Устройство оперативного контроля загрязнения акватории при проведении подводных работ специального назначения

/4 Civil SecurityTechnology, Vol. 13, 2016, No. 1 (47) УДК 629.59:623.827

Устройство оперативного контроля загрязнения акватории при проведении подводных работ специального назначения

ISSN 1996-8493

© Технологии гражданской безопасности, 2016

А.И. Вялышев, В.М. Добров, А.А. Долгов, В.В. Стоянов

Аннотация

Разработана автономная донная станция для оперативного контроля радиационного и химического загрязнения мест проведения технологических работ с подводными потенциально опасными объектами. Она может быть использована как средство индивидуального контроля, так и в составе мобильной системы комплексного мониторинга акваторий.

Ключевые слова: контроль; радиация; мониторинг; химическое загрязнение; чрезвычайная ситуация; донная станция; передача информации; водная среда.

The Device for Operational Control of Water Pollution During Underwater Operations of Special Purpose

ISSN 1996-8493

© Civil Security Technology, 2016

A. Vyalyshev, V. Dobrov, A. Dolgov, V. Stoyanov

Abstract

Developed an autonomous bottom station for operational monitoring of radiation and chemical pollution of the venues of technological work with potentially dangerous underwater objects. It can be used as a means of individual control, and as part of a mobile system integrated monitoring of water areas.

Key words: control; radiation; monitoring; chemical pollution; emergency; bottom station; information transfer; water environment.

При проведении технологических работ с подводными потенциально опасными объектами возможен выход опасных веществ в окружающую водную среду, что может привести к возникновению чрезвычайной ситуации (ЧС). В связи с этим, необходим оперативный контроль радиационного и химического загрязнения в месте проведения работ.

Одним из основных измерительных элементов комплексных систем контроля безопасности проведения подводных работ специального назначения является автономная донная станция контроля химического и радиационного загрязнения акватории.

Существует большое количество донных и буйковых станций, используемых для определения гидрофизических и сейсмических характеристик акватории [1]. Однако в подавляющем большинстве эти измерительные системы рассчитаны на регистрацию гидрофизических параметров водной среды и не предназначены для оперативного измерения загрязнений. При необходимости определения загрязнения берется проба воды и проводится ее анализ в стационарных условиях. То есть они не обеспечивают оперативного контроля радиационного и химического загрязнения в месте проведения работ с немедленной дистанционной передачей данных по назначению.

В связи с указанными обстоятельствами, авторами была разработана автономная донная станция или совокупность таких станций, которая устанавливается в районе проведения работ с подводными потенциально опасными объектами и осуществляет постоянный контроль выхода опасных веществ в окружающую водную среду. Предлагаемая станция в случае превышения заданного уровня загрязнения всплывает на поверхность и передает информацию в спутниковый канал связи системы Iridium, либо «КОСПАС-САРСАТ» [2]. Ее создание было результатом многолетних исследований отечественных ученых и конструкторов и не имеет аналогов в мире.

Помимо измерений уровней химического и радиационного загрязнения водной среды, автономная донная станция предназначена также и для измерений гидрологических характеристик.

Определяются спектры гамма-излучения окружающей морской среды и проводится идентификация радиоактивных веществ, растворенных в морской воде и в поверхностном слое донных отложений.

Также определяются гидрологические характеристики, включая температуру, электропроводность, гидрооптические характеристики, течения на глубинных горизонтах.

Следует подробнее рассмотреть конструктивные и технические особенности автономной донной станции, а также ее работу в режиме контроля химического загрязнения и радиационного загрязнения [3, 4].

Конструктивно автономная донная станция выполнена в виде подводного автономного всплывающего устройства, состоящего из: корпуса с плавучестью; блока химического контроля; блока спектрометрического анализа; устройства управления; радиомаяка спутниковой системы Iridium и «КОСПАС-САР-

САТ»; блока автономного питания; датчика затекания; устройства гидроакустического вызова; механизма размыкания; проблескового маяка.

На рис. 1 представлен внешний вид автономной донной станции.

