Способ определения класса устойчивости атмосферы по измерениям метеорологических параметров беспилотным летательным аппаратом
METHOD FOR DETERMINING THE STABILITY CLASS OF THE ATMOSPHERE BY MEASURING METEOROLOGICAL PARAMETERS BY AN UNMANNED AERIAL VEHICLE

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для повышения точности прогноза загрязнения окружающей среды вредными примесями от аварийных источников, удаленных от оборудованных метеорологических площадок.
Уровень техники.
Порядок определения класса устойчивости атмосферы по Пасквиллу установлен РД 52.18.717-2009 [1]. Данные о метеорологических параметрах, необходимые для установления класса устойчивости атмосферы, запрашиваются с ближайшей метеорологической площадки. Класс устойчивости атмосферы определяют табличным методом [1].
В современное техническое оснащение мобильных комплексов аварийно-спасательных формирований различных ведомств Российской Федерации входят автомобильные автоматизированные средства контроля за метеорологической обстановкой, беспилотные летательные аппараты (БЛА) различных классов и типов взлета, аппаратно-вычислительные комплексы.
Аналоги.
Известны способы определения класса устойчивости атмосферы по Пасквиллу по параметру устойчивости, учитывающему градиент температуры по измерениям на высотах 1 и 4 м и скорости ветра, измеренной на высоте 2 м [2]. Недостатком способа является то, что для проведения измерений необходима оборудованная метеорологическая площадка, поскольку на характеристики ветрового потока в приземном слое атмосферы оказывают влияние рельеф местности и подстилающая поверхность [3].
Известен способ определения класса устойчивости атмосферы по Пасквиллу по дисперсии флуктуации направления ветра, измеренной на высоте выброса примесей [2]. Недостатком способа является необходимость установки высотной метеорологической мачты в районе аварийного выброса примесей.
Известна автоматизированная система определения класса устойчивости атмосферы при чрезвычайных ситуациях, связанных с химически опасными грузами, и включенная в блок анализа и прогнозирования метеорологической обстановки «Автоматизированной информационной системы поддержки управленческих решений в условиях чрезвычайной ситуации на железнодорожном транспорте» (Патент РФ на полезную модель 147524, 10.11.2014, G06F 15/18, G06Q 10/06). Автоматизированная система получает информацию от метеостанций, расположенных на объектах железнодорожного транспорта и прилегающих территориях. При этом информационный вход блока анализа и прогнозирования метеорологической обстановки соединен с информационным блоком общения входного, по которому обеспечивается получение информации о погодных условиях от подключенных к блоку общения метеостанций. Блок содержит аппаратно реализованную искусственную нейронную сеть (ИНС), которая, получая вектор признаков фактической погоды, приводит его к стандартному виду и размерности G=[скорость ветра, уровень облачности, время суток, снежный покров]. Обученная ИНС, находящаяся в блоке анализа и прогнозирования метеорологической обстановки, классифицирует состояние погоды путем отнесения его к одному из шести возможных классов устойчивости атмосферы по Пасквиллу {А, В, С, D, Е, F}. В качестве ИНС может быть выбрана нейронная сеть типа «многослойный персептрон». Алгоритм обучения ИНС для определения класса устойчивости атмосферы по Пасквиллу описан автором полезной модели в [4]. В другой возможной реализации блока анализа и прогнозирования метеорологической обстановки может использоваться логика, позволяющая получить результат, путем обработки параметров фактической погоды с помощью набора правил следующего вида: если < скорость ветра = от 3 до 5 м/с, уровень облачности =5 октантов, время суток = день, снежный покров = есть>, то класс устойчивости атмосферы =C> и т.д.
Недостатком системы является то, что для автоматизированного определения класса устойчивости атмосферы по Пасквиллу необходимы налаженные автоматизированные информационные связи системы поддержки принятия решений с метеорологическими станциями (постами), а также необходимость предварительного обучения системы с привлечением экспертов.
Известны способы применения БЛА в качестве метеорологических зондов (Патент РФ 2600519, 20.10.2016, G01W 1/00, Патент РФ 2650094, 06.04.2018, G0W 1/08, G01P 5/00, Патент РФ 2632270, 03.10.2017, G0W 1/08, G01P 5/00), заключающиеся в том, что используют БЛА мультироторного типа, способный зависать в заданной точке пространства. В указанных способах решая обратную геодезическую задачу, рассчитывают усредненные значения горизонтальной и вертикальной составляющих скорости ветра и его направления на высоте полета БЛА, а также проводят измерения метеорологических параметров на высоте полета датчиками, установленными на БЛА. Указанные способы применимы для проведения метеорологических измерений в свободной атмосфере.
