У статті обговорюються стан і можливості космічного моніторингу пожежної обстановки, наявні проблеми, пов'язані з принциповим для космічних апаратів протиріччям між просторовим і тимчасовим дозволом, пропонуються шляхи його подолання за рахунок введення в систему моніторингу стратосферного (висотного) сегмента, побудованого на дирижаблях як носіях знімальної апаратури

Анотація наукової статті з енергетики та раціонального природокористування, автор наукової роботи - Кудрін А. Ю., Рєзніков В. М.


Область наук:
  • Енергетика і раціональне природокористування
  • Рік видавництва: 2006
    Журнал: Технології громадянської безпеки
    Наукова стаття на тему 'Аерокосмічна система моніторингу пожежної обстановки'

    Текст наукової роботи на тему «Аерокосмічна система моніторингу пожежної обстановки»

    ?УДК 614.8: 622.2

    А.Ю. Кудрін к.т.н., В.М. Резніков к.т.н.

    Аерокосмічних СИСТЕМА МОНІТОРИНГУ ПОЖЕЖНОЇ ОБСТАНОВКИ

    У статті обговорюються стан і можливості космічного моніторингу пожежної обстановки, наявні проблеми, пов'язані з принциповим для космічних апаратів протиріччям між просторовим і тимчасовим дозволом, пропонуються шляхи його подолання за рахунок введення в систему моніторингу стратосферного (висотного) сегмента, побудованого на дирижаблях як носіях знімальної апаратури

    А.Ю. Кудрін

    §!

    Ь>

    про

    ю

    03 I

    Про.

    5

    про.

    про

    0

    5

    X

    X

    <1>

    (-

    1

    0

    1 У

    X

    - і -

    В. М. Резніков

    Лісові пожежі займають не останнє місце серед природних надзвичайних ситуацій. В середньому по країні реєструється до сорока тисяч пожеж, які знищують мільйони гектарів лісових площ, десятки мільйонів кубометрів деревини. При цьому динаміка лісопожежній ситуації за останні 10 років показує тенденцію до збереження високого рівня пошкоджень лісів Сибіру і Далекого Сходу в результаті дії лісових пожеж.

    Вторинні матеріальні втрати утворюються за рахунок заміщення на гарі цінних хвойних порід менш цінними листяними, не кажучи вже про роки, необхідних для відновлення зрілості дерев.

    У зв'язку з потеплінням клімату можна очікувати підвищення потенційної небезпеки лісових пожеж на південних околицях тайги, що також сприятиме заміщенню листяними породами.

    Незважаючи на те, що переважаючим фактором у виникненні лісових пожеж є антропогенний фактор (неконтрольовані сільськогосподарські пали, недотримання правил протипожежної безпеки при розведенні багать, спалювання сміття і торішньої трави, а також навмисні підпали лісу), вчасно виявити, а отже ліквідувати пожежу в його початковій стадії не вдається. Пожежа, що розгорівся на сотні га вдається зупинити тільки перед житловими об'єктами і запобігти загибелі людей.

    Середня вартість пожежних заходів досягає 700 тисяч рублів на один гектар площі пожежі. Гостро постало питання раннього виявлення природних НС, в зв'язку з чим на початку 90-х років Всеросійському науково-дослідному інституту з проблем цивільної оборони та надзвичайних ситуацій (ВНДІ ГОЧС) МНС Росії було доручено наукове обгрунтування можливості використання космічної інформації для вирішення завдань контролю виникнення НС і об'єктивної оцінки їх наслідків.

    Без достовірного і якісного прогнозу, оперативного виявлення не можна грамотно організувати аварійно-рятувальні роботи (АСР) і скоротити час до їх початку. Затримка з початком проведення АСР тим небезпечніша, гак як відомо, що розвиток пожежі в часі носить нелінійний (наростаючий) характер, і ефективність проведення заходів щодо ліквідації (локалізації) пожежі безпосередньо залежить від того, наскільки швидко вони проводяться і в якій мірі план їх проведення відповідає дійсній ситуації.

    Дослідження показали, що проблема може бути вирішена за допомогою використання наявної космічної інформації (КІ) від метеорологічних космічних апаратів (КА): «Метеор» (РФ) і 1МОАА (США), а також ресурсного супутника Мінприроди «Ресурс». У 1996 році була розроблена і затверджена Програма використання засобів спостереження і оперативного контролю НС в системі МНС Росії і план основних заходів щодо її реалізації.

