Способ организации передачи данных от совокупности средств радиационного мониторинга окружающей среды в центр обработки информации
METHOD OF ORGANIZING DATA TRANSMISSION FROM A COLLECTION OF ENVIRONMENTAL RADIATION MONITORING MEANS TO AN INFORMATION PROCESSING CENTRE

Изобретение относится к области организации передачи данных по автоматизированному каналу связи, а именно, организации передачи данных в информационно-измерительных системах контроля и выявления радиационной обстановки.
Аварийные ситуации, связанные с разгерметизацией активной зоны реактора, обусловливают образование обширных по площади районов загрязнения. Так в случае аварии, связанной с выбросом в атмосферу радиоактивного аэрозоля, образуется радиоактивный след. Для определения его параметров используются информационно-измерительные системы, включающие в качестве основных структурных элементов подвижные средства радиационного мониторинга (РМ) и центр обработки информации (ЦОИ).
Определение параметров радиоактивного загрязнения на местности, например распределения мощности доз гамма-излучения (МД) заключается в том, что подвижное средство перемещается по заданному маршруту и через определенные временные (пространственные) интервалы осуществляет измерение уровней радиации. Координаты точки измерения, время проведения измерения и измеренная величина мощности дозы составляют информационное сообщение, которое должно быть передано с борта подвижного средства в ЦОИ.
Значительные масштабы загрязнения местности и требование осуществить выявления обстановки в сжатые сроки обуславливают необходимость одновременного функционирования нескольких подвижных средств мониторинга. Это может повлечь за собой ситуацию, когда поступление сообщений будет происходить с интенсивностью, которая превышает возможности ЦОИ по скорости приема сообщений. В этом случае на средствах мониторинга будут образовываться и непрерывно возрастать очереди из непереданных сообщений.
Аналогичная ситуация может сложиться, когда существует высокая вероятность искажения сообщения при передаче по каналу связи. В этом случае возникает необходимость в повторных передачах сообщений, что дополнительно загружает канал связи и может привести к возникновению очередей из непереданных сообщений на средствах мониторинга.
С учетом необходимости обеспечения радиационной безопасности населения выявление обстановки должно осуществляться в течение заданного времени, исключающего получение доз свыше допустимых людьми, находящимися в пределах зараженных районов. Однако образование очередей из сообщений будет обуславливать получение в течение заданного времени только части необходимой информации. Это повлечет за собой снижение достоверности принимаемых решений по защите населения и, как следствие, получение рядом людей избыточных доз облучения.
Известны способы, которые позволяют проводить временное уплотнение передаваемого сообщения. Например, возможно каждый байт передавать не с помощью совокупности из n сигналов, каждый из которых описывает один информационных бит, а с помощью только одного сигнала, имеющего специальную структуру в частотной области спектра. Кодировка значения каждого бита осуществляется заданием одной из нескольких используемых частот, таким образом, что спектр передаваемого сигнала в общем случае содержит (n+1) гармоническую составляющую [1. Способ сокращения данных при передаче и/или накоплении цифровых сигналов. Патент РФ на изобретение №2099906, МПК H04S 1.00 от 20.12.1997 // Изобретения и полезные модели. №35.Часть II. 1997. С. 624].
Однако проведенный выше способ требует специального аппаратного оборудования. Кроме того, при таком подходе будет уменьшено время передачи сообщения, но интенсивность потока сообщений не будет уменьшена.
Известен способ сокращения данных при передаче и накоплении цифровых сигналов от взаимно зависимых источников данных, заключающийся в преобразовании входных сигналов из временного диапазона в спектральные величины частотного диапазона, с тем, чтобы определить величину, характеризующую спектральное различие между сигналами различных каналов, которую сравнивают с заданным пороговым значением, а при величине спектрального различия, меньшей порогового значения, совместно кодируют сигналы из различных каналов [2. Способ передачи сообщения и устройство для его осуществления. Патент РФ на изобретение №2097924, МПК Н04В 7/00, 11/00 от 27.11.1997 // Изобретения и полезные модели. №33.Часть II. 1997. С. 499].
Недостатком данного способа является то, что величина сокращение объема данных не является заранее известной и фиксированной величиной. Следовательно, всегда будет существовать вероятность нарушения требований по оперативности оценки обстановки, что является неприемлемым.
Известен способ, позволяющий уменьшить количество передаваемых сообщений от средства радиационной разведки, которое заключается в аппроксимации функции поля мощности дозы вдоль отрезка маршрута движения, а так же аппроксимации функции, описывающей маршрут движения. При этом на ЦОИ должны передаваться не сами значения мощности дозы гамма-излучения и координаты точек измерения, а коэффициенты аппроксимации и координаты начала и конца рассматриваемого отрезка маршрута [3. Способ сокращения данных при передаче цифровых сигналов. Патент на изобретение №2219659. Бюллетень №35 от 20.12.2003].
