ДОННАЯ СТАНЦИЯ ДЛЯ ДОЛГОСРОЧНОГО МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА
BOTTOM STATION FOR LONG-TERM MULTI-PARAMETER MONITORING

Область техники
Изобретение относится к области технологий морского мониторинга, в частности к глубоководной якорной системе и методам наблюдения за морским дном в режиме реального времени.
Уровень техники
Донные системы мониторинга, является важным техническим оборудованием для исследования морской среды, могут обладать широкими характеристиками всестороннего мониторинга морских, гидрологических и метеорологических элементов в автономном режиме. Могут работать синхронно с другими подобными устройствами и в суровых условиях морской среды.
Известна «Своего рода подъемная система и способ ретрансляции связи» изобретение по патенту CN 103427913 В содержит: водонепроницаемый отсек с электроникой, аккумуляторный блок, терминал спутниковой связи, первый подводный модулятор-демодулятор звука и основной модуль управления антенной, надводный отсек передачи-приема информации, береговой передатчик между пользователем и наземным центром управления, поплавок, спусковое и подъемное устройство в реализации совместно с воздушным отсеком. При этом в случае необходимости спусковой механизм опускает надводный отсек под воду.
Недостатками данного решения являются:
1. Невозможность непрерывной передачи данных мониторинга.
2. Низкая надежность системы в случае обрыва линий связи буя с аппаратным отсеком и блоком питания.
Известна «Глубоководная якорная система подповерхностного буя на основе передачи данных спутниковой связи в режиме реального времени» изобретение по патенту CN 108189969 В, которая содержит: систему буев на поверхности воды, вертикально расположенный стальной трос, покрытый пластиком, устройство для швартовки и снятия якоря, основной плавучий корпус, множество стеклянных плавающих шариков и корпус рамы, который расположен между основным плавучим корпусом и выпускным устройством и используется для переноски приборов для измерения глубины воды.
Недостатком данного решения являются:
1. Невозможность непрерывной передачи данных мониторинга.
2. Невозможность работы в районе с ледовым покрытием.
3. Низкая надежность системы в случае обрыва линий связи буя с аппаратным отсеком и блоком питания.
Наиболее близкое к заявляемому изобретению является решение, которое в общем виде представлено в статье «Непрерывный радиационный мониторинг затопленных или затонувших в арктических морях объектов с отработавшим ядерным топливом» в журнале Атомная энергия (https://www.j-atomicenergv.ru/index.php/ae/article/view/2069/2049). В число компонентов данного решения входят погружаемые измерительный павильон, аппаратный блок, блок питания со сменными элементами, гидрографический измерительный блок и плавучий буй с радиопередатчиком данных.
Недостатками данного решения являются:
1. Невозможность работы в районе с ледовым покрытием.
2. Низкая надежность системы в случае обрыва линий связи буя с аппаратным отсеком и блоком питания.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение является создание системы радиационного мониторинга для удаленного использования с возможностью дистанционного управления и получения данных в реальном времени, с возможностью размещения на дне водоема.
Раскрытие сущности изобретения
Техническим результатом заявленного изобретения является создание системы измерительных и передающих средств с собственными источниками накопления энергии с возможности размещения стационарно, на дне водоема.