    Програма була успішно вирішена і в період 1997-1999 роки була розгорнута територіально-розподілена система космічного моніторингу МНС Росії (СКМ НС), яка в даний час складається з п'яти пунктів прийому і обробки КІ (в містах Владивостоці, Красноярську, Москві, Вологді і Елісті ).

    Передбачалося, що основним завданням СКМ НС буде забезпечення

    боротьби з великомасштабними лісовими, степовими, торф'яними і нафтовими пожежами. З цієї причини СКМ спочатку була орієнтована на інформацію від оглядових метеорологічних КА «Ресурс-Метеор» і N00А (США) і ресурсного КА «Ресурс-01». ВНДІ ГОЧС були розроблені методи автоматизованої тематичної обробки КІ для виявлення пожежної обстановки, розроблені методики експрес-оцінки наслідків НС для сільського та лісового господарства.

    Щоденна обробка оперативно приймається космічної інформації дозволяє отримувати дані про лісопожежній обстановці на всій території Сибіру, ​​Якутії і Далекого Сходу (виключаючи північно-східний край Чукотки). Крім того, регулярно надходять дані про горимо лісів прикордонних районів Казахстану, Монголії і Північного Китаю (рис.1).

    Загальні закономірності динаміки розвитку пожежонебезпечної ситуації на азіатській території Росії добре ілюструються обстановкою на території Сибірського регіонального центру МНС Росії в 2005 році (багато в чому повторюється статистична картина просторово-часового розподілу масових вогнищ лісових пожеж за останнє десятиліття).

    Всього за період з 10 березня по 11 жовтня засобами космічного моніторингу на території СРЦ було зареєстровано 19 935 осередків пожеж, загальна площа, пройдена вогнем, склала 9 926 901 га.

    У табл. 1 наведені дані горимости «лідируючих» суб'єктів СРЦ і підсумкові результати по всій площі відповідальності Красноярського пункту прийому і обробки КІ. Колективом співробітників ФДМ ВНДІ ГОЧС (ФЦ) розроблений і сертифікований МВК цілий ряд методик тематичної обробки даних космічної зйомки з метою виявлення, короткострокового прогнозу розвитку і оцінки наслідків природних пожеж (рис. 2).

    В результаті постійного вдосконалення СКМ НС стала здатна забезпечувати вирішення наступних завдань:

    • виявлення лісових, степових, торф'яних пожеж; аварій на нафтових вишках і промислових об'єктах, що супроводжуються пожежами;

    • виявлення наслідків пожеж, в тому числі лісових гарей і шкоди від пожеж.

    Однак, в процесі експлуатації СКМ НС виявилися принципові недоліки системи, пов'язані з орієнтуванням угруповання цивільних космічних апаратів при її створенні на метеорологічні та природно-ресурсні завдання. В результаті з трьох основних вимог до інформаційної системи: об'єктивність, достовірність і оперативність, в повній мірі вона відповідає тільки першому. Два інших вступають в протиріччя, тому що неможливо одночасно забезпечити космічну зйомку території високого тимчасового і просторового дозволу. Крім того, не виключена повністю ймовірність фіктивних тривог через прагнення виявити пожежу в його максимально

    ранній стадії і пов'язаної з цим установкою низького порога сигналу.

    Для якісного прогнозу розвитку пожежі та отримання досить точних координат виявленого ділянки горіння необхідно, але принаймні, середнє просторову роздільну здатність і тимчасовий дозвіл, що не перевищує кількох годин. Однак, чим вище просторову роздільну здатність, тим вже смуга огляду.

    Знімки з низькою роздільною здатністю виходять у відкритому доступі з періодом, рівним періоду появи КА в зоні видимості станції прийому КІ, що відповідає приблизно шістнадцяти годинах. Становище ускладнюється утворився розривом між можливостями СКМ НС (наземної частини системи моніторингу) і станом вітчизняної угруповання. Для регулярного отримання знімків високого дозволу по всій території РФ необхідна угруповання в десятки КА, а на траєкторії в даний час знаходиться один експериментальний апарат «Монітор-Е», і в найближчі роки не планується істотного збільшення вітчизняного угруповання (табл.2). При цьому, необхідно мати на увазі, що плани запуску традиційно зриваються, запуски відкладаються на роки або зовсім скасовуються.

    У той же час, апаратура СКМ НС забезпечує прийом і аналіз космічної інформації, як від вітчизняних цивільних космічних апаратів, так і від зарубіжних (табл. 3). Інформація низького просторового дозволу (від декількох сотень метрів до кілометра) надходить у відкритому доступі, а інформацію з високою роздільною здатністю (від десятків до сотні метрів) необхідно заздалегідь замовляти і оплачувати. При цьому термін виконання замовлення обчислюється тижнями.

