XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Введение

Наиболее частыми причинами возникновения пожаров в сельскохозяйственных региона и лесах является человеческий фактор и аномальные погодные условия, например длительная засуха [1]. Полностью оценить ущерб и последствия пожаров в масштабах страны и мира в данный момент невозможно. Причиной этому является отсутствие постоянного наблюдения на всей территории. В подавляющем большинстве случаев, детальное наблюдение за движением фронта пожара и другими параметрами осуществляется только в момент борьбы с возгоранием. На отдельных территориях ведется постоянный мониторинг, но их доля в сравнении с территорией регионов или страны невелика. Соответствующие исследования проводили Топольский Н.Г., Белозеров В.В., Никулин М.А., Ворошилов И.В. [2].

В серии трудов по разработке агропожарного комплекса на базе дирижабля было проведено моделирование с применением отечественных научных трудов и инноваций [3, 4], Оно доказало возможность и целесообразность создания на базе гибридных дирижаблей линзообразной формы «Аэросмена» агропожарных комбайнов-дирижаблей, способных реализовать современные наукоемкие технологии земледелия и противопожарной защиты сельхозугодий и лесных массивов России [5-7].

На основе системного анализа агротехнологий земледелия и растениеводства, в частности, трудов отечественных ученых И.Е. Овсинского, академиков Д.Н. Прянишникова и И.С. Шатилова, была выполнена оптимизация указанных процессов и осуществлен системный синтез модели агропожарного комбайна-дирижабля [8-10].

Как показало моделирование, АПКД может не только вывести отечественное земледелие на неконкурируемый уровень производства и качества сельскохозяйственной продукции, но и создать основу, для взаимодействия региональных подразделений Рослесхоза, Росагропрома и МЧС РФ, в целях обеспечения продовольственной и пожарной безопасности России [6].

Интеграция

Оборудование, установленное в агропожарном дирижабле, интегрирует в одном комплексе следующие технологии и возможности из двух основных сфер применения. В сфере точного земледелия: точное определение местоположения, создание и обновление карт местности; анализ состояния посевов в различных спектральных диапазонах, позиционное распыление необходимых удобрений. Для нужд пожарной охраны сельхоз угодий: обнаружение пожаров с помощью камер видимого и инфракрасного диапазонов; оценка содержания горючих материалов на местности; создание 3D карт для последующего использования в управлении процессом тушения; сепарация азота из воздуха для сверхзвукового тушения возгораний; обработка данных в реальном времени и управление оборудованием; связь и передача данных в центр управления (рис. 1) [5].

Рисунок 1 – Технологии агропожарного дирижабля

Для успешной реализации концепции объединения различных технологий разрабатывается АСУ ТП, которая будет координировать работу всего комплекса. Это позволит обеспечить общую работоспособность и согласованность системы, а также оптимизировать процессы сбора и обработки данных. Оптическая подсистема с опорой на глобальные системы позиционирования будет выполнять картографирование, мультиспектральный анализ с привязкой к местности, позиционирование в момент выполнения полетных заданий и распыления удобрений, обнаружение пожаров, оценку объема горючих материалов и индикацию зоны возгорания на оперативной карте. Для этого необходимы камеры с высоким разрешением и различными оптическими системами для анализа изображения на большом расстоянии [11, 12]. Рассмотрим одно из звеньев разрабатываемой АСУ ТП.

В качестве основы системы азотного пожаротушения была выбрана структура азотной компрессорной мембранной установки производства Краснодарского компрессорного завода. Система была доработана с учетом необходимости разместить на выходе КМУ ресивер, в котором будет накапливаться азот под большим давлением, после чего подаваться в зону горения с помощью клапанов и сопел Лаваля. Для данной концепции была разработана схема автоматизации, в соответствии с которой можно провести интеграцию азотной мембранной установки пожаротушения в общую систему управления агропожарного дирижабля или другого летательного аппарата.

