Применение радиоэлектронных систем для дистанционного мониторинга сельского хозяйства с целью обнаружения и обеспечения тушения пожаров

Применение радиоэлектронных систем для дистанционного мониторинга

сельского хозяйства с целью обнаружения и обеспечения тушения пожаров Ь Й московский

ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ

УДК 634.0.43

Канащенков Анатолий Иванович

Доктор технических наук, кандидат экономических наук, Директор научного центра специальных радиоэлектронных систем и менеджмента Московского авиационного института (национального исследовательского университета), г. Москва

Тихонов Алексей Иванович

Кандидат технических наук, доцент, Директор Инженерно-экономического института Московского авиационного института (национального исследовательского университета), г. Москва

Новиков Сергей Вячеславович,

Кандидат экономических наук, Заместитель директора Инженерно-экономического института Инженерно-экономического института Московского авиационного института (национального исследовательского университета), г. Москва

Кулакова Даниэла Сергеевна,

Аспирант, инженер научного центра специальных радиоэлектронных систем и менеджмента Московского авиационного института (национального исследовательского университета) г. Москва

Kanaschenkov Anatoliy I.

Doctor of Technical Sciences, Candidate of Economic Sciences, Director of the Research Center of Special Electronic Systems and Management Moscow Aviation Institute (National Research University), Moscow

Tikhonov Alexey I.

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Director Engineering and Economics Institute Moscow Aviation Institute (National Research University), Moscow

Novikov Sergey V.

Candidate of Economic Sciences, Deputy Director Engineering and Economics Institute Moscow Aviation Institute (National Research University), Moscow

Kulakova Daniela S.

Post-graduate student, engineer, Research Center of Special Electronic Systems and Management Moscow Aviation Institute (National Research University), Moscow

APPLICATION OF ELECTRONIC SYSTEMS REMOTE MONITORING OF AGRICULTURE TO DETECT AND EXTINGUISH A FIRE SOFTWARE

Аннотация. В статье представлена уникальная технология мониторинга сельского хозяйства с целью обнаружения и обеспечения тушения пожаров с помощью радиолокационных систем. Научно обоснованы практическая применимость и эффективность использования в данных целях радиолокационных комплексов в составе беспилотных летательных аппаратов.

Summary. The article presents the unique technology of agriculture monitoring to detect and provide fire-fighting using radar systems. Scientifically proved practical applicability and effectiveness in the use of data to radar systems as part of unmanned aerial vehicles.

Ключевые слова: мониторинг пожаров, бортовая радиолокационная система, радар, сельское хозяйство, беспилотный летательный аппарат.

Keywords: fire monitoring, on-board radar system, radar, agriculture, drone.

Новые экономические условия заставляют искать инновационные методы организации мониторинга системы охраны лесов и сельскохозяйственных угодий от пожаров и пересматривать существующие взгляды о вреде и полезности пожаров как для природы в целом, так и для жизнедеятельности людей. Последнее как раз и определяет стратегию охраны лесов в России.

Лесом покрыто около 22% территории Российской Федерации, что составляет 1,2 млрд га или почти две трети территории страны. Лесные пожары являются основной причиной повреждения и гибели лесов на значительных площадях. Ежегодно в России регистрируется от 10 тыс. до 35 тыс. лесных пожаров, охватывающих площади от 500 тыс. до 2 млн 500 тыс. га. По данным Федеральной службы государственной статистики, всего с начала 1992 года по конец 2015 года в России произошло свыше 600 тыс. лесных пожаров.

По данным Федерального агентства лесного хозяйства, в среднем размер ущерба от лесных пожаров в год составляет около 20 млрд руб., из них от 3 до 7 млрд - это ущерб лесному хозяйству из-за потери древесины. К сожалению, около 80% лесных пожаров возникает по вине человека [2].

Возникающие очаги лесных пожаров, как правило, представляют собой небольшие по площади (локальные) участки, которые можно наблюдать с близких расстояний. Дистанционное обнаружение и определение размеров таких объектов, вероятно, наилучшим образом может быть выполнено бортовыми оптическими (тепловизионными) средствами. Чувствительности и разрешения данных систем вполне хватает для осуществления мониторинга на небольших дальностях.

Однако в процессе распространения пожаров происходит не только значительное увеличение их площадей, но также и возникновение сильной задымленности, что сильно затрудняет или вообще не позволяет выполнять оценку масштабов бедствия с помощью

только оптических средств. Кроме того, возможны ситуации, когда плохие метеоусловия существенно ухудшат возможности мониторинга, или очаги пожаров могут оказаться скрытыми от наблюдения тепловизионными системами (например, низовой пожар в густом лесу). Для решения задач обнаружения и оценки размеров пожара в таких условиях требуется аппаратура, основанная на иных физических принципах. Можно сказать, что на сегодняшний день единственными средствами наблюдения за очагами лесных пожаров в условиях плохой видимости и сильной задымленности являются радиотехнические системы - радиометрические и радиолокационные. Только они позволяют вести мониторинг подобных объектов, проникая сквозь мощные дымовые завесы.