    В даний час апаратура СКМ НС здатна приймати КІ від вітчизняних космічних апаратів і американських серій NOAA і EOS. Для отримання знімків з інших КА необхідна ліцензія, замовлення (до двох тижнів) і оплата кожного кадру.

    Якщо інформацію середнього дозволу від зарубіжних космічних апаратів можна отримувати з періодичністю до 1 доби, то з вітчизняними КА справа ще гірше. Так, період повторення орбіти перспективних супутників серії «Монітор» становить 25 діб при оновленні інформації через 6 діб (потрапляння в зону огляду приймальні станції).

    Прикладом актуааьності вирішення проблеми скорочення протиріччя між просторовим і тимчасовим дозволом в системі космічного моніторингу може служити порівняльний аналіз результатів моніторингу лісових пожеж в Сибірському та Північно-Західному регіональних центрах МНС Росії. Загальні по країні щорічні втрати лісу від пожеж становлять мільйони гектарів. Засобами космічного спостереження низького дозволу виявляються тисячі пожеж. Однак, в Сибірському регіоні (статистика за 2004-2005 рр.) При виявленні приблизно по 5000 пожеж їх площа становить від кількох сот до півтори тисячі га. природно,

    Науково-технічні розробки

    Науково-технічні розробки

    їй »®

    Читинська обл

    |

    л •• «-ж /

    ф; 5 «, ч /

    і '' й й так '' '' / її *--

    и '

    ШІЖь

    .VI? ".« До ті * лі » .

    - - "V

    ?/ ТТП -. ч-

    |: ?? '7У

    '|04 |

    Китай

    __

    Ш _____. ___________ _______ І .. д-іШі | ~ ІД.

    ^ -У- 'Зглт- • *? »• - Тг • -1 *<ку * • * |

    X • X /

    &&Р * '' Ч&.-Уй. • Та мйЬіе *? * '/ *, | ??? -? |Ж-

    ШйЩшМ "

    ?»А '. ЗІЖ І'х

    б)

    Відділ прийому і обробки космічної інформації ВНДІ ГОЧС р Красноярськ 2005 р.

    Мал. I. Прикордонний пожежа на території Читинської області РФ: а) 1, 2, 5канали ЛУНІН; б) 3, 4, 5 канали АУНІЯ

    Мал. 2. Вогнища посмаживши з димовими шлейфами в літній пік пожежної небезпеки в Ямало-Ненецькому автономному окрузі і

    Красноярському краї 27 липня 2005 р.

    Таблиця 1

    Розподіл кількості пожеж та площі загорянь по території Сибірського регіонального центру МНС Росії в 2005 р.

    Суб'єкт Площа, га Число ЛП Середня площа, га

    Республіка Бурятія 744 991 1347 553

    Республіка Саха (Якугія) 1. 202 728 939 1281

    Ханти-Мансійський а.о. 764 992 1769 432

    Читинська обл. 1 272 582 2157 590

    Ямало-Ненецький а.о. 670 951 1060 633

    Загальний підсумок по СРЦ 10 774 592 21 814 494

    Таблиця 2

    Орієнтовним план розвитку вітчизняної угруповання моніторингових КА

    КЛ Призначення Дозвіл Г оди запуску

    «Електро» Г ідромегеорологічсскій, геостаціонарній Низьке 2007,2008, 2015

    «Метеор-ЗМ» Г ідромегеорологічсскій Низьке 2006, 2008, 2009 2012

    «Метеор-МП» Г ідрометеорологіческій Низьке 2015

    «Вулкан» Ресурсний Низьке 2006, 2008 2009

    «Ресурс-П» Ресурсний Середнє, високе 2009. 2012

    «Ресурс-Д К» Раділокаціонний Середнє 2006

    «Монітор-Е» Ресурсний Середнє 2006

    «Аркон» Раділокаціонний Середнє 2007, 2009, 2015

    Науково-технічні розробки

    Таблиця 3

    Параметри основних КА, що знаходяться на орбітах

    КА (країна) Ширина смуги огляду, км Дозвіл, м

    «Ресурс-Метеор» (Росія) Від 45 до 600 250

    NOAA (США) 2200 1100

    EOS-AI (США) 2000 250; 500

    Landsat (США) 185 30

    Spot-5 (Франція) Від 180 ло 2200 20

    IRS Р4 (Індія) Від 80 до 770 5,8; 23; 188

    «Метеор ЗМ» (Росія) 2600 3000

    «Ресурс 01» (Росія) 800 5-25

    «Монітор» (Росія) 890 60

    гасити такі пожежі, та ще у віддаленій місцевості, практично неможливо. Аварійно-рятувальні роботи зводяться до захисту населених пунктів шляхом установки бар'єрів на шляху поширення пожежі.