Прототип.
Известен способ определения класса устойчивости атмосферы по Пасквиллу по параметру устойчивости, равному отношению градиентов скорости ветра на высотах 10 и 100 м и температуры воздуха на высотах 2 и 100 м [5]
1
2
где Т, Т - температура, измеренная соответственно на уровнях 2 и 100 м, °С;
1
2
u, u - скорость ветра, измеренная соответственно на уровнях 10 и 100 м, м/с.
По результатам опытов, проведенных в Институте экспериментальной метеорологии (ИЭМ), получены следующие соответствия параметра а классам устойчивости атмосферы по Пасквиллу [5]:
25
ψ
Известен способ определения класса устойчивости атмосферы по Пасквиллу по измерению скорости ветра v и размаха колебаний направления ветра Р на высотной метеорологической мачте на высоте 25 м [5]. По результатам опытов, проведенных в ИЭМ, получены следующие соответствия параметров ветрового потока на высоте 25 м классам устойчивости атмосферы по Пасквиллу [5]:
Недостатком способов является то, что реализовать их можно при наличии метеорологической мачты высотой до 100 м и оборудованной метеорологической площадки.
Рассмотренные способы не применимы для оперативного определения класса устойчивости атмосферы по Пасквиллу в районе аварии в случае отсутствия оборудованных метеорологических площадок. Кроме того, данные стационарных метеорологических станций (постов) вследствие их удаленности от места аварии могут не соответствовать метеорологическим условиям в районе развития аварийной ситуации.
Цель изобретения - оперативное автоматизированное определение класса устойчивости атмосферы по Пасквиллу в условиях удаленности места аварии от оборудованных метеорологических площадок.
Технический результат предлагаемого способа заключается в расширении области использования БЛА и повышении точности и оперативности прогноза загрязнения окружающей среды вредными примесями от аварийных источников, удаленных от оборудованных метеорологических площадок.
Способ достижения технического результата.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе на минимальном безопасном расстоянии от эпицентра аварии одновременно проводят измерения скорости ветра, направления ветра и температуры воздуха высотные - средствами БЛА и приземные - средствами мобильного метеорологического комплекта, затем класс устойчивости атмосферы определяют по множеству логических правил программными средствами наземного вычислительного комплекса.
Сущность изобретения.
Измерения скорости ветра и температуры воздуха на высотах более 20 м менее требовательны к точности, чувствительности и расположению аппаратуры, поэтому эти величины устойчивы по отношению к кратковременным и случайным изменениям [5]. Для проведения высотных измерений в качестве метеорологического зонда используют БЛА. Приземные измерения в полевых условиях осуществляют метеорологическим комплектом из состава мобильных комплексов аварийно-спасательных формирований.
а
Параметр а является случайной величиной и имеет погрешность, связанную с погрешностями измерений скорости ветра и температуры воздуха, которые в свою очередь складываются из инструментальных и методических погрешностей измерений. Относительная погрешность δ параметра а, рассчитанного по измерениям средствами БЛА и автоматического метеорологического комплекта по (1), оценивается по формуле [6]
где Δ - знак абсолютной погрешности.
Из (4) следует, что чем толще слой, в котором проводятся измерения, и чем больше градиент метеорологического параметра, тем менее чувствительна зависимость параметра а от погрешностей измерения.
Соответствие параметра а классам устойчивости атмосферы по Пасквиллу согласно условиям (2) неоднозначное в интервале 0.6≤а≤1 и на границах интервалов. Для уточнения класса устойчивости атмосферы по Пасквиллу проводят измерения скорости ветра и колебаний направления ветра ψ средствами БЛА на высоте 25 м.
ψ
На основе анализа условий (2) и (3) в таблице 1 определены условия, уточняющие класс устойчивости атмосферы по Пасквиллу по измерениям скорости ветра v и размаха колебаний направления ветра P на высоте 25 м для значений параметра а, для которых нельзя сделать однозначный вывод о классе устойчивости атмосферы по Пасквиллу.