Радиометрические системы функционируют в пассивном режиме и осуществляют оценку радиотеплового излучения наземных объектов. Принцип действия основан на том, что кажущаяся температура объектов зависит в значительно большей степени от типа объекта и его состояния, чем от его реальной температуры. Оценку яркостной температуры выполняют с использованием специальных приемников - радиометров. Проведенные исследования показали, что для решения таких задач достаточно эффективно могут быть использованы диапазоны 3 и 8 мм, при этом дальность может достигать 5.. .10 км.

Радиолокационные системы также могут быть использованы для поиска, обнаружения и мониторинга очагов лесных пожаров. Такие системы становятся достаточно эффективными при обеспечении разрешающей способности по дальности и азимуту 5.10 м, а также сектора обзора не менее 30х30 км2. Исследования показали, что данным требованиям наилучшим образом отвечают РЛС с синтезированной апертурой антенны, работающие в диапазонах длин волн 3.6 см. При наличии достаточного энергетического потенциала на радиолокационном изображении будут уверенно различаться участки незатронутого пожаром и выгоревшего леса. Дальность картографирования может достигать 50.100 км и более, в зависимости от применяемых технических средств.

В Московском авиационном институте (национальном исследовательском университете) имеется достаточно большой как научный, так и аппаратурный задел, позволяющий решить задачу обнаружения лесных пожаров. Так, например, подобные работы ведутся в Научном центре специальных радиоэлектронных систем и менеджмента (НЦ СРМ) МАИ, созданном в 2008 году с целью выполнения научно-технических разработок в области специальных радиоэлектронных систем [3]. Основные прорывные научно-технические проекты выполнены по Постановлению Правительства Российской Федерации № 218 "О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства" (1111 РФ 218) при финансовой поддержке Министерства образования и науки России [4].

Разработанная совместно с ОАО «Корпорация «Фазотрон-НИИР» многофункциональная бортовая радиолокационная система (МБРЛС МФ-2) позволяет

проводить картографирование поверхности земли с синтезированием апертуры антенны в диапазонах радиоволн 8 мм и 3 см.

Диапазон линейных разрешений этой радиолокационной станции составляет 0.5...60 м, а дальность картографирования - до 25.30 км в миллиметровом диапазоне (рис.1) и до

150... 180 км в сантиметровом диапазоне длин волн (рис.2).

Рис. 1 - Радиочастотный модуль миллиметрового диапазона (РЧМ1) МБРЛС Комбинация различных частотных диапазонов позволяет не только обеспечить радиолокационную видимость очагов возгораний в различных погодных условиях, но и получить ряд преимуществ относительно однодиапазонных МБРЛС, а именно, иметь высокую разрешающую способность и точность определения координат, круговую зону информационного поля, а также большую дальность обнаружения [5].

Рис. 2 - Радиочастотный модуль сантиметрового диапазона (РЧМ2) МБРЛС

Решаемые задачи МБРЛС: поиск, обнаружение, контроль, обеспечение пожаротушения авиационными средствами в условиях плохой видимости и сильного задымления.

Технологии:

• технологии мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды;

• технологии предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций;

• технологии информационных, управляющих, навигационных систем;

• технологии и программное обеспечение распределенных и высокопроизводительных вычислительных систем.

В результате должны быть созданы:

• локальные и глобальные информационные системы наблюдения и контроля над пожароопасными зонами всей страны с целью оценки состояния и динамики развития процессов, связанных с возникновением пожаров;

• информационно-управляющие бортовые, наземные и глобальные системы, позволяющие работать в едином информационном поле;

• пилотируемые и беспилотные авиационные и наземные комплексы, обеспечивающие поиск, обнаружение, мониторинг и пожаротушение, в том числе в условиях плохой видимости и сильного задымления;

• интегрированные информационно-вычислительные системы авиационных средств.

В целях реализации постановления Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 года № 218 "О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства" и на основании решения конкурсной комиссии по отбору организаций на право получения субсидий на реализацию комплексных проектов по созданию высокотехнологичного производства (протокол от 21 октября 2015 г.) Московский авиационный институт выполняет опытно-конструкторские и технологические работы по теме: «Разработка и организация высокотехнологичного производства малогабаритной многорежимной бортовой радиолокационной системы ^ -диапазона волн для оснащения перспективных беспилотных и вертолетных систем».