    Інша залежить від більш населеному Північно-Західному регіоні. При кількості пожеж того ж порядку, космічними засобами підтверджується не більше 10%, решта - службою Авілесохрани і наземними службами. У підсумку, площа загоряння не перевищує 4-5 га.

    При сучасному стані вітчизняної угруповання КА неможливо кардинально поліпшити становище. Дозвіл протиріччя між просторовим і тимчасовим дозволом в рамках космічного моніторингу може бути отримано тільки збільшенням на порядки угруповання використовуваних для моніторингу космічних апаратів. Цей шлях практично не здійснимо в рамках однієї країни через фінансові обмеження. Витрати не окуплять можливий ефект.

    Проблема може бути вирішена шляхом побудови аерокосмічної системи моніторингу НС. Цей варіант запропонований в «Федеральну цільову програму зниження ризиків і пом'якшення наслідків надзвичайних ситуацій природного і техногенного характеру в Російській Федерації до 2010 року». ФЦП пункт 34 зобов'язує створення аерокосмічної системи моніторингу надзвичайних ситуацій. Що ж слід розуміти під аеросоставляющей системи?

    Авіація нездатна забезпечити безперервне тривале спостереження території. Найбільш підходящим рішенням є використання апаратів легше повітря: аеростатів і дирижаблів, тому що вони практично безальтернативно можуть бути носіями знімальної апаратури в висотних шарах атмосфери.

    До переваг дирижаблів, що забезпечує високу роздільну здатність з прийнятною оперативністю оновлення інформації, можна віднести наступні:

    • дуже велика вантажопідйомність і дальність

    безпосадкових перельотів;

    • більш висока надійність і безпеку, ніж у літаків і вертольотів;

    • обчислюється місяцями, повністю перекриває сезон пожеж (від весни до осені) час перебування на чергуванні.

    Дирижабля не потрібно злітно-посадкової смуги, більш того, він може взагалі не приземлятися, а просто «зависнути» над землею (що, втім, можна здійснити тільки при відсутності вітру).

    На відміну від космічних об'єктів і авіації використання дирижаблів не супроводжується виділенням речовин, шкідливих для екологічного стану атмосфери.

    На висоті 21,4 км напрямку вітрів мають сезонний характер. На цій висоті в усі пори року на середніх широтах швидкості вітрів мінімальні.

    Запасати електроенергію можна за допомогою акумуляторів і використовувати її для харчування наукової апаратури в нічний час.

    Сьогодні використання дирижаблів не є екзотикою. В даний час в світі існують кілька проектів відродження дирижаблів.

    Білоруські військові запропонували використовувати аеростати в якості альтернативи літакам-розвідникам типу американського «Авакса» або його російського аналога А-50. Військові обіцяють, що розроблені ними дирижаблі будуть в десятки разів дешевше існуючих авіаразведчіков, а за рівнем виконуваних завдань нічим не поступляться їм.

    Оболонка літального апарату буде зроблена із спеціальних синтетичних матеріалів, які забезпечать не тільки міцність, але і малопомітність. Крім того, російські та білоруські підприємства працюють над створенням «спеціальної зброї самозахисту - станцій радіоелектронного придушення прицілів наведення літаків ударної авіації». У перспективі білоруські військові вважають отримати в свої руки універсальний і, найголовніше, недорогий авіаразведчік - аеростат-невидимку.

    Американська компанія «JP Aerospace» готує до випробувань 53-х метровий V-подібний дирижабль «Ascender». Перший політ передбачає підйом на висоту близько 30 км, далі - повернення на землю. У разі успішних випробувань Пентагон відкриє фінансування на будівництво великого, 3-х кілометрового, V-образного дирижабля стратосферного призначення. Про це повідомив бюлетень «Aviation Week».

    У Росії Дирижаблебудування намагалися відновити ще в 1956 році на базі ОКБ-424 (м Долгопрудний), але проект державного розвитку не отримав. На початку 1990-х це ОКБ, вже перейменоване в Долгопрудненського конструкторське бюро автоматики (ДКБА), початок розробку експериментального напівм'якого дирижабля «2ДП» з вантажопідйомністю близько 3 тонн.

