Обеспечение непрерывного оперативного мониторинга и раннего предупреждения лесных и торфяных пожаров на основе инвариантных многоэлементных кластерных структур

Введение

Сложившаяся в России из-за аномальной жары и отсутствия осадков сложная пожарная обстановка вызвала резкое увеличение неконтролируемых торфяных и лесных пожаров. Пожары являются одной из серьезнейших нерешенных проблем российских лесов, нанося огромный ущерб. Усредненные за последние 10 лет данные говорят, что грозовыми разрядами вызвано не более 10% пожаров, остальные 90% являются результатом человеческой деятельности, причем около 10% пожаров вызвано сельскохозяйственными палами. По официальной статистике огнем охвачено до 2 миллионов гектаров леса в год, по неофициальной – до 14 миллионов. Разница в цифрах объясняется достаточно просто: примерно треть, то есть 200 из 600 миллионов гектаров российских лесов официально находятся вне зоны охраны от пожаров, и по этой территории нет даже достоверной статистики о количестве и площади пожаров.

Основная причина сложившейся обстановки безусловно кроется в недостаточном уровне развития технологий непрерывного мониторинга, раннего предупреждения лесных пожаров. Остановить разбушевавшуюся стихию крайне непросто, а учетом труднодоступности очагов возгораний на огромных лесных территориях России – в ряде случаев невозможно, несмотря на героизм сотрудников МЧС.

Как показала практика, спутниковый мониторинг лесных пожаров в силу ряда объективных причин еще недостаточно эффективен и, прежде всего, вследствие затруднительной регистрации очагов возгораний на ранних стадиях их возникновения. Так, например, известная спутниковая пожарная информационная система FIRMS формирует достаточно условное расположение очагов возгорания, вследствие чего возникают затруднения для их оперативного поиска и устранения. Другая, используемая непосредственно в России, система мониторинга основана на применении малых беспилотных летательных аппаратов (МБПЛА) с установленной на борту тепловизионной камерой и передатчиком, также недостаточно эффективна. Это связано, во-первых, с ограниченным радиусом действия такого МБПЛА, во-вторых, с ограничением времени наблюдения контролируемой территории (дискретным), в-третьих, с необходимостью привлечения человеческих ресурсов и вездеходной техники для доставки оборудования к месту мониторинга и его непосредственного проведения.

Т.о., существует необходимость исследования возможности разработки альтернативных и дополняющих систем контроля, способных оперативно разворачиваться (инсталлироваться) в местах наиболее вероятного возгорания и осуществлять непрерывное сканирование местности на предмет задымления и/или роста температуры подстилающей поверхности, например, в местах залегания торфа.

Альтернативный способ обеспечения непрерывного мониторинга лесных пожаров

Концептуальная модель такой системы представляет собой радиотехнический комплекс способный:

• оперативно развертываться на больших труднодоступных площадях благодаря доставке по воздуху;
• осуществлять дискретную во времени (текущий мониторинг в отсутствии первичных и вторичных признаков возгорания) или непрерывную (во время развития и движения пожара) доставку достоверной информации в одну из административных служб наблюдения или оперативный штамб МЧС;
• формировать зону контроля на основе инверсной модели повторного использования частот и многоэлементных регулярных кластерных структур.

Радиотехнический комплекс состоит из четырех основных компонентов.

1) Мобильные анализаторы-ретрансляторы

Мобильные анализаторы-ретрансляторы (МАР) являются основными элементами радиотехнического комплекса, на основе которых формируется требуемая зона обслуживания, напоминающая по своей структуре сотовую организацию систем мобильных телекоммуникации. МАР содержат интегральные датчики задымления и температуры, бортовую приемо-передающую систему с угловой модуляцией (манипуляцией), приемник GPS/ГЛОНАС для определения и указания координат своего фактического местоположения, возобновляемый источник вторичного электропитания, микропроцессорную систему управления.