Для достижения технического результата, предложена донная станция для долгосрочного многопараметрического мониторинга характеризующаяся тем, что содержит аппаратный отсек закрепленный на якорной системе посредством размыкателя и установленный на дне водоема, внутри аппаратного отсека последовательно первой информационно-энергетической линией и зарядным кабелем соединены аккумуляторный блок, закрепленный на ответной части размыкателя, преобразователь электроэнергии и автоматическая система управления и распределения, аппаратный отсек посредством первой информационно-энергетической линии, зарядного кабеля и нейлонового троса соединен с павильоном, обладающим положительной плавучестью, в котором нейлоновый трос, первая информационно-энергетическая линия и зарядный кабель подключены к распределительной панели после которой нейлоновый трос, первая информационно-энергетическая линия и зарядный кабель объединяются в, по меньшей мере один, комбинированный жгут, соединенный с минимум одним размыкателем, который подключен к девятой информационно-энергетической линии, подключенной к распределительной панели и локатору, при этом, каждый размыкатель соединен комбинированным жгутом, размещенным в бухте через размыкатель с промежуточным аккумуляторным блоком - ретранслятором, внутри которого комбинированный жгут соединен с аккумуляторной батареей и устройством гидроакустической связи, посредством жесткой сцепки, при этом, ретранслятор соединен с буем, в буе комбинированный жгут подключен к распределительной панели от которой отходят восьмая информационно-энергетическая линия, соединенная со спутниковым оборудованием и зарядный кабель, соединенный с зарядным разъемом, при этом аппаратный отсек и автоматическая система управления и распределения аппаратного отсека соединены нейлоновым тросом и второй информационно-энергетической линией соответственно с подводным буем-ретранслятором и устройством гидроакустической связи буя ретранслятора, при этом, посредством нейлонового троса подводный буй-ретранслятор соединен с распределительно-коммутационной панелью, которая третьей информационно-энергетической линией соединена с датчиком (CTD-зондом), четвертой информационно-энергетической линией соединена с высокочувствительным датчиком (ПС РЭМ-4-76), пятой информационно-энергетической линией соединена с датчиком (ПС РЭМ-4-50), выполненным с возможностью размещения на поверхности объекта исследования, шестой информационно-энергетической линией соединена с датчиком (ПС «Щуп») выполненным с возможностью размещения внутри объекта исследования, при этом, якорная система также выполнена с возможностью размещения на объекте исследования.
Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что:
Станцию можно использовать удаленно и дистанционно; Возможно проводить сервис оборудования станции, а также заряд системы накопления энергии без отсоединения датчиков от объекта исследования; Измерения можно проводить в непрерывном режиме;
Данные можно получать даже отсутствии непосредственной связи буя и аппаратного отсека;
Станцию возможно использовать в местах с образованием ледового покрытия на поверхности воды.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана структурная схема соединений донной станции, на фиг. 2 показана структурная схема соединений внутри павильона, на фиг. 3 показана схема промежуточного ретранслятора, на фиг. 4 показана схема подводного буя-ретранслятора, на фиг. 5 показана схема взаимодействия донной станции, на Фиг. 6 приведена иллюстрация исполнения донной станции, где:
1 - Аккумуляторный блок
2 - Якорная система
3 - Преобразователь энергии
4 - Автоматическая система управления и распределения
5 - Аппаратный отсек
6 - Нейлоновый трос
7 - Первая информационно-энергетическая линия
8 - Зарядный кабель
9 - Павильон
10 - Промежуточный ретранслятор
11 - Буй
12 - Зарядный разъем
13 - Спутниковое оборудование
14 - Подводный буй-ретранслятор
15 - Нейлоновый трос
16 - Вторая информационно-энергетическая линия
17 - Распределительная коммутационная панель
18 - Третья информационно-энергетическая линия
19 - Четвертая информационно-энергетическая линия
20 - Пятая информационно-энергетическая линия
21 - Подводный буй
22 - Датчик (CTD-зонд)
23 - Датчик (Высокочувствительный ПС РЭМ-4-76)
24 - Якорная система
25 - Объект исследования
26 - Датчик (ПС РЭМ-4-50)
27 - Датчик (ПС «Щуп»)
28 - Шестая информационно-энергетическая линия
29 - Распределительная панель
30 - Комбинированный жгут
31 - Размыкатель
32 - Размыкатель
33 - Комбинированный жгут
34 - Устройство гидроакустической связи
35 - Распределительная панель
36 - Информационно-энергетическая линия
37 - Зарядный кабель
38 - Устройство гидроакустической связи
39 - Аккумуляторная батарея
40 - Информационно-энергетическая линия
41 - Жесткая сцепка
42 - Локатор
43 - Стыковочный механизм
44 - Седьмая информационно-энергетическая линия
45 - Бухта
46 - Нейлоновый трос
47 - Зона исследования
48 - Донная станция
49 - Спутник связи
50 - Приемопередатчик
51 - Центральный сервер
52 - Исследовательская лаборатория
53 - Смежная организация
Осуществление изобретения
Аппаратный отсек 5 Фиг. 1 посредством стыковочного механизма 43, закреплен на якорной системе 2, установленной на дне водоема, внутри аппаратного отсека 5 размещен аккумуляторный блок 1, который закреплен на ответной части размыкателя 43 и посредством нейлонового троса 6 имеет соединение с павильоном 9.