Основой всей системы с точки зрения управления является компрессор, который управляется в соответствии с текущим давлением и температурой в ресивере.

Рисунок 2 – Схема автоматизации управления выходным давлением контейнерной мембранной станции

В данном случае под словом управление понимается сбор данных о текущем состоянии агрегата, мониторинг его рабочих параметров, а также формирование управляющего воздействия, которое может заключаться в регулировании скорости, положения, запуск и остановка.

В результате нагнетания достаточного количества азота с заданным давлением в ресивер появляется возможность использования импульсного режима пожаротушения. Для этого при достижении уставки давления в ресивере система формирует сигнал на открытие клапанов, что приводит к выбросу сверхзвуковой струи азота через сопла Лаваля. При этом открытие сопел происходит с заданными интервалами времени.

В соответствии с рациональным проектированием систем агропожарного дирижабля было принято решение сгруппировать отдельные технологические процессы в локальные системы управления, например такие, как предложено выше, после чего интегрировать их в систему управления верхнего уровня. Система верхнего уровня должна обеспечивать взаимосвязь подсистем, их синхронизацию и возможность управления оператором агропожарного дирижабля в кабине пилотов или удаленно из центра управления.

В соответствии с этой концепцией локальная система азотного пожаротушения построена таким образом, что она полностью управляема с верхнего уровня. В автоматическом режиме работы локальная система получает сигнал об обнаружении возгорания, а после того, как подсистема позиционирования агропожарного дирижабля подтвердит нахождение над очагом возгорания на необходимой высоте, получает сигнал разрешения работы. После этого начинается циклический процесс накопления азота в ресивере и подачи его в зону горения. Таким образом большая часть процессов работы самой установки выполняется мощностями локальной системы управления, что разгружает систему верхнего уровня. Такая концепция получила широчайшее распространение во всех сферах промышленности и управления технологическими процессами.

Разработка визуализации для АСУ точного земледелия и пожаротушения.

Для управления системой, включающей в себя все вышеперечисленные элементы, необходимо разработать интерфейс оператора, который обеспечит возможность настройки отдельных параметров и управления всеми внутренними процессами отдельных подсистем. Для таких задач оптимальным решением будет SCADA система с наибольшим количеством требуемых инструментов.

В соответствии с описанной концепцией разрабатывается подсистема управления для блока установки азотного пожаротушения. В качестве платформы была выбрана Simple SCADA, так как данная SCADA система обладает достаточно гибкими возможностями разработки и масштабирования. В ней представлен весь необходимый функционал от графики, трендов, системы оповещений и генерации отчетов до функционала взаимодействия со всевозможными OPC серверами с детальной настройкой переменных, что крайне важно для системы управления, состоящей из множества разнообразных локальных систем.

Рисунок 3 – Экран управления подсистемой азотного пожаротушения

На рисунке выше представлен интерфейс оператора, с помощью которого он может в полной мере управлять любым узлом установки азотного пожаротушения в ручном режиме, менять настройки, а также переводить систему в автоматический режим для работы агропожарного дирижабля как единой автоматизированной единицы.

Экран управления наглядно отображает состояние элементов системы, что позволяет быстро оценить ее состояние. Например, изображение задвижек меняется в зависимости от их состояния.

В основе управления данной установкой лежит алгоритм поддержания заданного давления в ресивере с помощью компрессора. Данные о давлении, получаемые с датчиков, обрабатываются, и по закону PID регулирования вырабатывается управляющее воздействие на компрессор. В результате достигается оптимальный переходный процесс поддержания давления в ресивере. При достижении уставки давления в ресивере выполняется открытие клапанов на заданное время, в результате чего формируется сверхзвуковая струя азота. Время импульса и паузы определяется в соответствиями с характеристиками компрессорной установки и ресивера. Они подбираются таким образом, чтобы обеспечить подачу импульсов со скважностью приблизительно равной 50%. Также система может уменьшить интенсивность тушения при условии, что возгорание менее значительно. В отдельных случаях возможно использование части сопел, другие при этом блокируются в системе управления.

