Разработка принципов создания автоматизированной системы для мониторинга уровня воды

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 648.8;796:378

Разработка принципов создания автоматизированной системы для мониторинга уровня воды

В.А. Шкаберин,

В.И. Аверченков

Описаны основные технические требования к конструкции лазерного датчика для измерения уровня воды. Представлены основные принципы создания и структурная схема автоматизированной системы для мониторинга уровня воды в открытых водоемах.

Ключевые слова: мониторинг уровня воды, автоматизированная система, структурная схема, датчик уровня воды, беспроводная связь.

Наводнения являются одним из видов повторяющихся стихийных бедствий и по размерам материального ущерба часто превосходят все другие чрезвычайные ситуации.

Существующие общие климатические тенденции увеличения среднегодовых сумм осадков в результате экстремальных ливневых явлений для предупреждения катастрофических паводков и снижения отрицательных последствий вредного действия вод делают необходимым проведение системного анализа и комплексного мониторинга водного режима рек и открытых водоемов. Особенно актуальным это стало после событий, связанных с крупнейшими наводнениями в 2013 г. в России (в Хабаровском крае). вода лазерный уровень автоматизированный

Проблема комплексного мониторинга водного режима многих рек может быть решена только путем тесного сотрудничества с соседними странами в вопросах разработки и совместного использования систем мониторинга уровня воды в открытых водоемах и прогнозирования чрезвычайных ситуаций. Это связано с тем, что многие реки охватывают территории соседних государств (например, бассейны рек Днепр (Украина Беларусь), Десна (Украина Россия), Сож (Россия Беларусь) и др.).

Вместе с тем анализ открытых источников выявил, что существующие противопаводковые системы малоэффективны и не могут надежно обеспечить защиту населения за счет раннего предупреждения о возможности наводнения. Таким образом, наличие опасного природного явления в виде речных наводнений, несовершенство и ненадежность существующих противопаводковых систем, рост ущерба от наводнений повышают актуальность создания современной надежной системы мониторинга уровня воды открытых водоемов.

Реализуемый совместно учеными вузов России (Брянский государственный технический университет), Украины (Одесский национальный университет им. И.И. Мечникова) и Республики Беларусь (Гомельский государственный технический университет им. П.О. Сухого) проект направлен на разработку методов и создание автоматизированнойпротивопаводковой системы для мониторинга открытых водоемов на основе применения новых конструкций лазерных адаптивных телеуправляемых уровнемеров и современных информационнокоммуникационных технологий.При этом изначально предполагалось, что автоматизированная система будет испытана для мониторинга параметров уровня воды в опасных районах, которые охватывают пограничные территории соседних славянских государств (например, бассейны рек Припять, Днепр, Сож, Десна).

В рамках реализации проекта проведен анализ гидрометеорологических условий, имевшихся на протяжении весны 2013 г. в бассейнах рек Сож, Припять, Днепр. Для этих целей использовались данные, собранные при участии специалистов научнопрактического центра учреждения «Гомельское областное управление Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь».

Сложившиеся гидрометеорологические условия в бассейнах рек Сож, Припять, Днепрв момент формирования максимумов весеннего половодья:

Сож (Гомель) - 661 см (свыше 146 см над опасным уровнем);

Днепр (Жлобин) - 458 см (свыше 48 см над опасным уровнем);

Днепр (Речица) - 461 см (свыше 1 см над опасным уровнем);

Днепр (Лоев) - 623 см (свыше 78 см над опасным уровнем);

Припять (Черничи) - 587 см (свыше 87 см над опасным уровнем);

Припять (Петриков) - 878 см (свыше 98 см над опасным уровнем);

Припять (Мозырь) - 622 см (свыше 122 см над опасным уровнем);

Ипуть (Добруш) - 503 см (свыше 53 см над опасным уровнем);

Уборть (Краснобережье) - 345 см (свыше 40 см над опасным уровнем).

Информация проанализирована по бассейнам рек Сож (4 точки наблюдения), Припять (7 точек наблюдения), Днепр (9 точек наблюдения).

В бассейне рекиСож на территории Беларуси и Российской Федерации высота снежного покрова составляла 1667 см с запасом воды в снеге 41201 мм. На реке Сож и ее притоках Беседь и Ипуть наблюдался ледостав с полыньями. На реках бассейна преобладает рост уровней воды с интенсивностью от 2 до 37 см за сутки.Максимальные уровни воды весеннего половодья в бассейне реки зафиксированы выше средних многолетних значений (рис. 1).