Аккумуляторный блок 1 посредством первой информационно-энергетической линии 7 и зарядного кабеля 8 соединен с преобразователем энергии 3, который посредством первой информационно-энергетической линии 7 и зарядного кабеля 8 соединен с автоматической системой управления и распределения 4, которая с помощью нейлонового троса 6, первой информационно-энергетической линии 7 и зарядного кабеля 8 соединена с павильоном 9. В павильоне 9, нейлоновый трос 6, первая информационно-энергетическая линия 7 и зарядный кабель 8 подключены к распределительной панели 29 Фиг. 2 из которой нейлоновый трос 6, первая информационно-энергетическая линия 7 и зарядный кабель 8 объединенные в один комбинированный жгут 30 соединены с размыкателем 31, который подключен к девятой информационно-энергетической линии 40, которая подключена к распределительной панели 29. Размыкатель 31 посредством жесткой сцепки 41 соединен с размыкателем 32 который подключен к девятой информационно-энергетической линии 40.
Размыкатель 32 посредством жесткой сцепки 41 соединен с промежуточным аккумуляторным блоком - ретранслятором 10, который посредством жесткой сцепки 41 соединен с буем 11. Размыкатель 31 соединен с комбинированным жгутом 33, который размещен в бухте 45 и соединен с промежуточным ретранслятором 10, внутри которого первая информационно-энергетическая линия 7 соединена с аккумуляторной батареей 39 и устройством гидроакустической связи 38. Далее первая информационно-энергетическая линия 7 в составе комбинированного жгута 33 подключена к распределительной панели 35. В буе 11 комбинированный жгут 33 подключен к распределительной панели 35 от которой отходят восьмая информационно-энергетическая линия 36, которая соединена со спутниковым оборудованием 13 и зарядный кабель 37 который соединен с зарядным разъемом 12.
Локатор 42 представляет собой радиолокационную систему, которая работает в рамках определения границы сред «открытая вода - лед» передавая при этом информацию о наличии льда или чистой воды над собой. Максимальная дальность определения ледовой обстановки составляет 5-8 миль.
Локатор 42 закреплен на корпусе павильона 9 и посредством девятой информационно-энергетической линии 40 подключен к распределительной панели 29, от которой последовательно посредством первой информационно-энергетической линии 7 подключен к автоматической системе управления и распределения 4.
В выпущенном состоянии распределительная панель 29 соединена с комбинированным жгутом 33, который подключен к распределительной панели 35, которая размещена в буе 11. Аппаратный отсек 5 соединен с нейлоновым тросом 15, который соединен с подводным буем-ретранслятором 14, который посредством нейлонового троса 15 соединен с распределительно-коммутационной панелью 17. Автоматическая система управления и распределения 4 посредством второй информационно-энергетической линии 16 соединена с подводным буем-ретранслятором 14, в котором параллельно соединена с устройством гидроакустической связи 34 Фиг. 4, далее соединена с распределительно-коммутационной панелью 17.