Удаленный мониторинг, управление и архивирование.

Для обеспечения удаленного управления и мониторинга состояния автоматизированных систем возможно применение облачных сервисов. Одним из таких сервисов является OwenCloud разработанный российской компанией ОВЕН [13].

Сервис OwenCloud применяется для удаленного мониторинга, управления и хранения архивов данных приборов, используемых в системах автоматизации. Приборы подключаются к сервису по интерфейсам RS-485 (с помощью специальных сетевых шлюзов) или Ethernet (в этом случае требуется подключение приборов к сети с доступом к Интернету).

Пользователь получает доступ к сервису с помощью web-интерфейса или мобильного приложения. В обоих случаях необходимо подключение к сети Интернет.

Сервис предоставляет пользователям следующий базовый функционал:

• сбор данных с подключенных устройств;

• хранение считанных данных в течение 90 дней;

• отображение данных в виде мнемосхем, графиков и таблиц;

• отображение устройств на карте;

• удаленное управление устройствами;

• сохранение и загрузку конфигураций устройств;

• интеграция со SCADA-системами с помощью бесплатного ОВЕН OPC-сервера или по протоколу OPC UA;

• открытый API для интеграции с другими информационными системами.

Рисунок 4 – Тестовые объекты на карте Москвы

По каждому объекту возможно получение информации о состоянии (рис. 5)

Рисунок 5 – Мониторинг состояния тестового объекта «Котельная» в реальном времени

Также существует возможность отображения параметров в виде графиков, что необходимо при анализе критических событий. Сервис поддерживает и возможность управления объектами с помощью изменения управляемых параметров.

Например, можно запустить или остановить работу автоматизированной системы или изменить уставку выходного параметра. Сервис также предусматривает способы управления, учитывающие возможные потери сигналов управления или изменения условий к моменту поступления управляющей команды на объект.

Сервис предоставляет инструменты для создания собственных мнемосхем, что позволяет применять его на любых объектах.

Описанный функционал может быть использован в целях проекта, так как позволяет реализовать удаленный мониторинг и управление в условиях поставленной задачи. Так как для интеграции сервиса используются такие распространенные интерфейсы, как RS-485 и Ethernet, он идеально подходит для использования в разрабатываемой системе. А наличие открытого API позволяет получать доступ к данным сервера с помощью собственных приложений.

Заключение.

Применение описанных решений позволяет добиться значительных результатов: точность обнаружения возгораний до 90% [5]; точность оценки объема горючих материалов до 99,5% [5]; высокая точность показателей мультиспектрального анализа; высокая точность позиционирования и картографирования; возможность точечного распыления химических составов; использование атмосферного азота в качестве бесконечного огнетушащего состава, а следовательно отсутствие необходимости дозаправки водой или другим огнетушащим составом [4]; минимальные затраты на нахождение агропожарного дирижабля в воздухе и патрулирования территории в сочетании с возможностью оснащения всем необходимым оборудованием; автоматический и ручной режимы работы для различных ситуаций. АСУ ТП агропожарного комплекса обладает модульной масштабируемой структурой, что делает ее удобной в разработке, отладке и модернизации, а возможности системы позволяют реализовать весь перечень запланированных характеристик. Описанный комплекс решений обеспечивает достижение значительных результатов в обеспечении продовольственной и пожарной безопасности России [14, 15].

Список использованных источников

1. Тужилин С.Ю. Практическая биодинамика в Сибири – Иркутск: ОАО «Иркутская типография № 1», 2002.- 66с.

