Информационно-аналитическая система "ЮЖМОРГЕОЭКО" для моделирования разлива нефти на акватории

ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
«ЮЖМОРГЕОЭКО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ
РАЗЛИВА НЕФТИ НА АКВАТОРИИ
Техническое решение относится к конструктивному вынолнению средств унравления и контроля с использованием моделей и может быть использовано в системах для моделирования разлива нефти на акватории.
В последнее время получают распространение информационнопоисковые и информационно-аналитические системы для контроля различных аспектов деятельности человека, в том числе техногенных воздействий на природу.
Известныеинформационно-поисковые 4 - 8 общего
назначения, как правило, включают соединённые между собой устройства ввода-вывода информации, базы данных, устройство управления и устройство отображения информации и различаются содержанием баз данных (блоков памяти) которые могут формироваться значениями измеренных данных 4, систематизированными и классифицированными текстами и версиями бланков 5 или через сеть Интернет 7.
Такие системы 4 - 8 требуют разработки на их основе конкретной конструкции, которая учитывала бы специфику задач управления и контроля в различных областях техники и производства.
МПК: G 07 С 11/00, G 05 В 17/00
Известен ряд информационно-аналитических систем (ИАС), предназначенных для специального применения, например, PIAC 3 для оценки гидроакустической рыбопромысловой аппаратуры, ИАС 2 для моделирования рациональной бизнес-системы компании, ИАС 1 для конструирования виртуального мира. Общими признаками известных ИАС является наличие связанных между собой блока входных данных, блоков моделирования, блока управления и блока отображения данных. Блоки известных ИАС 2, 3 выполнены на базе вычислительных (компьютерных) устройств. Такие ИАС позволяют формировать и анализировать информацию для специализированных задач управления и контроля на основе данных о текущем состоянии различных параметров.
Однако, вследствие функциональных ограничений системы 2, 3 не могут быть использованы при моделировании геологических и техногенных структур.
Известная ИАС 1 для конструкции виртуального мира, принятая за прототип, включает блоки входных данных о территориальных объектах управления, блоки моделирования природных, топографических, геоэкологических и техногенных структур, а также блок управления и контроля, выполненный в виде блоков синтеза различных моделей и экспертного анализа, выполненных с возможностью обновления данных (совершенствования виртуального мира).
Однако, известная ИАС 1 предназначена, в основном, для моделирования инженерных сооружений в системе взаимодействия с природными структурами и не может реализовать специальные функции ряда прикладных экологических задач, включая прогнозирование техногенных воздействий на природную среду.
lCf3 /3
Сущность предлагаемого технического решения заключается в создании ИАС для моделирования разлива нефти на акватории в прибрежной зоне, которая путём специального конструктивного выполнения автоматизированного рабочего места (АРМ) оператораэксперта позволила бы формировать интегрированную модель загрязнения акватории и побережья при разливе нефти с судов.
Основной технический результат - формирование адекватной корректной модели разлива нефти с учётом всех воздействующих факторов: характеристик нефтяного пятна, течений, ветра и структуры берега, что позволяет эффективно прогнозировать техногенное воздействие и, как следствие, - обеспечить в реальном масштабе времени практические возможности по ликвидации его последствий.
Технический результат достигается следующим образом.
ИАС «Южморгеоэко (от названия структурного подразделения ГНЦ ФГУГП «Южморгеология, сотрудниками которого разработана предлагаемая ИАС) характеризуется наличием совокупности технических и программных средств и которая включает блок входных данных (БВД), блок моделирования (БМ), блок управления и контроля (БУК) и блок отображения и регистрации (БОР), причём управляющие входы-выходы блока управления и контроля БУК подключены к соответствующим входам-выходам блоков БВД, БМ и БОР, выходы БВД подключены к входам БМ и первому входу БОР, а выход БМ подключен ко второму входу БОР.