Распределительная коммутационная панель 17 подключена к третей информационно-энергетической линии 18, четвертой информационно-энергетической линии 19, пятой информационно-энергетической линии 20 и шестой информационно-энергетической линии 28. Третья информационно-энергетическая линия 18 соединена с датчиком (CTD-зонд) 22, четвертая информационно-энергетическая линия 19 соединена с датчиком (Высокочувствительный ПС РЭМ-4-76) 23, пятая информационно-энергетическая линия 20 соединена с датчиком (ПС РЭМ-4-50) 26, шестая информационно-энергетическая линия 28 соединена с датчиком (ПС «Щуп») 27. Датчик (ПС «Щуп») 27 размещен на поверхности объекта исследования 25. Датчик (ПС РЭМ-4-50) 26 размещен внутри объекта исследования 25. На объект исследования 25 установлена якорная система 24, которая соединена последовательно с нейлоновым тросом 46 соединенным с датчиком (Высокочувствительный ПС РЭМ-4-76) 23 далее с тросом 46 соединенным с датчиком (CTD-зонд) 22, далее с тросом 46, который соединен с подводным буем 21.
Принцип размещения элементов системы заключается в следующем:
Аппаратный отсек 5, закрепленный на размыкателе 43, который в свою очередь закреплен на якорной системе 2, размещен на дне, находится на удалении от зоны исследования 47, при этом подводный буй-ретранслятор 14, через который проходят нейлоновый трос 15 и вторая информационно-энергетическая линия 16 обеспечивает натяжения и формирует треугольник, размер боковых граней которого обеспечивает необходимую длину нейлонового троса 15 и второй информационно-энергетической линии 16 для того, чтобы аппаратный отсек 5 можно было поднять на плавучее судно, размещенное над станцией, и обеспечить его сервис в случае необходимости.
Количество буев 11 в павильоне 9 выбирается из расчета сколько лет должна работать станция из расчета 1 календарный год - 1 буй. Павильон 9 обладает положительной плавучестью.
Для обеспечения непрерывной передачи данных количество буев 11 на станции должно быть по меньшей мере 2, один из них находится на поверхности и передает информацию, второй при этом размещен в павильоне 9 и является холодным резервом. Количество элементов, которые обеспечивают работу и отделение буя 11 от павильона 9, а именно промежуточный ретранслятор 10, комбинированный жгут 30, размыкатель 31, размыкатель 32, комбинированный жгут 33, бухта 45, девятая информационно-энергетическая линия 40 кратно количеству буев 11 размещенных в павильоне 9.
В рабочем состоянии аппаратный отсек 5 может находиться как в непосредственной близости от зоны исследования 47, так и на удалении, в зависимости от формы и рельефа дна в месте размещения, павильон 9, имея положительную плавучесть находится под поверхностью воды над аппаратным отсеком 5 на глубине, обеспечивающей не замерзание в зимнее время. Один из буев 11 размещен на поверхности воды, остальные буи 11 размещены в павильоне 9.
В период ледостава, при замерзании, исполнение буя 11 обеспечивает выталкивание его на поверхность дна без обрыва комбинированного жгута 33, что обеспечивает работоспособное состояние станции.
Данные, получаемые с помощью измерительных блоков, отправляются посредством устройства спутниковой связи в исследовательскую лабораторию.
В период ледохода, в случае, если сила натяжения превышает пороговый показатель обеспечивающий безопасность системы срабатывает размыкатель 31 и буй 11 отделяется от павильона 9 и отправляется в дрейф, при этом спутниковое оборудование 13 буя получает питание от аккумуляторной батареи 39 промежуточного ретранслятора 10, при этом включается устройство гидроакустической связи 38.
Автоматическая система управления и распределения 4 получает сигнал через распределительную панель 29 по первой информационно-энергетической линии 7, о том, что произошел отрыв буя 11. В результате чего из автоматической системы управления и распределения 4 по второй информационно-энергетической линии 16 поступает команда на включение устройства гидроакустической связи 34. Автоматическая система управления и распределения 4 по первой информационно-энергетической линии 7, идущей через распределительную панель 29, затем по девятой информационно-энергетической линии 40 передает сигнал на включение локатора 42, который проверяет состояние поверхности воды на предмет наличия ледяного покрытия и передает информацию посредством девятой информационно-энергетической линии 40, через распределительную панель 29 по первой информационно-энергетической линии 7 на автоматическую систему управления и распределения 4 информацию о ледовой обстановке на павильон 9, на котором размещен локатор 42.