Рис. 1. Уровни воды в реке Сож(по данным гидрометрического поста в г. Гомель)

В бассейне реки Днепр на территории Беларуси и Российской Федерации высота снежного покрова составляла 1974 см с запасом воды в снеге 53201 мм. Повсеместно наблюдался ледостав и ледостав с полыньями, местами отмечалась вода на льду. Интенсивность роста уровней воды составляла 146 см в сутки.Максимальные уровни воды весеннего половодья в бассейне реки зафиксированы выше средних многолетних значений (рис. 2).

Рис. 2. Уровни воды в реке Днепр (по данным гидрометрического поста в г. Лоев)

Проведенный анализ в дальнейшем будет использован с целью оптимизации расположения уровнемеров создаваемой автоматизированной системы противопаводкового мониторинга на гидрометрических постах.

В результате анализа современных конструкций уровнемеров были сформулированы следующие технические требования к лазерному уровнемеру, на основе которого должна строиться автоматизированная система:

уровнемер должен быть защищен от ложного срабатывания при воздействии дестабилизирующих внешних факторов;

уровнемер должен эффективно работать в нестационарных условиях эксплуатации;

конструкция уровнемера должна обеспечивать возможность дистанционного сбора и обработки информации об изменениях уровня воды независимо от состояния окружающей среды;

уровнемер должен иметь возможность оперативно отреагировать на ухудшение экологической ситуации.

Основной подход к реализации новой конструкции лазерного уровнемера заключается в том, что дестабилизирующие внешние факторы могут быть успешно использованы для управления характеристиками разработанного интеллектуального датчика [13] и распознавания оптических сигналов в условиях нестационарных помех. Для этого будут проведены их исследования, установлены основные закономерности и разработаны соответствующие физикоматематические модели.

Рабочая гипотеза при создании уровнемеров - корреляция между параметрами внешних факторов и адаптивным алгоритмом работы оптиколокационного уровнемера, которая предполагает, что использование динамики оптикогеометрических соотношений усовершенствует измерительный процесс по параметрам точности.

Исследование структуры оптических сигналов в атмосферном канале и их влияния на точностные характеристики используемого сенсора позволяет развить новые в данной научной области методы и получить принципиально новые результаты и способ решения сложной научнотехнической задачи, что не только способствует развитию соответствующей научной отрасли и смежных отраслей, но и имеет инвестиционную привлекательность.

Оптимизация управления динамическим объектом с переменной структурой при наличии значительной неопределенности его текущего состояния возможна лишь при использовании структур, обеспечивающих оперативное получение достоверной информации о состоянии объекта в контролируемом регионе.

Увеличение эффективности применения оптиколокационных методов и устройств путем использования цифровых методов обработки сигналов позволит существенно снизить количество аналоговых функциональных операций и решить поставленные в проекте задачи.

В результате анализа современных программноаппаратных разработок в области мониторинга уровня воды были сформулированы следующие основные технические требования к создаваемой автоматизированной системе:

система должна иметь распределенную архитектуру, включающую главный узел (базовую станцию) и измерительные узлы (измерительные станции);

система должна базироваться на использовании современных бесконтактных лазерных уровнемеров, которые обладают возможностями учета посторонних влияний, предоставления достоверной информации, адаптации к внешним условиям (рационального изменения режимов работы), организации передачи информации на основе использования беспроводных каналов связи в режимах, максимально приближенных к режиму реального времени;

система должна позволять осуществлять дистанционный контроль и оповещение о состоянии водных объектов с помощью персонального компьютера или мобильного телефона в автоматическом режиме, используя сеть сотовой связи;

система должна обладать обширной базой данных для накопления и систематизации результатов измерений уровня воды;

заполнение базы данных с результатами измерений уровня воды должно проводиться в 2 режимах: автоматическом (путем передачи информации с датчиков уровня воды и обработки этой информации в автоматизированной системе) и диалоговом (оператором автоматизированной системы);

в состав системы должен входить модуль прогнозирования и/или подсистема поддержки принятия решений;

в состав системы необходимо включить модуль визуализации результатов измерений уровня воды.

На основе сформулированных технических требований была разработана концепция создания и укрупненная структурная схема автоматизированной системы противопаводкового мониторинга уровня воды в открытых водоемах.

Предполагается, что распределенная архитектура автоматизированной системы будет включать один главный узел (базовую станцию) и несколько измерительных узлов (измерительных станций).

Базовая станция представляет собой сервер или персональный компьютер, где осуществляется сбор информации об уровне воды с измерительных станций, отображение этой информации в удобном для пользователя виде (карта гидрометрических постов с таблицами и диаграммами и др.).