Отличительными особенностями ИАС «Южморгеоэко являются: блок входных данных БВД включает базу входных данных о разливе нефти (БДН), базу входных данных о течении (БДТ), базу входных данных о ветре (БДВ) и базу входных данных о береговой черте (БДБ) в зоне разлива нефти, блок моделирования БМ включает формирователь
модели (ФМ) истечения нефти (ФМН), ФМ изменения нефтяного пятна (ФМИНП), ФМ испарения нефти (ФМИ), ФМ эмульгирования нефти (ФМЭ), ФМ растекания нефтяного пятна (ФМРНП), ФМ квазистационарных течений на акватории (ФМКСТ), ФМ ветра (ФМВ), ФМ ветровых течений (ФМВТ), ФМ движения поверхностного слоя воды (ФМДГТВ), ФМ перемещения нефтяного пятна под действием ветра и течения (ФМПП), ФМ береговой черты (ФМБЧ), ФМ загрязнения берега нефтью (ФМЗБ) и формирователь интегрированной модели (ФИМ) загрязнения акватории и береговой черты, выход БДН подключён к входу ФМН и первому входу ФМЗБ, выходы БДТ, БДВ и БДБ подключены соответственно к входам ФМКСТ, ФМВ и ФМБЧ, выход ФМН подключён к входу ФМИНН, содержащему последовательно соединённые ФМИ, ФМЭ и ФМРНП, выход ФМКСТ подключён к первым входам ФМВТ и ФМДПВ, выход ФМВ подключён ко второму входу ФМВТ и первому входу ФМНП, выход ФМВТ подключён ко второму входу ФМДПВ, выход ФМДПВ подключён ко второму входу ФМПП, выход ФМБЧ подключён ко второму входу ФМЗБ, выходы ФМЗБ, ФМПП и ФМРНП подключены соответственно к первому, второму и третьему входам ФИМ, выход которого подключён ко второму входу БОР.
При этом ИАС отличается тем, что БДН содержит базу данных о координатах места разлива нефти, о массе нефти при разливе, о продолжительности разлива, о плотности и вязкости нефти, БДТ содержит базу данных о векторном поле поверхностных течений гриде течений на заданной акватории, БДВ содержит базу данных о векторном поле ветра - гриде ветра в зависимости от времени с момента истечения нефти при разливе, БДБ содержит цифровую карту береговой черты и прибрежной зоны акватории, в которой береговая черта
аппроксимирована отдельными участками длиной L, углом а наклона берега и его пористостью Р.
Кроме того, PIAC отличается тем, что ФМН выполнен в виде вычислительного устройства, реализующего алгоритм истечения нефтяного пятна, в котором использована модель пятна в форме овала с соотношением осей от 4:1 до 10:1 с массой, которая определяется в зависимости от соотношения продолжительности и массы разлива и шага по времени, через который рассчитываются координаты центра пятна.
ИАС отличается тем, что ФМИНП, включая ФМИ, ФМЭ и ФМРНП, выполнен в виде вычислительного устройства, реализующего алгоритм растекания нефтяного пятна в системе цилиндрических координат (г, h) с одномерной аппроксимацией в соответствии с системой уравнений:
dh + унг  h + h .Унг + 1 . h. Унг адг дг
.а
VHr  -g.+Jl
av
Унг
нг +
apJ
at
.
где УНГ (t) - скорость растекания нефти от центра нефтяного пятна к его периферии в зависимости от времени t и радиуса г растекания;
h(r) - толщина нефтяного пятна в зависимости от радиуса г растекания;
g - ускорение силы тяжести;
ke + kd +Q
(1)
1 .аУнг +  ar дг
ar р
ke, kd - потоки массы нефти за счёт испарения и за счёт обрушения
волн соответственно;
Q - поток нефти от источника разлива.
ИАС отличается тем, что ФМ квзистационарных течений выполнен в виде вычислительного устройства, реализующего алгоритм прибрежной циркуляции вод акватории с моделью течений, представляющих собой суперпозицию поля векторов течений различного типа, например Кольцевого циклонического течения и прибрежных антициклонических вихрей у кавказского побережья Чёрного моря.
ИАС отличается тем, что ФМ ветра выполнен в виде вычислительного устройства, реализующего алгоритм определения поля скорости ветра - осреднённого грида ветра с аппроксимацией его
постоянным значением на площадях от 100 до 1000 км и с использованием входных данных натурных наблюдений о ветре, затабулированных в виде функции Wcp  Wcp (Д, t, 6), где Wcp - средняя скорость ветра, Д - дата, t - время, 6 - направление ветра.
