляло 1,000 м.
В процессе вращения ордината точки подвеса изменяется по синусоидальному закону с амплитудой 1,000 м и размахом 2,000 м. На временной записи, фиксируемой измерительным блоком, должна присутствовать синусоида с постоянным периодом и амплитудой. В результате испытаний получено значение высоты 3% обеспеченности hз% = 1.97 м. Погрешность измерения составляет 1.5%, что соответствует погрешности гироскопа, заявленной производителем.
На рисунке 4 изображена схема берегового комплекса приема и архивирования информации (БК ПАИ).
БК ПАИ предназначен для приема информации от волномерного буя, ее визуализации и архивирования. Дальность приема зависит от высоты расположения приемной антенны БП ПАИ и передающей антенны волномерного буя, состояния среды распространения радиоволн, встречающихся на пути преград и т.д. и примерно равна 15-20 морским милям, без учета внешнего воздействия факторов, отличных от обычных условий эксплуатации радиоустановки.
БК ПАИ включает в свой состав:
- транспондер АИС Транзас Т105В класса В;
- преобразователь интерфейсов АБАМ-4520;
- персональный компьютер со специальным программным обеспечением.
Рис. 4. Схема берегового комплекса приема и архивирования информации
Транспондер обеспечивает прием по радиоканалам АИС навигационной информации (координат волномерного буя), а также текстовых сообщений, в которых зашифрована информация о параметрах волнения.
Преобразователь интерфейсов предназначен для сопряжения транспондера АИС (выходной порт КБ-485) с персональным компьютером (порт RS-232).
Персональный компьютер оснащен специализированной программой <^о1потег». Программа запускается либо через меню программ, либо двойным кликом мыши на
иконке программы, расположенной на рабочем столе персонального компьютера. Интерфейс программы представлен на рисунке 5.
Рис. 5.
В верхней части окна расположено поле «Время записи» (1), в котором фиксируется момент последней записи данных в файл на жесткий диск, а также поля для отображения координат волномерного буя «Широта» и «Долгота» (2). Зеленые индикаторы около указанных полей загораются при обновлении данных.
В средней части окна отображаются полученные данные с волномерного буя. В поле «Высота волны» (3) выдается информация о высоте волны 3% обеспеченности (в метрах), два соседних поля (4) зарезервированы для дальнейшего развития системы. Для оперативного просмотра полученных данных можно воспользоваться полосой прокрутки (5). Прием новых данных сопровождается миганием зеленого индикатора «Данные Прием» (6). Время приема последней посылки сот волномерного буя фиксируется в поле (7) «Время приема».
В центре окна на экране осциллографа (8) наглядно отображается зависимость высоты волны от времени. Шкала времени настраиваемая (на рисунке длина шкалы составляет 72 часа). Архивирование информации производится автоматически или нажатием кнопки «Запись» (9).
В нижней части экрана расположена служебная диагностическая информация.
Натурные испытания выполнялись 11-17 ноября 2014 г на Горьковском водохранилище в районе города Юрьевца. На рисунке 6 показаны фотографии момента спуска буя и нахождение его на воде в рабочем состоянии.
Рис. 6.
Буй находился в автономном плавании около 10 часов. На рисунке 7 показана запись процесса волнения, зафиксированная в памяти буя.
После спуска буя процесс волнения контролировался также с помощью мобильного буя «Волга», который был спроектирован и изготовлен ранее на кафедре теории конструирования инженерных сооружений ВГУВТ (ТКИС). Буй «Волга» основан на иной элементной базе и предназначен для измерения параметров волнения в процессе мореходных испытаний судов. Буй обладает высокой точностью измерения, что было подтверждено испытаниями в опытовом бассейне университета.
Время, мин
Рис. 7.
На рисунке 8 показана запись волнения, полученная с помощью буя «Волга», а на рисунке 9 - запись за тот же, примерно, промежуток времени, полученная с помощью описываемого здесь буя (ВУ). Как видно, высоты волн 3% обеспеченности, измеренными обоими буями, практически совпадают. Вместе с тем, отличаются средние периоды волнения. Стоит отметить, что вычисление среднего периода при проектировании ВУ не было запланировано. Вычисление производится с помощью программы обработки записей, которая ранее была разработана на кафедре ТКИС.
Для выяснения причин расхождения результатов по средним периодам необходимо рассмотреть спектры записей рисунков 8 и 9, которые изображены на рисунках 10 и 11 соответственно. Спектр рисунка 11 отличается от спектра рисунка 10 тем, что на нем имеется небольшой горб в районе частоты 0,9 Гц. Причиной появления этого горба является инерционность ВУ, которая значительно выше, чем у буя «Волга».
Рис. 8.
Рис. 9.
Рис. 10.
Мл2/Гц
е .045 0 .040 О .635 0 .030 0 .025 0 .020 0 .015 0 .010 0 .005
Энергетнчес О .500 1.000 1.500 2.000 2.49Е Гц 0: 26 01 .( »1 .02
Имя файла: Град, коэфф Т ср . h39s: | i5u8z | | 0.0010 | 4.21 сек О .32 м Нас т о т а: О.000 Г ц Ордината: 0.000 Мл2/Гц Время намерения: 15 мин. Пределы графика: | 0.050 | | в.0ОО |
F2Mhh файла ЕЗПределы F4Ko3<w> . ЕбГрафмк Г7Та6лица ЕВОкно ЕЭРежимы ПСВыход
Рис. 11.