Названный способ позволяет до 5 раз сократить количество передаваемых сообщений. Основным недостатком этого способа является необходимость специальной математической обработки результатов измерений как на самом подвижном средстве, так и на ЦОИ. Вместе с тем на существующих подвижных средствах радиационного мониторинга (например, РХМ-4, РХМ-6) отсутствуют бортовые ЭВМ, позволяющие свободно манипулировать результатами измерений, производя их обработку по некоторому новому предложенному способу.
В этой связи целью изобретения является разработка способа организации передачи данных от совокупности средств радиационного мониторинга окружающей среды в центр обработки информации, не предполагающего предварительную обработку формируемых сообщений, но в то же время обеспечивающего достижение максимально возможной достоверности оценки радиационной обстановки в условиях реализованной интенсивности передачи данных и существующего качества канала связи.
Данная цель достигается тем, что нарушают очередность передачи сообщений, определяемую последовательностью проведенных измерений, и начинают передавать сообщения, выбирая их случайным образом из имеющейся совокупности непереданных сообщений. Результат достигается за счет того, что уменьшается первоначально запланированная плотность точек, по результатам измерений в которых осуществляется аппроксимация параметров всего поля заражения, но при этом выбранными точками покрывается вся территория, в пределах которой осуществляется мониторинг обстановки.
При существующем способе передачи данных и получении только части запланированной информации результатом является полностью достоверное описание некоторого участка контролируемой территории и полное отсутствие данные об остальной территории. При предлагаемом способе получают описание заражения всей территории, хотя и с несколько сниженной достоверностью, но при этом вполне достаточным для получения полного понимания всей обстановки.
x
y
Для обоснования сформулированного положения рассмотрим поле параметров ионизирующего излучения, например, поле мощности доз гамма-излучения Р(х,y) на следе радиоактивного облака. Выберем систему координат таким образом, чтобы направление оси следа совпадало с осью ОХ. Будем считать, что средства мониторинга ведут разведку следа, двигаясь галсами, как это показано на фигуре 1. Обозначим расстояние между галсами как L, а расстояние между точками измерения на галсе как L. В этом случае погрешность аппроксимации поля Р(х,у) можно оценить следующим образом:
x
где δ - погрешность аппроксимации функции Р(х,у) вдоль осиОХ, отн. ед.;
y
δ - погрешность аппроксимации функции Р(х,у) вдоль оси OY, отн. ед.
общ
Допустим, что каждому средству необходимо провести измерения на n галсах. Тогда общее количество точек, в которых каждое средство должно выполнить измерения, будет равно
гл
где S - протяженность галса, км.
мн
В качестве требования к проведению мониторинга выступает условие, что все измерения должны быть проведены, а полученные данные переданы в течение заданного интервала времени Т.
мн
нпр
x
В случае появления очереди на передачу сообщений к концу интервала времени Т не будет передано некоторое количество сообщений. Поскольку в обычном режиме функционирования последовательность проведения измерений совпадает с последовательностью передачи сообщений, то непереданные сообщения будут относиться к точкам измерения, расположенным на последних n галсах, вдоль которых двигалось средство мониторинга. Это будет означать, что расстояние между точками в направлении оси ОХ существенно увеличится, и как следствие резко возрастет погрешность δ. Суммарную погрешность аппроксимации в этом случае следует охарактеризовать как
нпр
С учетом того, что не были переданы сообщения, соответствующие измерениям, проведенным на n последних галсах, количество точек, результаты измерений в которых были переданы, составит
мн
Рассмотрим предельный случай, наиболее наглядно иллюстрирующий предлагаемый способ передачи данных. Для этого предположим, что очередь сообщений начала формироваться в самом начале ведения мониторинга и практически в течение всего времени Т сообщения для передачи выбирались случайным образом из имеющейся совокупности. В этом случае среднее расстояние между точками, результаты измерений в которых были переданы, можно оценить следующим образом:
Следовательно, суммарную погрешность аппроксимации функции поля Р(х,у) можно оценить с использованием выражения
Очевидно, что применением предлагаемого способа организации передачи сообщений целесообразно в том случае, когда погрешность, определяемая выражением (3), будет больше погрешности, определяемой (6):
x
y
Полагая, что функция Р(х,у) изменяется на малую величину при приращении координат х и у на величины L и L, соответственно, рассматриваемые погрешности можно оценить следующим образом:
В этом случае правомерно записать:
Проведя тождественные преобразования выражения (9), получаем:
Принимая во внимание (8), вводим обратно обозначения погрешностей:
x
y
х
y
Вполне естественно принять, что L и L были выбраны таким образом, что δ=δ. В этом случае получаем:
Это означает, что при образовании очереди из сообщений использованием предлагаемого способа организации передачи всегда будет более рациональным, чем последовательная передача сформированных сообщений.