Данные, получаемые с помощью измерительных блоков, транслируются посредством устройства гидроакустической связи 34 на устройство гидроакустической связи 38 и затем отправляются посредством устройства спутниковой связи в исследовательскую лабораторию.
После фиксации отсутствия ледяного покрова над павильоном 9, автоматическая система управления и распределения 4 подает сигнал на размыкатель 32, при этом происходит отделения буя 11 от размыкателя и в следствии положительно плавучести буя 11 происходит его подъем на поверхность воды, при этом комбинированный жгут разматывается из бухты 45.
После фиксации рабочего положения буя 11 автоматическая система управления и распределения 4 подает сигнал на включение спутникового оборудования 13.
Емкость аккумуляторных батарей аккумуляторного блока 1 рассчитана таким образом, чтобы обеспечить работу станции в течении 1 года.
Имея географические координаты места расположения один раз в год к станции подводится судно с зарядным устройством, которое подключается к зарядному разъему 12 и производит заряд аккумуляторных батарей аккумуляторного блока 1.
В случае необходимости провести сервис аппаратного отсека с борта плавучего судна производится зацеп нейлонового троса 41 и посредством преодоления порога натяжения стыковочного механизма 43 производится отделение аппаратного отсека 5 от стыковочного механизма 43 и выборка его на борт плавучего судна.
Примеры осуществления
Ниже приведен пример конкретного выполнения устройства, который не ограничивает варианты его исполнения.
Из аккумуляторного блока 1, по первой информационно-энергетической линии 7, энергия попадает на преобразователь энергии 3, там формируются необходимые параметры тока и напряжение, затем по первой информационно-энергетической линии 7 энергия поступает на автоматическую систему управления и распределения 4, откуда энергия распределяется по первой и второй информационно-энергетическим линия 7 и 16. Фиг. 1
Энергия по второй информационно-энергетической линии 16 передается на распределительно коммутационную панель 17, откуда распределяется по третьей, четвертой, пятой и шестой информационно-энергетическим линиям 18, 19, 20, 28. Энергия, направляемая по третьей информационно-энергетической линии 18 запитывает датчик (CTD-зонд) 22, который измеряет температуру, соленость и давление в зоне исследования 47 в непосредственной близости от объекта исследования 25. Энергия, направляемая по четвертой информационно-энергетической линии 19 зачитывает датчик (Высокочувствительный ПС РЭМ-4-76) 23, который измеряет интенсивность гамма-излучения в зоне исследования 47 в непосредственной близости от объекта исследования 25. Энергия, направляемая по пятой информационно-энергетической линии 20 запитывает датчик (ПС РЭМ-4-50) 26 который измеряет интенсивность гамма-излучения в зоне исследования 47 будучи вмонтирован в корпус объекта исследования 25. Энергия, направляемая по шестой информационно-энергетической линии 28 зачитывает датчик (ПС «Щуп») 27, который измеряет интенсивность гамма-излучения в зоне исследования 47 будучи размещенным на поверхности объекта исследования 25.
Энергия по первой информационно-энергетической линии 7 посредством распределительной панели 29 распределяется по меньшей мере 2-м комбинированным жгутам 30, и девятой информационно-энергетической линии 40. Комбинированный жгут 30 представляет собой первую информационно-энергетическую линию 7, зарядный кабель 8 и нейлоновый трос 6 объединенный в единый жгут таким образом, чтобы исключить обрыв электрических линий и обеспечить связь между буем 11 и аппаратным отсеком 5.