ИАС отличается тем, что ФМ ветровых поверхностных течений выполнен в виде вычислительного устройства, реализующего алгоритм определения скоростей VT и G дрейфового и градиентного течений в соответствии с формулами:
VT k-Wep/Vsm9,(2)
G  V 2  VT I sinp,(3)
где VT - модуль скорости поверхностного дрейфового течения;
Wcp - средняя скорость ветра;
ф - широта места;
k - эмпирический коэффициент;
P - угол между нормалью к берегу и направлению ветра. ИАС отличается тем, что ФМ движения поверхностного слоя воды выполнен в виде вычислительного блока, реализующего итеративный алгоритм для определения полного потока воды с исходными данными карт глубин и цифровой карты осреднённого грида ветра над морем с учётом расходов воды на границах акватории.
ИАС отличается тем, что ФМ перемещения нефтяного пятна по поверхности акватории вследствие перемещения поверхностного слоя воды и под воздействием ветра выполнен в виде вычислительного блока, реализующего алгоритм определения векторного поля скорости движения нефти в соответствии с Формулой:
VH - VB + keWcp ,(4)
где VH - вектор скорости нефти; УВ - вектор скорости воды; WCP - вектор средней скорости ветра;
ke - эмпирический ветровой коэффициент для заданной акватории.
ИАС отличается тем, что ФМ береговой черты выполнен в виде
вычислительного устройства, реализующего алгоритм построения
береговой черты в виде отдельных отрезков с объёмом Vnop порового
участка берега
где Убер - общий объём берега; Р - пористость берега.
ИАС отличается тем, что ФМ загрязнения берега нефтью выполнен в виде вычислительного устройства, реализующего алгоритм расчёта загрязнения берега при разливе нефти в соответствии с выражением для общего объёма Уз.б. загрязнения берега:
Упор  Убер  Р,(5) г е HB - высота волны; LH - длина участка берега, на который попала нефть; а - угол наклона берега. ФИМ выполнен в виде вычислительного блока, формирующего интегрированную модель загрязнения акватории по совокупности данных ФМИНП, ФМПП и ФМЗБ. Кроме того ИАС отличается тем, что она выполнена в виде автоматизированного рабочего места оператора, и в качестве блоков БВД, БМ, БУК и БОР использованы стандартные вычислительные блоки, входящие в состав компьютерной системы или персональный компьютер. В частном случае ИАС может быть выполнена для моделирования разлива нефти на прибрежной акватории северо-восточной части Чёрного моря в районе Новороссийского терминала Каспийского трубопроводного консорциума. На чертеже приведена общая конструктивная схема ИАС «Южморгеоэко. ИАС содержит БВД 1, БМ 2, БУК 3, и БОР 4. БВ 1 включает БДН 5, БДТ 6, БДВ 7 и БДБ 8. БМ 2 включает ФМН 9, ФМРШП 10, содержащий ФМИ 11, ФМЭ 12 и ФМРНП 13, ФМКСТ 14, ФМВ 15, ФМВТ 16, ФМДНВ 17, ФМШТ 18, ФМБЧ 19, ФМЗБ 20 и ФИМ 21. Работа ИАС заключается в следующем. Но данным БВД 1 в БМ 2 осуществляется моделирование разлива нефти на акватории, работой ИАС управляет БУК 3, отображение и регистрация данных осуществляется в БОР 4. БДН 5 содержит базу данных о координатах места разлива нефти, о массе нефти при разливе, о продолжительности разлива, о плотности и вязкости нефти, которые поступают в ФМН 9, который формирует
модель истечения нефти с использованием модели пятна в форме овала с соотношением осей от 4 : 1 до 10 : 1 с массой, которая определяется в зависимости от соотношения продолжительности и массы разлива и шага по времени, через который рассчитываются координаты центра пятна. Далее, по данным ФМН 9 в ФМИНП 10, включающего ФМИ 11, ФМЭ 12 и ФМРНП 13, формируется модель изменения нефтяного пятна в соответствии с системой уравнений (1), определяется скорость растекания нефти и толш,ина нефтяного пятна в зависимости от радиуса растекания. В ФМКСТ 14 по данным базы данных БДТ 6 о течении формируется модель квазистационарных течений на поверхности акватории, представляюш,их собой суперпозицию поля векторов течений различного типа, например Кольцевого циклонического течения и прибрежных антициклонических вихрей у Кавказского побережья Чёрного моря.