Рис. 1. Автономная донная станция

Автономная донная станция имеет следующие технические возможности:

мониторинг гамма-квантов и повышенного уровня ионов отдельных химических элементов в морской среде;

задание перед постановкой параметров мониторинга и порога срабатывания с помощью персонального компьютера и автономное электропитание;

хранение результатов мониторинга во внутренней памяти;

механизм размыкания якоря для всплытия на поверхность акватории при выработке сигнала о превышении установленного порога, технической неисправности или при вызове по гидроакустическому каналу;

передача через спутниковую систему Ыdшmна электронного адреса получателя SBD-сообщений, содержащих координаты, причину всплытия и записи от радиационного и электрохимических датчиков;

считывание данные мониторинга из автономной донной станции по кабелю в персональный компьютер;

обнаружение автономной донной станции на поверхности воды в темное время суток по проблесковому световому маячку.

Автономная донная станция может устанавливаться с борта необорудованного судна. Установка производится при волнении моря не более 4 баллов.

Масса донной станции без якоря не более 31 кг, масса якоря (балласта) в воде не менее 14 кг. Длина буйрепа 1-10 м, в зависимости от условий постановки.

Автономная донная станция предназначена для установки на глубинах до 3000 м. Продолжительность функционирования на позиции без изменения своих основных параметров — 24 месяца. Станция устойчива к подводным течениям со скоростями до 2 узлов.

Civil SecurityTechnology, Vol. 13, 2016, No. 1

Срок службы автономной донной станции — 5 лет. Диапазон рабочих температур от 0 до плюс 35 0С.

При всплытии на поверхность в связи с технической неисправностью (затеканием, уменьшением емкости батарей до критического уровня) или ЧС, включается передатчик радиомаяка спутниковой системы Iridium, который излучает радиосигналы, содержащие координаты, код причины всплытия и записанные данные.

При всплытии включается световой проблесковый маяк.

Блок-схема автономной донной станции приведена на рис. 2.

Гидроакустическая антенна

Проблесковый маячок

Блок питания

Акустическая плата +Плата конденсаторов

Датчик затекания

Плата включения питания

Контроллер

Размыкатель

*Лодем+ Антенна)

БСА БХК

(Блок (усилитель

спектрального +электрохи-

анализа УИ- мические

198П+ БДЕГ датчики)

020П)

Рис. 2. Блок-схема автономной донной станции

Блок химического контроля

Химический контроль состояния водной среды на донной станции основан на использовании метода ион-селективных электродов.

Общий принцип работы блока. Морскую воду, с химической точки зрения, принято рассматривать, как многокомпонентный электролит, представляющий собой буферную систему из солей, растворенных в воде.

Предполагается, что многокомпонентная система такого электролита находится в химически равновесном состоянии, и соотношение концентраций составляющих ее элементов остается практически неизменным при любом разбавлении или концентрировании его раствора.

Загрязняющие вещества при контакте с водой подвергаются реакциям гидролиза, при котором образуется избыточная концентрация тех или иных ионов, которые, взаимодействуя с ионами электролита, изменяют равновесное состояние последнего в этом объеме.

По процессу изменения равновесного состояния системы электролита можно оценить поступление в него некоего гидролизующегося химического соединения и, по возможности, приблизительно оценить порядок концентрации его добавки.

С заданной дискретностью фиксируются химические параметры воды, в том числе: нефтяные углеводороды, растворенный кислород, водородный показатель, хлорированные углеводороды, основные химические элементы морской воды (№, С1, Mg, Са, S, К, Вг, Sr), тяжелые металлы РЬ, Cd, Си, J, Cs,

Ро, Ra, Sr, Мо, Pd), фенолы, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), нитритный азот, кремний.

Для получения гидрофизических параметров среды используются датчики электропроводности и температуры (показатель солености).

Техническим устройством, реализующим описанный метод, является ион-селективный электрод (рис. 3).

Рис. 3. Ион-селективный электрод

В блоке химического контроля также используются перекрестно чувствительные электроды.