    На авіасалоні в Фарнборо компанії «Авгур» і «РосАероСістеми» представили аеростати військового призначення «Пума» і «Ягуар». Їх обсяг складає 8 900-11 800 м \ корисне навантаження до 2,2 тонни. Здатні здійснювати автономні польоти до 1 місяця, безперервно витримуючи вітер силою до 12 балів за шкалою Бофорта (близько 33 м / сек).

    У перспективних розробках компанії стратосферний дирижабль «Беркут» з робочим стелею 20 000 м і автономністю в 6 місяців, обсягом 500 000 м \ довжиною 290 м, діаметром - 58 м. Він розглядається, кактелекоммунікаціонная платформа з площею покриття до 500 000 км2. Середньодобове енергоспоживання складе близько 300 кВт, для забезпечення якого слугуватимуть солнчние батареї площею 11 000 м2.

    Російська компанія «Аероскан» в 2006 р починає використовувати дирижаблі для пространственнотехніческого моніторингу місцевості і інженерних об'єктів.

    Також дирижаблі (в тому числі і безпілотні) можуть застосовуватися (що вже планується в Москві і Московській обл.) Для патрулювання автодоріг, спостереження за громадським порядком на великих масових заходах, в рекламних цілях і т. Д.

    Зниження висоти спостереження з 620-660 км ( «Ресурс») або 550 ( «Монітор») до 20 км при використанні стандартної супутникової знімальної апаратури середнього дозволу МСУ-СК і апаратури з високою роздільною здатністю МСУ-Е просторову роздільну здатність відповідно 17 і 1,5 метра в смузі 30 км. Знімальна апаратура метеорологічного супутника Метеор забезпе-

    печіт середній дозвіл в полоседо 100 км.

    Рівень сигналу прийнятого сенсорами дирижабля вище на 20-30 дБ, відповідно може бути виявлений осередок пожежі, а не розгорівся пожежа на десятки і сотні га. Вогнища пожеж можна ліквідувати, а розгорівся лісова пожежа - тільки блокувати, не даючи йому заподіяти шкоду житловим будівлям і економічних об'єктах.

    У той же час рівень сигналу, що приймається наземними станціями, також збільшується на 20-30 дБ, що дозволяє оснащувати суб'єкти РФ простішими (полегшеними) станціями прийому і додатково скоротити час передачі інформації до споживача.

    Введення в систему моніторингу стратосферного сегмента забезпечує можливість збереження мил. га лісу за рахунок раннього виявлення вогнищ пожежі.

    Крім перерахованих завдань моніторингу НС, за допомогою апаратури, встановленої на дирижаблях, можна вирішувати ряд завдань в інтересах інших відомств і організацій:

    • проводити зондування земної поверхні на глибину до 100 м для вивчення стану розломів земної кори і підземних споруд з метою попередження можливих катаклізмів;

    • забезпечити спостереження за станом продук-топроводов, транспортних артерій, гребель, дамб;

    • контролювати концентрацію отруйних газів в навколоземному просторі, екологічно шкідливих та озоноруйнуючих речовин в тропосфері і нижній стратосфері, концентрацію газів, що викликають парниковий ефект;

    • контролювати стан лісів і наземних споруд, сільгоспугідь, транспортних мереж і трубопроводів.

    У свою чергу, зацікавленість в створенні стратосферного сегмента системи моніторингу ряду відомств і організацій робить реалізованої на цій основі федеральну систему моніторингу об'єктів, територій і ресурсів, з точки зору фінансових і матеріальних витрат.

    На закінчення необхідно відзначити, що і до того, як будуть створені серійні стратосферні дирижаблі, для моніторингу території РФ можна використовувати вже наявні висотні (до 10 км) дирижаблі. Таких дирижаблів може знадобитися в кілька разів більше, ніж КА, але коштувати вони будуть значно дешевше, і можуть бути придбані суб'єктами РФ за свої кошти і в своїх інтересах, які враховують місцеву специфіку.

    література

    1. Ю.Л. Воробйов. В.А. Акімов. Ю.І. Соколов. Лісові пожежі на території Росії: стан і проблеми. ДЕКС-ПРЕСС. - М .: 2004.

    2. С.Г. Дорошенко, В.М. Резніков. Автоматичне визначення координат і масштабів лісових пожеж за космічними даними. Зб. НТТ «25 років від ідей до технологій» ІІЦ ВНДІ ГОЧС. - К .: 2001.

    Науково-технічні розробки


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити