СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ СИТУАЦИЙ НА ХИМИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ОБЪЕКТАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

MONITORING SYSTEM EXTREME SITUATIONS AT CHEMICALLY HAZARDOUS OBJECTS WITH THE USE OF UNMANNED AERIAL VEHICLES

Anton Khomyakov

graduate student of inter-regional public institution “Institute of Engineering Physics,

Russia, Serpukhov

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассмотрена концептуальная модель системы мониторинга экстремальных ситуаций на химически опасных объектах с использованием беспилотных летательных аппаратов и приведены основные принципы её построения

ABSTRACT

This article describes a conceptual model of the monitoring system of extreme situations on chemically hazardous objects using unmanned aerial vehicles and shows the basic principles of its construction

Ключевые слова: химически опасные объекты, беспилотные летательные аппараты, мониторинг экстремальных ситуаций.

Keywords: chemically dangerous objects, unmanned aerial vehicles, monitoring of extreme situations.

В настоящее время на территории Российской Федерации одним из основных источников загрязнения атмосферного воздуха являются предприятия химической промышленности, в частности предприятия нефтедобычи и нефтехимии.

Стационарные химико-технологические объекты и транспортные средства, перемещающие большие массы химически опасных грузов, характеризуются высоким уровнем химической (токсической) опасности и, следовательно, являются химически опасными объектами [4].

Химически опасным объектом является такой объект, при аварии на котором может произойти массовое отравление живых организмов окружающей природной среды химическими веществами в количествах, превышающих естественный уровень их содержания в среде [5]. Многие специалисты в области экотоксикологии в конце XX века подчёркивали, что из 12860 исследованных на тот момент химикатов при объеме их производства свыше 500 т/год для 78 % из них не имелось никакой информации, касающейся токсических свойств [3].

Исходя из этого, актуальной является задача реализации мониторинга экстремальных ситуаций (последствий аварии, катастрофы или иного бедствия) химически опасных объектов на основе динамического анализа параметров атмосферного воздуха. Один из основных элементов такого мониторинга – отбор проб.

Существующие системы контроля аварийных выбросов обеспечивают непрерывное измерение концентраций токсичных газов в воздухе, а также текущих значений метеопараметров на химически опасных объектах. Отбор проб атмосферного воздуха осуществляется на стационарных постах, укомплектованных необходимым оборудованием и автоматическими газоанализаторами (измерительными приборами для определения качественного и количественного состава смесей газов). Однако стационарность таких датчиков-анализаторов загазованности делает невозможной обеспечение такого контроля на всех участках объекта и окружающей его территории. Одним из вариантов мониторинга является инспекция объекта сотрудником технической службы, однако такой способ обладает рядом существенных недостатков, включая угрозу человеческому здоровью. Таким образом, существует проблема оперативного получения достаточной информации (исходных параметров выброса, данных о метеоусловиях и др.) о химической обстановке на производстве и прилегающих к нему территорий, необходимых и достаточных для принятия соответствующих ситуации мер.

Возможное решение данной проблемы, способное реализовать эффективный и непрерывный контроль над концентрацией вредных веществ в воздухе над всей территорией химически опасных объектов и прилегающих к ним территорий, – создание системы мониторинга экстремальных ситуаций на химически опасных объектах с использованием беспилотных летательных аппаратов.

Данное решение предполагает установку портативного многоканального газоанализатора на несколько автономных беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Автономность БПЛА обеспечивается бортовым комплексом интеллектуального управления движением и динамического измерения параметров атмосферного воздуха, результаты которого записываются в память параметров среды и отправляются на мобильный контрольный пункт, где осуществляется их интеллектуальный анализ в режиме реального времени.

Автономность является важной характеристикой такого робототехнического комплекса, так как она устраняет ряд недостатков дистанционного управления, в частности:

• недостаточную скорость мобильных дистанционно-управляемых роботов из-за ограниченных возможностей систем визуального контроля и управления;
• ограниченную территорию эксплуатации из-за ограниченной зоны радиообмена;
• вероятность потери связи с роботом при его попадании в зону неуверенного поведения и передачи сигнала;
• необходимость постоянного участия оператора в процессе управления.