ψ
ψ
ψ
Величина Р имеет абсолютную погрешность, равную 2Δ, где Δ абсолютная ошибка определения направления ветра.
Известно, что препятствия на местности с наветренной стороны от места установки датчика приводят к искажению измеряемого профиля ветра [3]. При выборе места для проведения измерений следует выбирать участок местности с наветренной стороны относительно района нахождения аварийного источника вредных выбросов, такой, чтобы в зоне, воздействующей на ветер на высоте измерения, было минимальное количество скачков шероховатости поверхности или участок местности был типичным для района аварии. В полевых условиях в целях оперативности при выборе места установки датчиков целесообразно пользоваться грубым правилом, предложенным Бызовой Н.Л. [3]: первая реакция на перемену высоты шероховатости на высоте z проявляется на расстоянии
от места перемены, а полное приспособление наступает на расстоянии
Очевидно, что чем ниже точка измерения, тем больше вероятность найти площадку, характеризующуюся однородным типом подстилающей поверхности. Результаты измерений, проведенных на высотах более 8 м, неизбежно будут искажены особенностями местности - рельефом, наличием скачков шероховатости (лес/пашня и т.п.) и смены сред (вода/суша). При проведении высотных измерений необходимо получить усредненные для данной местности характеристики метеорологических параметров. Применение БЛА позволяет усреднить измеряемые параметры ветра по некоторой траектории полета.
Для обеспечения проведения измерений в однородном ветровом потоке траектории полета БЛА должны проходить над местом расположения метеорологической мачты мобильного метеорологического комплекта в горизонтальной плоскости [3].
Сущность способа схематично поясняется на фигуре 1.
Способ осуществляется следующим образом.
1 По прибытии к месту аварии выбирают место проведения измерений средствами мобильного метеорологического комплекта с учетом известных правил размещения метеорологического поста и правил (5) и (6). При выборе места для проведения измерений следует выбирать максимально открытый участок местности, такой, чтобы в зоне, воздействующей на ветер на высоте измерения, было минимальное количество скачков шероховатости поверхности.
2 Подготавливают к полету БЛА, оснащенный навигационной системой, техническими средствами определения высоты относительно земной поверхности, датчиком измерения температуры, средствами радиопередачи телеметрических данных на наземный вычислительный комплекс.
3 Средствами мобильного метеорологического комплекта проводят измерения скорости ветра на высоте 10 м и температуры воздуха на высоте 2 м в течение 10 мин. Данные измерений по автоматизированному каналу связи передают на вычислительный комплекс.
4 Одновременно с выполнением п. 3 запускают БЛА на высоту 100 м. Полет осуществляют по предварительно подготовленному полетному заданию. Маршруты полета должны позволять получить усреднение скорости ветра по площади и проходить через точку, находящуюся над местом размещения метеорологической мачты мобильного метеорологического комплекта, например по четырем петлям, пересекающимся над местом установки метеорологической мачты (фиг. 1). Данные об измерениях с заданной дискретностью по автоматизированным каналам связи передают на вычислительный комплекс. Вычисляют средние значения скорости ветра и температуры воздуха на высоте 100 м.
25
ψ
5 Перемещают БЛА на высоту 25 м. Проводят измерения скорости и направления ветра средствами БЛА на высоте 25 м в процессе выполнения полета по заданному маршруту. Данные об измерениях с заданной дискретностью по автоматизированным каналам связи передают на вычислительный комплекс. Вычисляют среднее значение скорости ветра v. Определяют максимальное и минимальное из измеренных значений направления ветра в градусах. Вычисляют их разницу Р.
6 Находят параметр а по формуле (1).
а
7 Оценивают погрешность δ величины а по формуле (4).