Конструктивно МАР представляет собой небольшой шар ярко-оранжевого цвета, выполненный из композитных материалов – рис. 1. Со сложенной штыревой антенной, обладающей равномерной круговой диаграммой направленности, МАР помещается в контейнеры, удобные для хранения и транспортирования к местам непосредственного использования. При активации модуля гибкая штыревая антенна освобождается, занимая свое рабочее положение, и включает источник питания, запуская, тем самым, процедуру инициализации оборудования, получения и передачи (ретрансляции) координат своего местоположения и формирования виртуального кластера. Активизация МАР происходит либо вручную, например, при установке лесничими, сотрудниками МЧС или волонтерами, либо автоматически после покидания контейнера при формировании зоны обслуживания (зоны активного мониторинга) при воздушной доставке (основной вариант). Для возможности планирования (парашютирования) шар МАР имеет специальный профиль вдоль центральной линии корпуса (экватора). Для этой же цели и обеспечения более точного места приземления на конце гибкой штыревой антенны имеется своеобразное оперение – упругая пластиковая полоса. Для повышения уровня живучести при падении МАР может быть дополнен парашютом и резиновыми ребрами жесткости (окантовкой).

2) Посты-регистраторы

Стационарные или передвижные, например, на платформе внедорожного легкого автотранспорта, посты-регистраторы выполняют функцию центрального коммутатора радиосети и предназначены, во-первых, для сбора и обработки оперативных данных, поступающих с МАР; во-вторых, для формирования визуализированной схемы очагов возгорания и направлений их распространения, изменяющейся в реальном масштабе времени; в-третьих, для дальней ретрансляции комплексной информации в соответствующие подразделения МЧС для управления подразделениями пожаротушения и эвакуации населения. Основное оборудование постов-регистраторов состоит из комплекса сканирующих приемников, программно-аппаратного вычислительного комплекса, оборудования транковой связи.

3) Средства оперативной воздушной доставки МАР

Для оперативной доставки МАР в труднодоступные места и формирования на контролируемой территории зоны мониторинга (развертывания радиосети) используются малые беспилотные летательные роботизированных комплексы (МБПЛРК). МБПЛРК управляются с земли или действуют автономно на основании заложенных в навигационно-пилотажные бортовые системы программ и маршрута следования для доставки МАР в место назначения. Основой для построения таких малых беспилотных летательных аппаратов (МБЛА) служат разработанные и прошедшие испытания или находящиеся в стадии консервации отечественные общевойсковые и ударные комплексы («Типчак», «Проходчик», «Аист»). Звено МБЛА оперативно и точно «засеивает» зону обслуживания, благодаря возможности движения и маневрирования на малых высотах и скоростях – рис. 2.

Рис. 2. Формирование зоны обслуживания на основе МБПЛРК

4) Средства обнаружения МАР

Для поиска и обнаружения отказавших или выработавших ресурс встроенного возобновляемого источника питания МАР, используются пеленгующие мобильные станций – сканеры, которые обеспечивают активацию схемы отклика МАР без использования источников питания, например, на основе высокочастотной RFID-технологии. Подобная технология обеспечивает в отсутствии питания дальность до 10 метров и более за счет индуцирования в антенне МАР электромагнитного поля, имеющего достаточную мощность для функционирования размещённого в МАР кремниевого CMOS-чипа и передачи ответного сообщения методом модуляции отражённого сигнала несущей частоты [1].

Выбор частотного диапазона. Формирование антенного комплекса МАР

Наиболее удобным частотным диапазоном функционирования подобной радиосети с учетом рельефа местности, подстилающей поверхности и большого количества пассивных естественных отражателей (деревьев, кустарников, травы) является диапазон 300…400 МГц. Этот диапазон, при использовании антенн с круговой диаграммой направленности и низового расположения МАР, обеспечивает уверенную ретрансляцию данных на аналогичные МАР (т.е. имеющие ту же рабочую частоту), расположенные в зоне охвата радиосигнала.

На рис. 3 и рис. 4 показаны результаты компьютерного моделирования антенны МАР, представляющего собой несимметричный 25-ти сантиметровый вибратор (λ/4). Моделирование проводилось с помощью системы проектирования «FEKO».

Рис. 3. Диаграмма направленности несимметричного вибратора в пространстве

Рис. 4. Диаграммы направленности несимметричного вибратора с учётом влияния растительных ярусов и подстилающей поверхности (земли)

Принципы функционирования

Как уже отмечалось ранее, функционирование радиосети схоже с сотовой связью за исключением того, что формирование и расчет кластерных групп осуществляется на основе многомерных кластерных структур, а ячейки (соты) с одинаковой рабочей частотой располагаются в зонах уверенного приема первого яруса, а не разносятся на максимально возможные расстояния. Такую модель формирования зоны обслуживания удобно назвать инверсной моделью повторного использования частот (по отношению к сотовой связи). Также как и в сотовых сетях связи, ключевым принципом работы описываемого радиотехнического комплекса является многократное повторение одних и тех же частотных каналов в различных ячейках, расположенных соответствующим образом в зоне покрытия системы. Для прогнозирования распространения сигнала, формирования зоны обслуживания и управления радиосетью создаются кластеры – ячейки с разным набором частот, геометрия которых позволяет формировать регулярную зону обслуживания, в которой количество мешающих станций и их взаимное расположение, в т.ч. расстояние до «опорной» соты, определены однозначно [2,3].

