CC BY
10
УДК 621.396
В.И.ЕЛФИМОВ, А.А.КАЛМЫКОВ, С.В.ПОРШНЕВ, Т.Э.ЯКУПОВ
Уральский государственный технический университет - УПИ,
г.Екатеринбург
РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ СИСТЕМЫ ОПЕРАТИВНОГО МОНИТОРИНГА ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ И ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
Обсуждены вопросы, связанные с разработкой комплексированных методов оперативного мониторинга водных объектов и гидротехнических сооружений в целях контроля и прогнозирования их состояния.
The problems of composite methods for an effective monitoring of the aquatic and hydrotechnic objects are discussed. An effective monitoring devoted to check and forecast their condition.
В настоящее время на территории Российской Федерации эксплуатируется несколько десятков тысяч гидротехнических сооружений (ГТС) различного класса и назначения. Значительная их часть находится в неработоспособном, предаварийном и аварийном состоянии, что делает их объектами повышенной опасности. Существует явная нехватка контрольно-измерительной аппаратуры на сооружениях, а имеющаяся во многих случаях морально и физически устарела. Такое положение значительно затрудняет проведение мониторинга ГТС и прогнозирование их состояния в будущем.
В настоящее время, по данным Госгор-технадзора РФ, эксплуатируются 180 хвосто-и шламохранилищ, содержащих около 2,0 млрд м3 хвостов и более 1,5 млрд м3 воды при общем объеме накопителей более 4 млрд м3; более 180 накопителей отходов в других областях промышленности. Значительное количество опасных жидких отходов сосредоточено в накопителях предприятий химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленно-стях. Эти ГТС представляют потенциальную опасность для людей и окружающей среды особенно в период паводков и половодий. К этому добавим многочисленные транспортные коридоры, расположенные на территории водных объектов (ВО). Водные переходы нефте- и газопроводов, перевозка нефтепродуктов и опасных гру-108 _
зов плавсредствами вызывают неизбежное загрязнение ВО за счет размывов, оголения участков трубопроводов. Образование провисающих участков ведет к значительным механическим нагрузкам, деформации и разрушению труб.
В сложившейся ситуации требуется незамедлительное оснащение ВО и ГТС дополнительными техническими средствами наблюдения, сбора, обработки информации на современном техническом уровне, передачи, анализа и накопления информации о состоянии водных объектов, а также охраны и защиты сооружений. Подобные системы являются составной частью мониторинга водопользования.
Система измерений и наблюдений должна охватывать не только гидро- и биосферу в их широком понимании, но и также верхние горизонты литосферы, представляющие собой геологическую основу для формирования подводных ландшафтов, а также среду для накопления большей части загрязнителей.
Для успешно решения поставленной задачи необходимо следующее:
• контроль за состоянием водо-, шламо-и хвостохранилищ (измерение глубин и донных отложений);
• проведение топогеодезических измерений гидротехнических сооружений, дамб, плотин, береговой линии и т.д.;
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.158
• измерение устойчивости откосов, берегов и т.д.;
• контроль процессов переработки берегов водохранилищ;
• определение структуры донных образований и оценка электрофизических свойств грунтов и подстилающей среды дистанционным способом;
• обнаружение и изучение карстовых явлений, плавунов, зон вечной мерзлоты;
• контроль за состоянием водных переходов нефте- и газопроводами;
• наблюдение за проведением подводных работ;
• картирование погребенных долин;
• поиск полезных ископаемых, находящихся в россыпях и пригодных для добычи открытым способом.
Далее необходимо поставить и решить следующие теоретические и экспериментальные задачи:
• разработать алгоритмы и системы корреляционной обработки обнаружения и измерения скорости ветра в канале радиоакустического зондирования;
• предложить адаптивные алгоритмы и системы формирования в пространстве электромагнитных и акустических полей с характеристиками, обеспечивающими максимальный эффект взаимодействия в заданном объеме;
• исследовать способы повышения потенциала радиолокационного канала за счет когерентной обработки сигнала на всех этапах его обработки при максимальном времени присутствия сигнала в канале обработки и переходе к использованию сигналов с достаточным разрешением по дальности как в радиолокационном, так и в акустических каналах;
• разработать алгоритмы восстановления профилей информационных параметров в пространстве, позволяющие обеспечить необходимое качество выходной информации, обеспечить построение трехмерных изображений контролируемых объектов с выявлением тенденций по их изменению и прогнозу опасных явлений.
Поставленные задачи относятся к следующим приоритетным направлениям развития науки и техники и критических технологий федерального управления: информационно-телекоммуникационные технологии и электроника (высокопроизводительные вычислительные системы, компьютерное моделирование, информационно-телекоммуникационные системы, опто-, радио-и акустоэлектроника, СВЧ-связь), экология и рациональное природопользование (мониторинг окружающей среды).