Под перекрестной чувствительностью понимается свойство сенсора быть специфичным не только к основному определяемому компоненту, но также и к другим компонентам определяемой среды. Использование таких сенсоров позволит проводить интегральный качественный анализ сложных жидких сред.

Таким образом, общее количество электродов 10, плюс электрод сравнения и датчики температуры и электропроводности.

После включения процессор начинает последовательный опрос датчиков температуры, электропроводности и в определенном заданном порядке электрохимических сенсоров.

Полученные от них аналоговые сигналы после усиления отдельно по каждому сенсору поступают в аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и от него, через счетно-решающее устройство процессора, в энергонезависимую память.

Данный процесс определяется как один цикл измерений и занимает по времени порядка одной-двух секунд.

Диапазон измерений электродов по отдельным элементам представлен в таблице:

Элемент Тип мембраны Диапазон измерения, мг/л

Cl- Кристаллическая 0,35-35000

F- Кристаллическая 0,02-1900

S2- Халькогенидный стеклянный 0,03-3200

Cu2+ Халькогенидный стеклянный 0,006-63500

Pb2+ Халькогенидный стеклянный 0,01-20700

Cd2+ Халькогенидный стеклянный 0,1-11200

Ag+ Халькогенидный стеклянный 0,01-10780

Hg2+ Халькогенидный стеклянный 0,02-20000

Блок спектрометрического анализа

Устройство и работа блока спектрометрического анализа. Регистрация гамма-квантов сцинтилляцион-ным блоком детектирования основана на измерении интенсивности световых вспышек, возникающих при их взаимодействии с веществом кристалла. Энергия гамма-квантов преобразуется в энергию световых вспышек, которые регистрируются фотодиодом и преобразуются в амплитуды электрических сигналов.

В блок спектрометрического анализа входят:

Многоканальный анализатор амплитуд импульсов, содержащий спектрометрический АЦП, и устройство накопления и обработки информации;

Блок детектирования в составе сцинтилляционно-го детектора гамма-излучения на основе кристалла CsJ(Tl) размером 019*45 мм, оптически связанного с фотодиодом, и усилителя сигналов детектора.

Периодичность включения блока спектрометрического анализа и длительность измерений задается программой с помощью внешнего персонального компьютера. Энергонезависимая память спектрометра обеспечивает хранение всех результатов измерения и анализа радиационной обстановки.

После окончания цикла измерения включается программа обработки и анализа спектров. Производится оценка динамики изменения радионуклидного состава среды.

Если будет превышено установленное пороговое значение, то процессор многоканального анализатора амплитуд импульсов передает сигнал о ЧС в процессор управляющего устройства донной станции.

Спектр гамма-квантов и результаты анализа радиационной обстановки записываются в запоминающее устройство блока спектрометрического анализа.

Управляющее устройство

Управляющее устройство осуществляет непрерывный контроль напряжений питания, сигнала от датчика затекания для регистрации аварийной ситуации и сигналов от блока химического анализа и блока спектрометрического анализа для выявления ЧС.

Команда на срабатывание размыкателя подается от управляющего устройства в случаях:

превышения заранее установленного радиационного порога;

истечения временного интервала (от внутреннего таймера контроллера, при работе по алгоритму «установка на время»);

попадания воды внутрь прочного корпуса (датчик затекания);

понижения напряжения автономного источника электропитания до критического предела, способного вызвать прекращение нормального функционирования;

вызова автономной донной станции на поверхность по гидроакустическому каналу связи.

Примечание. Решение о всплытии вырабатывается с учетом возможной ледовой обстановки.

При всплытии включается световой проблесковый маяк.При всплытии на поверхность в связи с технической неисправностью (затеканием, уменьшением емкости батарей до критического уровня) или ЧС, управляющее устройство включает передатчик радиомаяка спутниковой системы Iridium, который излучает радиосигналы, содержащие координаты, код причины всплытия и записанные спектры.

После подъема донной станции результаты измерений радиационных спектров и химического анализа могут быть записаны в память персонального компьютера.