Основные отличия системы мониторинга от классической системы сотовой связи заключаются в следующем:

– МАР использует только одну рабочую частоту;

– для возможности ретрансляции данных ячейки с одинаковой частотой должны находиться в зоне уверенной радиовидимости;

– для снижения уровня радиопомех, мощности излучения, повышения электромагнитной совместимости и, главное, обеспечения возможности достоверного контроля территории обслуживания, радиус ячейки должен быть небольшим, а размерность кластера, т.е. количество ячеек с разным набором частот, значительной. Увеличение количества ячеек в кластере позволяет получить еще один значимый выигрыш, а именно, сформировать наиболее удобную геометрию зоны мониторинга без нарушения принципа регулярности.

В случае возгорания в зоне функционирующего МАР, последний, на основе имеющихся датчиков, активизируется и передает сигнал о возгорании (уровни повышения температуры, задымления), свой порядковый номер и координаты размещения. Сигнал принимается аналогичными МАР соседних кластеров и после анализа своей территории и добавления оперативных данных в информационный контейнер, ретранслируется далее. Подобная ретрансляция напоминает волны, разбегающиеся по поверхности воды при единичном возмущении.

Рассмотрим пример формирования зоны мониторинга на основе стандартного семиэлементного кластера. Пусть очаг возгорания находится в ячейке с частотой F1 – черная ячейка на рис. 5а. При обнаружении задымления МАР этой ячейки активизируется и сформирует информационный пакет, структура которого рассматривалась выше. Этот сигнал зафиксируют МАРы первого яруса, имеющие туже частоту F1 – рис. 5б. Количество этих МАР для регулярной структуры заведомо известно [3]. В свою очередь, каждый МАР, принявший сигнал, дополнит его своей информацией и в заданном временной ритме для исключения сетевых коллизий ретранслирует дальше. Так будет продолжаться до тех пор, пока сигнал не достигнет стационарного поста – рис. 5в.

Аналогично буду вести себя МАР с другими рабочими частотами F2…F7 при обнаружении возгорания при распространении пожара и/или задымления.

а) б)

в)

Рис. 5. Распространение информации о возгорании и очаге пожара

Т.о., на постах-регистраторах будет сформирована точно привязанная к местности, оперативно обновляемая схема очагов возгорания, учитывающая направления и скорость распространения пожара – рис. 6.

Из рис. 4 видно, что при трансляции сигнала МАР, расположенные на втором и последующих ярусах видимости будут получать сигнал либо от одной, либо от двух станций совпадающей частоты. Однако, в любом случае, фигура, образованная активными МАР, будет соответствовать первичному шестиугольнику ячейки (соты).

Рис. 6. Пример формирования схемы очагов возгорания и распространения лесного пожара на основе оперативных данных МАР

При этом количество станций, охваченных сигналом только от одного передатчика, для любого яруса всегда будет равно 6, а количество станций, охваченных сигналом от двух передатчиков нижнего яруса, может быть рассчитано следующим образом:

.

Литература:

1. Сорокин А.А., Смуров А.А. Синтез локальной двусторонней пейджинговой сетевой структуры на основе объединения традиционных систем персонального радиовызова и технологии полупассивной радиочастотной идентификации (RFID-технологии). Сборник трудов XVII Международной НПК студентов и молодых ученых “Современные техника и технологии” СТТ-2011, Том 2, Томск, Россия, с. 249-250
2. Сорокин А.А., Смуров А.А. Исследование вопросов проектирования многоэлементных регулярных микрокластерных структур для современных и перспективных мобильных телекоммуникационных сетей. Сборник трудов XVII Международной НПК студентов и молодых ученых “Современные техника и технологии” СТТ-2011, Том 2, Томск, Россия, с. 428-429
3. Печаткин А.В. Системы мобильной связи. Ч. 1. Принципы организации, функционирования и частотного планирования систем мобильной связи: Учебное пособие – Рыбинск РГАТА имени П.А. Соловьева, 2009. – 8 с.