В ходе решения поставленных задач были получены следующие научно-технические результаты:
1. Проведен анализ состояния данной проблемы в настоящее время в России и за рубежом, сформулированы основные задачи оперативного мониторинга ВО и ГТС и пути его совершенствования и развития, рассмотрены методологические проблемы построения перспективной комплексной системы оперативного мониторинга ВО и ГТС на основе многоступенчатой системы дистанционного зондирования.
2. Разработана структура многоступенчатой комплексной системы оперативного мониторинга ВО и ГТС, оптимизированы параметры акустического и электромагнитного каналов комплекса и сформулированы задачи, стоящие перед комплексной системой.
3. Проведены экспериментальные исследования локационных датчиков, основанные на взаимодействии полей различной физической природы [7].
4. Построена модель формирования электромагнитного поля рассеивания от распространяющего акустического импульса подсветки на параметры рассеянного поля в точке приема и проведено имитационное моделирование влияния параметров акустического поля подсветки на параметры рассеянного поля в точке приема [5, 9].
5. Методом имитационного моделирования исследовано влияние параметров акустического поля подсветки на параметры рассеянного поля в точке приема, а также влияние параметров турбулентности атмосферы на энергетические и неэнергетиче-
_ 109
Санкт-Петербург. 2004
ские характеристики рассеянного электромагнитного поля.
6. Определены задачи, стоящие перед модулем первичной обработки отраженных сигналов. Разработаны структуры приемных устройств и модулей первичной обработки сигналов акустических и электромагнитных каналов комплекса [5, 7, 9].
7. Составлены алгоритмы предварительной обработки отраженных сигналов, заключающиеся в формировании сигналов комплексной огибающей из действительного полосового сигнала с помощью квадратурных преобразователей [1].
8. Предложены перспективные алгоритмы обработки данных, основанные на доплеровских и корреляционных методах измерений, методах цифровой обработки изображений, нелинейного спектрального анализа [2, 3].
Проблема обеспечения безопасности водных объектов и гидротехнических сооружений - комплексная. Она является неотъемлемой и одной из наиболее важных составляющих ведения водного хозяйства страны. Для ее решения необходимо задействовать органы государственной власти, местного самоуправления и собственников сооружений.
Полученные результаты были реализованы в виде следующей научно-технической продукции: моделей для исследования влияния параметров акустического поля подсветки на параметры рассеянного поля; структур приемных устройств и модулей первичной обработки сигналов комплекса; алгоритмов предварительной обработки отраженных сигналов; методов корреляционной обработки сигналов с четырехэлемент-ной приемной антенной решетки; алгорит-
мов формирования радиолокационного и акустического зондирующего сигналов. Материалы исследований использованы в ряде учебников и учебных пособий [4, 6, 8].
ЛИТЕРАТУРА
1. Алгоритмы повышения точности и пространственной разрешающей способности в локационных системах экологического мониторинга / Н.С.Устыленко, В.Ф.Кочкина, А.А.Калмыков, В.И.Елфимов // Междунар. науч.-пром. форум «Приборостроение-2003» / НП «Приборостроение». Екатеринбург, 2003.
2. Гадзиковский В.И. Нелинейная радиолокация / В.И.Гадзиковский, А.А.Калмыков // Новые методы передачи и обработки информации: Сб. результатов научных исследований сотрудников радиотехнического факультета / УГТУ-УПИ. Екатеринбург, 2003.
3. Измерение скорости изменения частоты действительного сигнала /А.А.Калмыков, Н.П.Никитин, В.И.Лузин, В.А.Кочетов // Практика приборостроения. 2003. № 2.
4. Калмыков А.А. Обработка авторегрессионных сигналов: Учеб. пособие / А.А.Калмыков, Н.П.Никитин; УГТУ-УПИ. Екатеринбург, 2002.
5. Калмыков А.А. Акусто-радиолокационные системы дистанционного зондирования в решении задач экологического мониторинга и звуковой дальнометрии / А.А.Калмыков, Т.Э.Якупов // Практика приборостроения. 2003. № 1.
6. Поршнев С.В. Применение непрерывного вэйвлет-преобразования для обработки широкополосных частотно-модулированных сигналов // Вычислительные методы и программирование. М.: Изд-во МГУ, 2003. Т.4. Вып.1.
7. Селиванов Д.Ю. Создание комплекса РАЗ атмосферы / Д.Ю.Селиванов, А.А.Калмыков // Междунар. науч.-пром. форум «Приборостроение-2003» / НП «Приборостроение». Екатеринбург, 2003.
8. Серегин Н.И. Оценивание в экспериментальных исследованиях и моделировании: Учеб. пособие / Н.И.Серегин, А.А.Калмыков, В.И.Гадзиковский; УГТУ-УПИ. Екатеринбург, 2003.
9. Якупов Т.Э. Практическое применение радиоакустической локации для измерения дальности, расстояний и геометрических параметров объектов / Т.Э.Якупов, А.А.Калмыков // Междунар. науч.-пром. форум «Приборостроение-2003» / НП «Приборостроение». Екатеринбург, 2003.
110 _
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.158