Энергия, проходя через размыкатель 31 передается на комбинированный жгут 33, после чего поступает в промежуточный ретранслятор 10, где посредством первой информационно-энергетической линии 7 передается на аккумуляторную батарею 39, далее энергия через распределительную панель 35 поступает по восьмой информационно-энергетической линии 36 на устройство спутниковой связи 13.
По девятой информационно-энергетической линии 40 энергия запитывает размыкатели 31 и локатор 42.
Информация, получаемая от датчиков 22, 23, 26, 27, посредством третьей, четвертой, пятой и шестой информационно-энергетических линий 18, 19, 20, 28 поступает на распределительную коммутационную панель, откуда посредством второй информационно-энергетической линии 16 передается на автоматическую систему управления и распределения 4 откуда по первой информационно-энергетической линии 7 и затем восьмой 36 информационно-энергетической линии поступает на устройство спутниковой связи 13, откуда посредством спутника связи 49 поступает в исследовательскую лабораторию 52, на центральный сервер 51 и по согласованию в смежную организацию 53.
В случае необходимости заряда аккумуляторного блока 1 к зарядному разъему 12 расположенному в буе 11 подключается зарядное устройство, которое может быть доставлено к месту расположения донной станции на водном транспорте, энергия посредством зарядного разъема 12 поступает в зарядный кабель 37, который проходя через распределительную панель 35 входят в состав комбинированного жгута 33, далее энергия проходя через размыкатель 31 поступает на комбинированный жгут 30 и через распределительную панель 29 поступает в зарядный кабель 8, затем энергия поступает на автоматическую систему управления и распределения 4, затем на преобразователь энергии 3 в котором контролируются параметры заряда аккумуляторного блока 1 после чего энергия с необходимыми для заряда параметрами тока и напряжения поступает в аккумуляторный блок 1 для зарядки аккумулятора.
Буй 11 расположен на водной поверхности, при этом исполнения буя 11 в случае образования льда позволяет обеспечить выталкивание его на поверхность и сохранить связь с аппаратным отсеком 5.
Отделение буя 11
При натяжении комбинированного жгута 33 до критических данных грозящих выводу из строя донной станции, размыкатель 31 передает информацию по девятой информационно-энергетической линии 40 по которому через распределительную панель 29 и первой информационно-энергетической линии 7 информация поступает на автоматическую систему управления и распределения 4, после чего, с системы 4 подается посредством первой информационно-энергетической линии 7 на включение устройства гидроакустической связи 38, по второй информационно-энергетической линии 16 на включение устройства гидроакустической связи 34, затем с автоматической системы управления и распределения 4 подается команда на размыкатель 31 на отделения комбинированного жгута 33 от павильона 9. Далее с автоматической системы управления и распределения 4 подается команда на включение локатора 42. Локатор 42 получает информацию о наличии льда на поверхности воды и по девятой информационно-энергетической линии 40 передается ее в автоматическую систему управления и распределения 4. При этом буй 11 отправляется в дрейф на льдине. Информация, получаемая от датчиков 22, 23, 26, 27 передается в автоматическую систему управления и распределения 4 откуда по второй информационно-энергетической линии 16 передается на устройство гидроакустической связи 34, далее по гидроакустическому каналу передается на устройство гидроакустической связи 38, после чего по первой информационно-энергетической линии 7 в составе комбинированного жгута 33 направляется на устройство спутниковой связи 13 и посредством спутника связи 49, по спутниковой связи на приемопередатчик 50, а затем посредством мобильной связи или спутниковой связи попадает в исследовательскую лабораторию 52 и центральный сервер 51.
При получении информации локатором 42 об отсутствии льда над павильоном 9, информация, по девятой информационно-энергетической линии 40 передается на автоматическую систему управления и распределения 4, далее из системы 4 подается команда на размыкатель 32, после чего буй 11 отделяется от павильона 9, и выходит на поверхность воды, при этом выводя за собой комбинированный жгут 33 из бухты 45, затем автоматическая система управления и распределения 4 передает команду на устройство гидроакустической связи 34 на отключение.