Для управляющего устройства предусмотрено три режима функционирования:

1. Регистрация данных — всплытие осуществляется по таймеру или вызову по гидроакустическому каналу. В отдельном случае — при достижении критических уровней напряжения батарей, либо затекании. Сигналы от блока химического контроля и блока спектрометрического анализа о превышении порога игнорируются.

2. Мониторинг — гарантированное всплытие осуществляется по истечении времени таймера, задаваемого оператором, и через вызов по гидроакустическому каналу в произвольный момент времени и при ЧС. В отдельном случае — только при достижении критических уровней напряжения батареи, либо затекании.

3. Контроль-всплытие по превышению порогов уровней, заданных для блока химического контроля и блока спектрометрического анализа или через вызов по гидроакустическому каналу в произвольный момент времени. В особом случае — только по достижению критических уровней напряжения одним из банков батарей либо затеканию.

При принятии решения о всплытии устройство управления учитывает наличие ледового покрова в месте установки автономной донной станции, введенное ранее. При попадании в интервал времени с возможным наличием на поверхности ледового покрова, устройство управления ожидает окончания этого интервала и только потом принимает решение о всплытии.

При нахождении под водой устройство управления автономной донной станции ведет счет времени, выходя из состояния сверхмикропотребления каждые 15 с и опрашивая датчик затекания и напряжения питания трех банков батарей.

Излучение радиосигнала системы автоматически прекращается при подсоединении автономной донной станции к внешнему персональному компьютеру в случае подъема на борт судна, в противном случае продолжается до полного истощения батарей, обеспечивая 6 часов непрерывной передачи.

Радиомаяк спутниковой системы

Аппаратура передачи спутникового радиосигнала состоит из комплексной антенны (Iridium, GPS), установленной на крышке корпуса, и передатчика,

/S Civil SecurityTechnology, Vol. 13, 2016, No. 1

находящегося в герметичном корпусе (модем),уста-новленном в управляющую плату.

Модем может посылать данные GPS с устанавливаемым перед началом работы интервалом времени от 1 секунды до каждые 45 дней.

Встроенный GPS приемник находится в активном состоянии независимо от того, включен или нет терминал при подключенном питании.

Режимы работы модема

Короткие сообщения (SBD). SBD — это простой и эффективный беспроводной способ передачи сообщений размером от 0 до 1960 байтов, без использования выделенных каналов.

Схема передачи сообщений SBD применительно к автономной донной станции:

модем автономной донной станции — спутник Iridium — Iridium Gateway — Internet — почтовый ящик абонента.

Сообщение хранится в почтовом ящике для последующей обработки. Обычно модем поставляется с оборудованием, позволяющим работать как самостоятельное устройство, без соединения с внешними устройствами, для использования в целях слежения за местоположением модема. Однако к модему могут подключаться через последовательный порт внешние датчики.

Модем посылает данные от GPS и датчиков через установленные интервалы времени через E-mail или сервер. Программное обеспечение модема Terminal Software позволяет установить через последовательный порт с помощью персонального компьютера или PDA такие параметры, как идентификационный номер, номер сервера, интервал GPS сигналов, пароль и т.п. После выполнения программирования, модем немедленно посылает на адрес E-mail или на сервер (в зависимости от введенной информации) по установленному графику.

Механизм размыкания

На нижней крышке корпуса автономной донной станции располагается электромагнитный размыкатель типа TOS, обеспечивающий всплытие станции на поверхность.

Для повышения надежности работы размыкателя исполнительный механизм дублирован. Специальная рычажная система позволяет произвести размыкание и отдачу грузового кольца якоря при срабатывании любого из двух исполнительных механизмов.

Управление размыкателем осуществляется от устройства управления.

Датчик затекания

Миниатюрный узел с открытыми контактами, которые замыкаются при попадании морской воды. Сигнальные провода с одной стороны припаиваются

к выводам датчика, с другой стороны имеют разъемы для подсоединения к устройству управления.

Проблесковый маячок

Световой маяк выполнен на сверхярком светоди-оде и расположен в верхней крышке прочного корпуса. Управляющее устройство подает импульсы на маяк длительностью 0,5 с через 2 с после подъема донной станции на поверхность.