Измерительная станция является системой, состоящей из основного процессорного блока и беспроводных бесконтактных датчиков уровня воды. Она осуществляет сбор информации с датчиков с помощью беспроводного канала связи, предварительно обрабатывает ее для уменьшения (компенсации) погрешности измерения и передает на базовую станцию. При этом процессорный блок может быть реализован на основе ARMпроцессора со встроенной операционной системой Linux. Используя беспроводной канал связи, он получает информацию с датчиков и осуществляет управление их конфигурацией и опросом. Также процессорный блокдолжен иметьWebинтерфейс, который позволит удаленно выполнять настройку всей измерительной станции.

Укрупненная структурная схема автоматизированной системы противопаводкового мониторинга уровня воды в открытых водоемахпредставлена на рис. 3.

В качестве датчиков для измерения уровня воды целесообразно использовать лазерные уровнемеры новой конструкции, которые способны к сложной обработке полученных сигналов, обеспечивают учет посторонних влияний и позволяют получить достоверную информацию. Кроме того, указанные уровнемеры обеспечивают рациональное изменение режимов работы в зависимости от обстоятельств, приспособлены к передаче данных по компьютерным сетям в режиме реального времени [13].

Сигнал от уровнемеров по каналам сотовой связи передается в измерительные модули, которые могут физически размещаться, например, на процессорных блоках. Информация из измерительных модулей может быть передана по каналам Интернет на базовую станцию, где размещены основные модули автоматизированной системы модуль обработки результатов измерений уровня воды, модуль визуализации и модуль прогнозирования, связанные с базой данных, в которой представлены результаты измерений уровня воды.

Модуль визуализации должен позволять представлять фактические результаты измерений уровня воды, а также прогнозируемые значения, рассчитанные в модуле прогнозирования, в удобном для принятия решений виде. Один из вариантов - отображение информации, накладываемое на карты водоемов. Реализация этого варианта предполагает взаимосвязь с геоинформационной системой, в которой должны быть представлены анализируемые водные объекты.

Модуль прогнозирования должен обеспечивать на основе применения математических методов статистики вычисление прогнозных уровней воды на определенный период.

Наиболее перспективный вариант - использование полноценной подсистемы поддержки принятия решений с базой знаний, которая позволит формировать рекомендации для оперативного принятия решений специалистом по чрезвычайным ситуациям. Результаты измерений могут не только автоматически передаваться в автоматизированную систему по каналам связи от уровнемеров, но и вводиться оператором автоматизированной системы вручную. Поддержка 2 указанных режимов работы существенно расширяет возможности применения системы, обеспечивая ее универсальность и соблюдение принципов модульности и расширяемости при разработке программного обеспечения автоматизированной системы противопаводкового мониторинга.

Рис. 3. Структурная схемаавтоматизированной системы противопаводкового мониторинга уровня воды в открытых водоемах

В настоящее время ведутся работы по созданию прототипа автоматизированной системы противопаводкового мониторинга.

Использование этой системыдля проведения локальных и глобальных обобщений по гидрологическому состоянию водных объектов в смежных межгосударственных районах позволит более оперативно осуществлять межгосударственные организационнотехнические противопаводковые мероприятия, направленные на уменьшение материальных и человеческих потерь от природных катастроф.

Система позволит расширить возможности оперативного мониторинга путем увеличения объема и качества опорной информации, получаемой на гидрометрических постах, и обеспечит развитие дистанционных методов контроля количественных характеристик и гидрологического состояния водных объектов путем создания автономных уровнемеров с высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками на базе современной микропроцессорной техники и средств телекоммуникации.

Экономический эффект от применения автоматизированной системы будет достигнут за счет своевременного предупреждения катастроф и, следовательно, уменьшения материальных и людских потерь, что предполагает получение также и социального эффекта.

Список литературы

1. Лепих, Я.И. Применение оптикогеометрического метода в ближайшей оптической локации/Я.И. Лепих, И.А. Иванченко, Л.М. Будиянская// Изв. вузов. Радиоэлектроника. - 2012.Т.55. № 2. - С. 4249.

2. Лепіх, Я.І. Інтелектуальнівимірювальнісистеми на основімікроелектроннихдатчиків нового покоління:монографія/Я.І. Лепіх, Ю.О. Гордієнко, С.В. Дзядевич [та ін.]./ Одеса: Астропринт, 2011. 352 с.

3. Лепіх, Я.І. Мікроелектронні датчики нового покоління для інтелектуальних систем: основнітехнічні характеристики /Я.І. Лепіх, Ю.О. Гордієнко,С.В. Дзядевич [та ін.]./ Одеса: Астропринт, 2011.92 с.

Размещено на Allbest.ru