Рассмотрим вариант применения предлагаемого способа и оценим эффективность его реализации.
В качестве модельной ситуации проведем анализ результатов выявления радиационной обстановки на следе радиоактивного облака выброса. В настоящее время для описания следов существует большое количество различных выражений, учитывающих различные особенности распространения радиоактивного облака и седиментации радиоактивного аэрозоля на подстилающую поверхность [4. Метеорология и атомная энергия. Ф.А. Гиффорд, Н.Ф. Ислицер, Г.А. Бриггс [и др.]; под ред. Д.Х. Слейда; пер. с англ. - Ленинград: Гидрометеоиздат, 1971. - 648 с.; 5. Израэль Ю.А., Петров В.Н., Северов Д.А. Моделирование региональных радиоактивных выпадений из облака наземного ядерного взрыва // Метеорология и гидрология. - 1997. - №4 - С. 16-24]. Однако все предлагаемые зависимости учитывают следующие основные законы:
- плотность загрязнения (мощность дозы излучения) на оси следа уменьшается на мере удаления от точки выброса, поскольку облако обедняется с течением времени и количество выпадающих из него радиоактивных материалов в единицу времени постепенно уменьшается;
- в любом сечении следа плотность загрязнения (мощность дозы излучения) распределена приблизительно по нормальному закону, так как такой же закон распределения характерен для распределения аэрозоля в самом облаке;
- положение оси следа изменяется в зависимости от расстояния до эпицентра вследствие ряда причин, включая влияния турбулентных пульсаций ветрового потока с периодом, превышающим размер самого облака.
Перечисленные особенности характеризуются радиоактивным следом, изображение которого приведено на фигуре 2 [6. Израэль Ю.А. Мирные ядерные взрывы и окружающая среда. - Ленинград: Гидрометеоиздат, 1974. - 135 с.].
Отсюда следует, что распределение параметров радиоактивного загрязнения можно качественно описать, например, следующей общей зависимостью:
где
0
1
2
3
4
5
6
p, k, k, k, k, k, k - эмпирические коэффициенты;
- средний размер турбулентных пульсаций ветрового потока, превышающих текущий размер облака и обуславливающих его перенос как единого объекта.
На фигуре 3 приведено изображение изолиний, построенных с использованием функции (13) при следующих значениях параметров:
0
1
2
3
4
5
р=0,05; k=20; k=0; k=0,5; k=0.3; k=0,2;
Полученное распределение повторяет в целом конфигурацию изолиний на реальном следе, изображенном на фигуре 2, и пригодно для моделирования.
Будем считать, что мониторинг загрязнения осуществлялся 3 подвижными средствами. Лимит времени на проведение мониторинга равен 0,5 часа. Каждое средство должно провести измерения, двигаясь со средней скоростью 60 км/ч по трем галсам, каждый из которых имеет протяженность 10 км и отстоит от других галсов на расстоянии 3 км. На каждом галса необходимо провести измерение в 41 точках, отстоящих друг от друга на расстоянии 0,25 км.
При идеальном состоянии канала связи (вероятность передачи правильного сообщения с одного раза близка к 1) и отсутствии флуктуаций в скорости движения средств мониторинга в течение заданного времени на ЦОИ будет получена практически вся необходимая информация. Исходные данные и результаты расчета приведены на изображении интерфейса моделирующей программы [7. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2018660133 от 16.08.2018. Программа моделирования процесса передачи данных совокупностью источников информации на один приемник (Transfer)], приведенном на фигуре 4, рисунок (а). Форма изолиний, которые должны получиться на основании полученных данных, показана на фигуре 5, рисунок (а).
Однако если величина флуктуации скорости движения средств мониторинга будет равна 0,5, а вероятность передачи правильного сообщения с одного раза составит 0,7, то, как это показано на фигуре 4, рисунок (б), в течение заданного времени будет передано только около 128 сообщений. При обычном способе организации передачи сообщений это будет означать, что каждым средством будут переданы результаты измерений только с одного (первого) из заданных трех галсов. Если полученные данные использовать для построения изолиний поля мощностей доз, то получится картина, изображенная на фигуре 5, рисунок (б). Как видно из сравнения рисунков (а) и (б), представленных на фигуре 5, искажение картины заражения будет весьма значительным.
Если использовать предлагаемый способ то все полученные 126 сообщений будут относиться к точкам, относительно равномерно распределенным по всем заданным галсам. При этом на каждый из галсов в среднем будет приходиться по 13 результатов измерений, переданных на ЦОИ. На основании полученных данных может быть построена картина конфигурации поля мощностей доз, приведенная на фигуре 5, рисунок (в). Полученная картина менее детальна, чем ожидаемая (фигура 5, рисунок (а)), однако она достаточно подробно описывает основные детали конфигурации заражения в отличии от картины, получаемой при существующем способе организации передачи сообщений.