Донная станция кроме возможности вызова на поверхность по гидроакустическому каналу может быть оборудована модемом для передачи информации по гидроакустическому каналу связи. Это позволяет помимо информации о возникшей ЧС, передаваемой через спутниковые каналы связи, осуществлять передачу текущей информации о состоянии водной среды [5].

Предусмотрено использование донной станции в составе мобильной системы комплексного мониторинга акваторий.

Таким образом, разработанная авторами автономная донная станция позволяет оперативно контролировать радиационное и химическое загрязнение в местах проведения технологических работ с подводными потенциально опасными объектами и может быть использована как средство индивидуального контроля, так и в составе мобильной системы комплексного мониторинга акваторий в интересах МЧС России.

Литература

1. Алексеев С.П., Римский-Корсаков Н.А. и др. Справочник техни-

ческих средств изучения параметров природной среды Мирового океана. ГНИНГИМОРФ, СПБ, 2009, 183с.

2. Vialyshev A.I., Stoyanov V.V., Paramonova O.A «The System For

Monitoring Of Underwater Potentially Dangerous Objects And Integrated Information Control System With Using Of Autonomous Devices», Proc. The Fourteenth Annual Conference of The International Emergency Management Society ("TIEMS-2007"), Trogir, Croatia, 2007.

3. Стоянов В.В., Вялышев А.И., Степанец О.В.,Плишкин А.Н.Автономная буйковая придонная станция. Патент на изобретение № 2344962, 2009 г.

4. Вялышев А.И., Добров В.М., Стоянов В.В. «Мобильная система

комплексного мониторинга акваторий и способ мониторинга акваторий» Патент на изобретение № 2569938, 2014 г

5. Вялышев А.И., Добров В.М., Долгов А.А., Стоянов В.В. «Автономная донная станция оперативного контроля состояния акватории — элемент системы снижения риска возникновения чрезвычайной ситуации с подводными потенциально опасными объектами», Тезисы докладов ХХ Международной научно-практической конференции по проблемам защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций, 19-21 мая 2015 г, Москва, 2015 г

Сведения об авторах

Вялышев Александр Иванович: д. физ.-мат. н., ФГБУ

ВНИИ ГОЧС (ФЦ), гл. н. с.

121352, Москва, ул. Давыдковская, 7.

E-mail: vialyshev@rambler.ru

SPIN-код — 1070-5547.

Добров Владимир Михайлович: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), с. н. с.

121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. E-mail: dobrov007@mail.ru SPIN-код — 1235-0759.

Долгов Александр Анатольевич: к. физ.-мат. н., ФГБУ

ВНИИ ГОЧС (ФЦ),с. н. с.

121352, Москва, ул. Давыдковская, 7.

E-mail: dolaa@rambler.ru

SPIN-код — 9808-0600.

Стоянов Владимир Владимирович: ООО «СИТЕКРИМ», директор.

113135, Москва, ул. Большая Ордынка, 51. E-mail: stoyanov2000@mail.ru

Information about authors

Vyalyshev Alexander I.: Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Federal Government Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emer-gencies" (Federal Center of Science and High Technology), Chief Researcher.

121352, Moscow, str. Davydkovskaya, 7. E-mail: vialyshev@rambler.ru SPIN-scientific — 1070-5547.

Dobrov Vladimir M.: Federal Government Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies" (Federal Center of Science and High Technology), Senior Researcher.

121352, Moscow, str. Davydkovskaya, 7. E-mail: dobrov007@mail.ru SPIN-scientific — 1235-0759.

Dolgov Alexander A.: Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Federal Government Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emer-gencies" (Federal Center of Science and High Technology), Senior Researcher.

121352, Moscow, str. Davydkovskaya, 7. E-mail: dolaa@rambler.ru SPIN-scientific — 9808-0600.

Stoyanov Vladimir V.: LLC "SITEKRIM", Director. 113135, Moscow, str. Bolshaya Ordynka, 51. E-mail: stoyanov2000@mail.ru