2. Белозеров В.В., Ворошилов И.В., Денисов А.Н., Зубков С.Г., Никулин М.А., Топольский Н.Г., Белозеров Вл. В. Способ обнаружения и тушения пожаров сельхозугодий, степных и лесных массивов атмосферным азотом // Патент на изобретение 2766070 C2; заявл. 07.08.2020; опубл. 07.02.2022 Бюл. № 4.

3. Белозеров В.В., Ворошилов И.В., Катин О.И., Никулин М.А., Белозеров Вл.В. Способ земледелия и защиты сельхозугодий и лесных массивов агропожарными комбайнами-дирижаблями //Заявка на изобретение № 2022134688 от 27.12.2022.

4. Белозеров В. В., Денисов А. Н., Катин О. И., Никулин М. А., Белозеров Вл. В. Способ реализации агротехнологий и противопожарной защиты сельхозугодий и лесных массивов с помощью дирижабля // Патент РФ на изобретение 2751365; заявл. 19.11.2020; опубл. 13.07.2021 Бюл. № 20.

5. Катин, О. И. Развитие интеграции технологических процессов точного земледелия и противопожарной защиты / О. И. Катин, И. В. Ворошилов // АгроЭкоИнфо. – 2023. – № 2(56). – DOI 10.51419/202132250. – EDN KZXGMJ.

6. О новом уровне самоорганизации в системе управления земледелием / В. В. Белозеров, И. В. Ворошилов, О. И. Катин, М. А. Никулин // Siberian Journal of Life Sciences and Agriculture. – 2023. – Т. 15, № 3. – С. 71-98. – DOI 10.12731/2658-6649-2023-15-3-71-98. – EDN XCXBQP.

7. Голубятников В.Н., Пензин С.Б., Козлов О.А. Гибридный дирижабль линзообразной формы // Патент РФ на изобретение 2546027 от 10.08.2012, опубл. 10.04.2015 Бюл. № 10.

8. Овсинский И.Е. Новая система земледелия / Перепечатка публикации 1899 г. (Киев, тип. С.В. Кульженко)–Новосибирск: АГРО-СИБИРЬ, 2004. – 86 с.

9. Академик Дмитрий Николаевич Прянишников (К 50-летию научной деятельности) / Н. И. Вавилов //Доклады ВАСХНИЛ. 1938, вып. 23—24. С. 3-6.

10. Агрофизические, агрометеорологические и агротехнические основы программирования урожая: Принципы АСУ ТП в земледелии / И.С. Шатилов, А.Ф. Чудновский - Л.: Гидрометеоиздат, 1980. -320 с.

11. Перспективы применения малой и беспилотной авиации в сельском хозяйстве [Электронный ресурс] – URL: https://agrostory.com/info-centre/agronomists/perspektivy-primeneniya-maloy-aviatsii-v-selskom-khozyaystve (дата обращения - 27.05.2023).

12. Шевченко А.В., Мигачев А.Н. Обзор состояния мирового рынка беспилотных летательных аппаратов и их применения в сельском хозяйстве //Робототехника и техническая кибернетика. 2019. Т. 7. №3. С. 183-195. https://doi.org/10.31776/RTCJ.7303 .

13. Облачный сервис OwenCloud для удаленной диспетчеризации [Электронный ресурс] – URL: https://owen.ru/owencloud (дата обращения - 25.11.2023).

14. Белозеров В.В., Долаков Т.Б. О синергетическом подходе к решению проблем водной и продовольственной безопасности // Состояние и перспективы развития агропромышленного комплекса: сборник трудов XII Международной научно-практической конференции «Интерагромаш-2019». Ростов н/Д: ДГТУ, АНЦ «Донской». 2019. С. 572-577. https://doi.org/10.23947/interagro.2019.7.572-577 .

15. Kurakov F. A. Technologies of extinguishing landscape fires as a possible scientific and technological priority of the Russian Federation // Economics of science. 2017. Vol. 3. No. 3, pp. 214-226; https://doi.org/10.22394/2410-132X-2017-3-3-214-226.

Код для цитирования: Скопировать