8 На вычислительном комплексе определяют класс устойчивости атмосферы по Пасквиллу по логическим правилам:
а
- если а≥2+δ а, тогда «А», иначе
а
ψ
ψ
25
v
- если а∈]2-δа; 2+δ[, тогда {если P>90+2Δ тогда {если v>3+Δ тогда «А» иначе «А» или «В»}, иначе «В»}, иначе
а
а
- если а∈]1.4+δ а; 2-δ а[, тогда «В», иначе
а
а
25
ψ
ψ
- если a∈[1.4-δ а; 1.4+δ а], тогда {если v>3+Δv, тогда «С», иначе {если Р>90+2Δ тогда «В» или «С»}, иначе «В»}, иначе
а
а
- если а∈]1+δ а; 1.4-δ а[, тогда «С», иначе
а
а
ψ
ψ
25
ψ
ψ
ψ
ψ
- если а∈[1-δ а; 1+δ а], тогда {если Р>45+2Δ тогда «С» или «D» иначе {если v<4-Δv тогда «С» иначе {если Р<25-2Δ тогда «D» иначе {если P>25+2Δ тогда «С» иначе «С» или «D» }}}}, иначе
а
а
ψ
ψ
- если а∈[0.6-δ а; 1-δ а], тогда {если P<45-2Δ, тогда «С», иначе «С» или «D»}, иначе
а
а
- если а∈]0.4+δ а; 0.6-δ а[, тогда «D», иначе
а
а
25
25
ψ
ψ
- если а∈[0.4-δ а; 0.4+δ а], тогда {если v<3-Δv, тогда «Е», иначе {если v<5-Δv и P>45+2Δ, тогда «D» иначе «Е» или «D» }}, иначе
а
а
- если а∈[-0.25+δ а; 0.4-δ а[, тогда «Е», иначе
а
а
25
- если а∈[-0.25-δ а; -0.25+δ а], тогда {если v>5+Δv тогда «Е», иначе «F»}, иначе
а
- если а<-0.25-δ а, тогда «F»,
где Δv - абсолютная погрешность измерения скорости ветра.
Предлагаемый способ позволяет в процессе развития аварийной ситуации контролировать изменения в состоянии атмосферы по результатам ее периодического зондирования.
Соответствие критерию «новизна».
Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку предлагаемый способ позволяет оценить класс устойчивости атмосферы по Пасквиллу по измерениям БЛА и мобильного метеорологического комплекта, проведенным непосредственно в районе аварии, что не описано в известных источниках.
Соответствие критерию «изобретательский уровень».
Предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленные способы позволяют определять класс устойчивости атмосферы по Пасквиллу по измерениям метеорологических параметров средствами БЛА.
Соответствие критерию «промышленная применимость».
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как для его реализации могут быть использованы серийно выпускаемые БЛА вертикального или горизонтального типа взлета, метеорологические датчики, автомобильные комплекты для метеорологических измерений и портативные ЭВМ.
Реализация способа.
Предложенный способ определения класса устойчивости атмосферы по Пасквиллу апробирован по результатам измерений падающего метеорологического зонда. Поскольку падающим метеорологическим зондом фиксируются случайные дискретные значения метеорологических параметров при равномерном движении по вертикали, вертикальные профили скорости ветра и температуры в приземном слое аппроксимированы уравнениями регрессии (методом наименьших квадратов). По значениям аппроксимирующей функции определены значения скорости ветра на высотах 10, 25 и 100 м и температуры в приземном слое и 100 м, которые приняты за усредненные. Установленные по предложенному алгоритму классы устойчивости атмосферы по Пасквиллу по измерениям метеорологического зонда соответствуют метеорологическим условиям, в которых проводились измерения. Проведенные измерения показали согласованность полученных значений параметра а и параметров ветрового потока на высоте 25 м, установленных по результатам исследований ИЭМ [3]. Технико-экономическая эффективность.
Предлагаемый способ позволяет оперативно в автоматизированном режиме без привлечения экспертов и дополнительного технического оснащения мобильных комплексов аварийно-спасательных формирований определить класс устойчивости атмосферы по Пасквиллу, тем самым способствовать повышению точности и оперативности прогноза загрязнения окружающей среды вредными примесями от аварийных источников.
Список литературы
1 РД 52.18.717-2009. Методика расчета рассеяния загрязняющих веществ в атмосфере при аварийных выбросах. - Вв. в дейст. 01.12.2009.
2 Гусев Н.Г., Беляев В.А. Радиоактивные выбросы в биосфере: Справочник - 2-е изд. перер. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 256 с.
3 Вызова Н.Л., Иванов В.Н., Гаргер Е.К. Турбулентность в пограничном слое атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 264 с.
4. Цуриков А.Н. Применение нейросетевой технологии для определения класса устойчивости атмосферы. // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук - 2013 - №4 - С. 65-70.
5 Вызова Н.Л. Рассеяние примеси в пограничном слое атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974. - 192 с.
6 Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов - 13-е изд., испр. - М.: Наука, 1986 - 544 с.