Победа МАИ в 2015 году в шестой очереди открытого конкурса Минобрнауки России позволила НЦ СРМ МАИ открыть совместный проект с ФГУП «ПО «Октябрь» по разработке и организации высокотехнологичного производства малогабаритной многорежимной бортовой радиолокационной системы ^ - диапазона волн (ММБРЛС) для оснащения перспективных беспилотных и вертолетных систем.

Общая сумма инвестиций составит 340 млн. рублей, из которых 170 млн. рублей -субсидии. Данный проект рассчитан на 3 года и будет завершен не позднее 31 декабря 2018 года.

Предполагаемое использование результатов работ заключается в следующем:

1) на вертолетах и самолетах ММБРЛС могут быть применены для мониторинга наземной обстановки, обмена радиоданными, обеспечения безопасности полетов, группового полета строем, дозаправки в воздухе и посадки на необорудованные в радиотехническом отношении аэродромы.

2) при мониторинге наземной обстановки ММБРЛС могут обеспечить решение задач:

• формирования радиолокационного изображения земной поверхности;

• обнаружения и измерения координат наземных (надводных) целей.

Обе эти системы могут быть использованы не только для мониторинга очагов пожаров, но также для оценки координат объектов, прицеливания и выдачи целеуказания для применения средств пожаротушения. Кроме того, обе системы являются малогабаритными и относительно легкими (25.35 кг), поэтому, в принципе, могут быть установлены на различных носителях - самолетах, вертолетах, беспилотных летательных аппаратах (БЛА).

Одним из удачных примеров установки малогабаритной радиолокационной станции на борту беспилотного летательного аппарата вертолетного типа с целью мониторинга сельского хозяйства с целью обнаружения и обеспечения тушения пожаров может быть кооперация Московского авиационного института (национального исследовательского университета) с МБРЛС МФ-2 и Открытого акционерного общества "Горизонт" со своим изделием БАК Горизонт Эйр Б-100 (рис.3).

РЕ-610Ю1

У

Рис. 3 - Вариант размещения МБРЛС на БАК Горизонт Эйр 8-100

Основные области применения комплекса:

• Обеспечение безопасности на море.

• Мониторинг ЛЭП.

• Мониторинг наземного и надводного пространства.

• Осуществление проводки судов в сложных ледовых условиях.

• Обнаружение и контроль очагов экологических катастроф природного и техногенного происхождения

• Участие в поисково-спасательных мероприятиях при возникновении чрезвычайных ситуаций [6].

Разрабатываемая малогабаритная многорежимная бортовая радиолокационная система (ММБРЛС) предназначена для оснащения летательных аппаратов (ЛА) различных типов (беспилотный летательный аппарат, вертолёт) с целью выполнения мониторинга земной поверхности при проведении поисково-спасательных и специальных операций, включая:

• формирование радиолокационного изображения земной поверхности;

• обнаружение и определение координат наземных (надводных) радиоконтрастных объектов;

• оценивание дальности до земной поверхности в заданном направлении;

• предупреждение о столкновении ЛА с препятствием;

• предупреждение о нарушении охраняемой береговой акватории при стационарном размещении ММБРЛС;

• оценивание метеообстановки по трассе движения.

В разрабатываемой ММБРЛС заложены наиболее перспективные, качественные решения, которые по многим параметрам превосходят существующие отечественные и соответствуют уровню зарубежных аналогов. Например, существенно расширяются функциональные возможности, достигается высокий уровень информативности, повышаются интеллектуальные качества и степени автоматизации, радикально повышается роль цифровой обработки информации. Заложенная многофункциональность ММБРЛС позволяет расширить круг задач, решение которых ранее обеспечивалось при одновременном размещении нескольких РЛС на борту летательного аппарата.

Одно из важнейших направлений применения беспилотных летательных аппаратов в гражданской сфере - это патрулирование территорий, акваторий, магистралей и границ. Например, направление патрулирования трасс трубопроводов чрезвычайно актуально для России, располагающей крупнейшей в мире сетью магистральных газо- и нефтепроводов. Общая протяженность трасс магистральных газопроводов на территории России составляет примерно 150 тыс. км, причем, значительная ее часть проходит в сложных природно-климатических условиях. Что касается трубопроводов, то они находятся в различной (в том числе и в значительной) степени изношенности. С одной стороны, активная хозяйственная деятельность в районах расположения трасс может представлять угрозу для работы трубопроводного транспорта. С другой - утечки и аварии на трубопроводах наносят ущерб окружающей среде и могут представлять опасность для жизни и здоровья населения. Эта проблема чрезвычайно актуальна не только для российского трубопроводного, но и для зарубежного транспорта. В современных условиях возникают новые виды рисков, например, риск несанкционированного отбора продукта из трубопровода или умышленное

повреждение последнего. Компании-операторы трубопроводов как в России, так и за рубежом заинтересованы в комплексном решении задач патрулирования трасс в интересах экологического мониторинга, контроля технического состояния и обеспечения безопасности объектов. С этой целью создаются специализированные подразделения, осуществляющие патрулирование трасс трубопроводов (в настоящее время - с помощью пилотируемых вертолетов или самолетов), проводятся прикладные исследования.