ФМВ 15 по данным базы данных БД 7 о ветре формирует модель ветра в поверхностном слое с определением поля скорости ветра осреднённого грида ветра с аппроксимацией его постоянным значением
на площадях от 100 до 1000 км и с использованием затабулированных входных данных натуральных наблюдений о ветре. По данным поступающим с входов ФМКСТ 14 и ФМВ 15 на вход ФМВ 16, в ФМВ 16 в соответствии с формулами (2) и (3) формируется модель ветровых течений, данные о которой совместно с данными ФМКСТ 14 поступают на входы ФМДПВ 17, который формирует модель движения поверхностного слоя воды посредством итеративного алгоритма определения полного потока воды с исходными данными карт глубин из БДТ 6 и цифровой карты осреднённого грида ветра над морем из БВД 7 с учётом расходов воды на границах акватории.
По данным, ноступающим с выходов ФМВ 15 и ФМДПВ 17 на входы ФМ1111 18, последний формирует модель перемещения нефтяного пятна по поверхности акватории вследствие перемещения поверхностного слоя воды и под воздействием ветра в соответствии с формулой (4).
ФМБЧ 19 по данным базы данных Б ДБ 8 о береговой черте формирует модель береговой черты в виде отдельных отрезков в соответствии с выражением (5). По этим данным, а также с учётом данных БДП 5, поступающих на входы ФМЗБ 20, последний формирует модель загрязнения берега в соответствии с выражением (6). По данным, поступающим с выходов ФМИПП 10 (ФМР1Ш 13), ФМПП 18 и ФМЗБ 20 на входы ФИМ 21, ФИМ 21 формирует интегрированную модель загрязнения акватории.
ИАС «Южморгеоэко выполнена в виде АРМ оператора, что позволяет управлять и контролировать работу PIAC посредством БУК 3, а все выходные данные отображать и регистрировать в БОР 4. В конкретном случае в качестве блоков БВД 1, БМ 2, БУК 3 и БОР 4 использованы стандартные вычислительные блоки, входящие в состав компьютерной системы или персональный компьютер.
В частном случае ИАС «Южморгеоэко может быть выполнена для моделирования разлива нефти на прибрежной акватории северовосточной части Чёрного моря в районе Новороссийского терминала Каспийского трубопроводного консорциума.
Таким образом, специальное конструктивное выполнение ИАС «Южморгеоэко позволяет формировать адекватную корректную модель разлива нефти с учётом всех воздействующих факторов: характеристик нефтяного пятна, течений, ветра и структуры берега, что, в свою очередь позволяет эффективно прогнозировать техногенное
5 /3i/f(
10
воздействие и, как следствие, - обеспечить в реальном масштабе времени практические возможности по ликвидации его последствий.
ИСТОЧНИКИ ИО УРОВИЮ ТЕХИИКИ
I. Прототип и аналоги:
1.Св-во на ПМ РФ №18205, МПК G 05 В 17/00, опубл. 27.05.2001: БИПМ №15, с.545 (прототип).
2.Пат. РФ №2171498, МПК G 06 F 17/00, опубл. 27.07.2001: БРШМ №21, с. 348 - 349 (аналог).
3.Пат. РФ №2139554, МПК G 01 S 15/09, опубл. 10.10.1999: БИ №28, с. 354 - 355 (аналог).
П. Дополнительные источники по уровню техники:
4.Св-во на ПМ РФ №19355, МПК G 096 29/00, опубл. 20.08.2001: БИПМ№23,с.500.
5.Св-во на ПМ РФ №10901, МПК G 06 F 17/60, опубл. 16.08.1999: ПМПО№8, с.124-125.
6.Пат. РФ №2039376, МПК G 06 F 17/30, опубл. 10.07.1995: БИ №19, с. 223.
7.Св-во на ПМ РФ №12738, МПК G 06 F 17/00, опубл. 27.01.2000: БИПМ№3,с.480.
8.Св-во на ПМ РФ №27719, МПК G 05 F 9/35, опубл. 10.02.2003: БИПМ №4, С.636.