Основной путь повышения автономности экстремальных РТК – их интеллектуализация – придание рассматриваемым техническим устройствам способности выполнять присущие живым существам те или иные интеллектуальные функции, связанные с самостоятельным принятием эффективных решений в условиях неопределенности и их реализацией (при наличии такой возможности и необходимости) в виде того или иного целесообразного поведения [4, с. 65].

Опираясь на данное направление и специфику проблемы мониторинга экстремальных ситуаций, можно сформировать основные принципы построения системы анализа атмосферного воздуха на химически опасных объектах с использованием БПЛА.

1. Использование нескольких исполнителей (БПЛА). Специфика мониторинга экстремальных ситуаций определяет ряд прикладных задач (необходимость минимальных затрат времени на сбор максимального количества данных, повышение надёжности выполнения поставленной задачи и др.), актуализирующих необходимость создания мультиагентной системы мониторинга. Такая система позволяет обеспечить выполнение сложной прикладной задачи (задача анализа экстремальной ситуации) усилиями отдельных исполнителей (БПЛА), координирующих свои действия.
2. Бортовой комплекс интеллектуального управления каждого БПЛА обеспечивает автономное выполнение полётного задания, производя корректировку маршрута в зависимости от изменений внешней среды и постановки цели. Автономность БПЛА как составляющих частей мультиагентной системы необходима для устранения приведенных недостатков дистанционного управления и организации эффективного распределения функций между оператором и системой мониторинга.
3. Бортовой комплекс интеллектуального управления каждого БПЛА обеспечивает представление динамики развития экстремальной ситуации и её последствий на основе методов построения временных рядов параметров динамических измерений.

Единственным и наиболее экономичным образом структура исследуемого объекта (экстремальной ситуации) в пространстве (времени) может быть представлена совокупностью своих производных, наличие информации о которых является обязательным условием для дальнейшего осуществления системой функции прогнозирования [2]. Следуя из этого, бортовая система интеллектуального управления БПЛА должна предоставить всю собранную информацию об экстремальной ситуации для дальнейшей обработки в виде производных.

На основе разработанных принципов построения на рисунке 1 представлена соответствующая схема, где МКП – мобильный контрольный пункт, БПЛА – беспилотный летательный аппарат; n – минимальное количество БПЛА, необходимое для решения поставленной задачи анализа.

Рисунок 1. Схема системы мониторинга экстремальных ситуаций на химически опасных объектах с использованием БПЛА

Мобильный контрольный пункт (располагающийся, например, на базе грузового автомобиля) предполагает наличие в своём составе комплекса аппаратных средств, обеспечивающих:

• организацию взаимодействия между БПЛА (анализ поставленной задачи и её декомпозиция на множество подзадач, организация целесообразного взаимодействия между отдельными БПЛА);
• интеллектуальный анализ полученных временных рядов параметров динамических измерений и осуществление функции прогнозирования;
• организацию человеко-машинного интерфейса, позволяющего выполнить постановку и оперативную корректировку задач мониторинга.

Список литературы:

1. Бугаков И.А., Царьков А.Н. Базовая универсальная технология интеллектуализации ВВСТ: концептуальные идеи // Известия института инженерной физики. 2015. № 2. С. 65–72.
2. Бугаков И.А. Основания динамических измерений параметров экстремальных воздействий // Сборник трудов «Материалы XX межведомственной НТК «Проблемы обеспечения эффективности и устойчивости функционирования сложных технических систем», часть 2». – Серпухов, 2001. – 308 с., С. 148–153.
3. Корте Ф. Экологическая химия. Основы и концепции. – М.: Мир, 1996. – 395 с.
4. Меньшиков В.В., Швыряев А.А. Опасные химические объекты и техногенный риск: учебное пособие. – М.: Изд-во Химия, фак. Моск. ун-та, 2003. – 254 с.
5. Методика прогнозирования масштабов заражения СДЯВ при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и на транспорте. РД 32.04.253 – 90. – М., 1990. – 27 с.