Объем мирового рынка беспилотных летательных аппаратов практически удвоится в ближайшие десять лет и в 2020 году составит 11,3 миллиарда долларов, тогда как в настоящее время объем рынка составляет около 6,6 миллиарда долларов. В общей сложности мировой рынок с 2012-го по 2020 год составит 89 миллиарда долларов. Рост показателя будет обусловлен продолжающимся ростом интереса к беспилотным аппаратам как со стороны военных, так и со стороны гражданских пользователей [12].

Параллельно с ростом продаж БПЛА будет расти и рынок снаряжения для аппаратов, например, рынок электронно-оптических систем, разведывательного оборудования, устройств целеуказания, ретрансляции сигналов, радиоэлектронной разведки и систем радиоэлектронной борьбы. Особенно заметный рост будет отмечен в производстве и поставке поисково-спасательного оборудования, систем РЭБ и радиоэлектронной разведки.

Мировой рынок РЛС, в своей подавляющей части, является специфическим рынком межгосударственной торговли, так как основными покупателями на нем выступают государства, а производителями и экспортерами являются мощные и немногочисленные военно-промышленные компании, и транснациональные корпорации. Тем не менее, рынок РЛС считается одним из немногих современных товарных рынков с наивысшей степенью монополизации [11,13].

Выводы

Применение указанных или аналогичных станций в составе беспилотных летательных аппаратов позволяет создать базу данных информационных систем состояния пожароопасных зон, а также обеспечить мониторинг и прогноз их состояния.

В отличие от приборов видеомониторинга, а также тепловизионных станций, МБРЛС может работать при любой погоде и на существенно больших расстояниях [7].

Режим целеуказания МБРЛС в значительной степени улучшит продуктивность пожаротушения для летательных аппаратов с функциональной возможностью тушения с воздуха.

Результаты достигнуты в ходе реализации комплексного проекта «Разработка и организация высокотехнологичного производства малогабаритной многорежимной бортовой радиолокационной системы ^ - диапазона волн для оснащения перспективных беспилотных и вертолетных систем» при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации (Минобрнауки России) по договору с Минобрнауки России от «01» декабря 2015 г. № 02.G36.31.007.

Список литературы

1. Официальный сайт Федеральной службы государственной статистики http://www.gks.ru.

2. Официальный сайт Федерального агентства лесного хозяйства Россииhttp://www.rosleshoz.gov.ш.

3. Постановление Правительства РФ от 9 апреля 2010 года № 218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства».

4. Новиков С.В., Тихонов А.И. Государственные закупки инновационной продукции. В сборнике: Актуальные вопросы экономики и современного менеджмента сборник научных трудов по итогам III международной научно-практической конференции. Самара, 2016. С. 21-24.

5. Новиков С.В., Кулакова Д.С. Опыт реализации высокотехнологичных проектов с привлечением государственных субсидий. В сборнике: Тенденции развития экономики и менеджмента // Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции. № 3 г. Казань, 2016. 263 с. С. 71-77.

6. Канащенков А.И., Новиков С.В. Программно-целевые инструменты государственного управления высокотехнологичными научно-техническими проектами. Высшая школа. 2016. Т. 2. Ч.2. № 11. С. 17-19.

7. Официальный сайт Открытого акционерного общества 'Tоризонт"http://www.gorizontrostov.щ.

8. Вик И.П., Канащенков А.И., Ратнер В.Д., Реутов В.Г. Многоканальная радиолокационная система летательного аппарата. Патент на изобретение RUS 2314611 27.02.2006.

9. Тихонов А.И., Новиков С.В., Кулакова Д.С. Разработка инструментария управленческого мониторинга коммерциализации высокотехнологичных проектов // Московский экономический журнал. - 2016. - №3.

10. Канащенков А.И. Опережающее развитие технологий и оптимальные взаимосвязи их с конструированием технических систем. В сборнике: Экономическая политика: на пути к новой парадигме. 2013. С. 358-364.

11. Кулакова Д.С., Новиков С.В. Прогнозы коммерциализации результатов комплексного проекта. Научная дискуссия: вопросы экономики и управления. 2016. № 6 (50). С. 50-56.

12. Канащенков А.А., Канащенков А.И., Новиков С.В. Проблемы структурных преобразований современных корпораций и предприятий. Вестник Московского авиационного института. 2016. Т. 23. № 2. С. 217-227.

13. Кулакова Д.С., Новиков С.В. Опыт реализации высокотехнологичных проектов с привлечением государственных субсидий. В сборнике: Тенденции развития экономики и менеджмента сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции. 2016. С. 71-78.