Следует отметить, что нет однозначного мнения о том, как следует вычислять средний период стохастического процесса. Часто средний период определяют по частоте максимума спектра. Если вычислять средний период таким образом, то в соответствии с рисунками 12 и 13 имеем значения 2,65 с и 2,62 с, измеренные буем «Волга» и ВР соответственно.
Рис. 12.
Рис. 13.
Рисунок 11 показывает, что влияние инерционности буя ВУ приводит к незначительной погрешности измерения высоты волны даже на небольшом волнении. Очевидно, что с увеличением интенсивности волнения влияние инерционности буя должно уменьшаться. Это подтверждают рисунки 14 и 15, отражающие запись более интенсивного волнения второго участка рисунка 7. Сопоставление рисунков 11 и 15 показывает, что с ростом интенсивности волнения относительна площадь низкочастотного горба спектра уменьшается.
Рис. 14.
Рис. 15.
Выше при описании берегового комплекса приема и архивирования информации отмечалось, что на экране компьютера высвечивается информация об изменении высоты волны 3% обеспеченности за последние 72 часа. На рисунке 16 представлен снимок с экрана компьютера за время эксперимента, а на рисунке 17 показана аналогичная кривая, построенная с помощью программы «read_sd512.m» по результатам анализа записи, хранящейся в памяти буя. Как видно, результаты совпадают.
Ерем», ч
Рис. 16.
<500
О---1---1-
О 1000 2000 3000 4000 5000 ¿ООО 7000
Время, мин
Рис. 17.
Масса обсуждаемого буя составляет около 200 кг. Он находится в заякоренном состоянии. Ожидалось, что на сравнительно небольшом волнении этот буй даст заниженное значение высоты волны. Тем не менее, сравнение результатов, представленных на рисунках 8 и 9, показывает, что расхождение показаний составляет всего 3 см.
Следует отметить, что выполненная работа является продолжением цикла работ авторов по проектированию средств измерения параметров волнения [2-4].
Список литературы:
[1] Российский Речной Регистр. Правила (в 4-х томах). - М.: Изд-во ОАО «Типография «Новости», 2008.
[2] О выборе бинарного сообщения АИС для передачи технологической информации в системах мониторинга / Д.А. Борисов, В.И. Плющаев // 12-й Международный научно-промышленный форум «Великие реки-2010». [Текст]: труды конгресса. В 2 т. Т. 2. - Нижегород. гос. ар-хит.-строит. ун-т; отв. ред. Е.В. Копосов - Н. Новгород: ННГАСУ, 2011. - С. 153-155.
[3] Гирин С.Н., Зябко Н.Г., Штейн Е.Р. Натурные испытания опытного образца судового аппаратно-программного комплекса для определения параметров волнения бесконтактным способом // Тезисы докладов конференции по строительной механике корабля, посвященной памяти профессора П.Ф. Папковича 17-18 декабря 2012 г. - СПб: Изд-во ФГУП «Крыловский государственный научный центр», 2012 - С. 61-63.
[4] Гирин С.Н., Зябко Н.Г., Штейн Е.Р. Комплексная автоматизированная система регистрации параметров поведения корпуса судна на волнении // Современные технологии автоматизации. -М.: Изд-во «СТА-ПРЕСС». - № 3. - 2012. - С. 74-83.
AUTOMATED WAVE MEASURING DEVICE FOR INLAND WATERWAYS
S.N. Girin, V.I. Pluschaev, E.R. Shtein
Keywords: wind waves, wave measuring buoy, communication, automatic identification system
The problem of determination of height of a wave in the set point of the water basin of internal waterways and transfer of the obtained information to a remote control office is considered. Function charts of a wave-measuring buoy and coastal intake are stated. As a transmission medium of information it is offered to use channels of the automatic identification system used on inland vessels. Results of natural tests of system are given.
Статья поступила в редакцию 12.04.2016 г.
УДК 533.692.6
Е.М. Грамузов, доктор технических наук, профессор, НГТУ им. Р.Е. Алексеева А.В. Февральских, аспирант НГТУ им. Р.Е. Алексеева 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24
АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ ПРОФИЛЬ НЕСУЩЕГО КРЫЛА ДЛЯ СКОРОСТНЫХ ЭКРАННЫХ СУДОВ С КОРМОВЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ ЦЕНТРА МАСС
Ключевые слова: скоростное экранное судно, аэродинамический профиль, технология CFD.
С использованием технологий CFD (computational fluid dynamic) сформированы семейства профилей для несущих крыльев экранных аппаратов с относительно кормовым расположением центра масс. Сформированные семейства профилей характеризуются более кормовым расположением фокуса по высоте в сравнении с профилями типа CLARK, используемых на экранопланах с относительно носовой центровкой. Использование разработанных профилей в аэрогидродинамических компоновках скоростных экранных судов с относительно кормовой центровкой дает возможность рационально обеспечить продольную устойчивость.
1. Физическая постановка задачи
Продольная устойчивость движения скоростных судов, использующих эффект экрана на основном крейсерском режиме движения (экранопланов, амфибийных судов на воздушной подушке с аэродинамической разгрузкой - АСВП с АР и др.) обеспечивается взаимным расположением центра масс, аэродинамических фокусов по углу атаки и по высоте. Известно условие статической продольной устойчивости [1]:
XFa~ XPh > 0 (1)
xPa - xT > 0, (2)
где xPa - безразмерная координата фокуса по углу атаки; xPh - безразмерная координата фокуса по высоте;
