📄Работа №201048
Тема: АВТОНОМНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ НА ТРУДНОДОСТУПНЫХ ТЕРРИТОРИЯХ
Характеристики работы
Тип работы
Диссертация
Предмет
Физика
Объем:
179 листов
Год:
2020
Просмотров:
88
700
руб.
🛒 Купить работу
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
📋 Содержание
Введение 5
1 Современный уровень развития технических средств контроля
состояния природной среды 13
1.1 Автоматические метеорологические комплексы 14
1.1.1 Требования ВМО по контролю изменений стандартных и
дополнительных метеорологических величин 14
1.1.2 Краткий обзор существующих метеорологических комплексов . 17
1.2 Аппаратура автоматизированного мониторинга и контроля
основных метеовеличин приземной атмосферы 21
1.2.1 Контроль температуры воздуха 21
1.2.2 Контроль влажности воздуха 23
1.2.3 Контроль атмосферного давления 24
1.2.4 Контроль скорости и направления ветра 25
1.3 Аппаратура автоматизированного мониторинга и контроля
дополнительных метеорологических величин 27
1.3.1 Контроль высоты снежного покрова 27
1.3.2 Контроль профилей температуры грунтов, снега и льда 29
1.3.3 Методы и средства контроля потока солнечной радиации 31
1.4 Бортовые автоматические метеостанции и системы 34
1.5 Требования к структуре автономных комплексов для контроля
природной среды с дополнительными возможностями 35
1.6 Выводы по главе 1 38
2 Датчики и составные части приборов для контроля снежных и
ледовых покровов, почв и грунтов, солнечной радиации 40
2.1 Способ определения местоположения границы раздела двух сред различной плотности, основанный на выявлении экстремума
производной в температурном профиле 40
2.2 Средства автоматизированного контроля температуры 43
2.3 Датчик высоты снежного покрова, основанный на анализе
вертикального профиля температуры 44
2.4 Одноразовые датчики контроля высоты снежного покрова,
применяемые для оценки лавинной опасности 49
2.5 Автоматический регистратор таяния ледников Куракова 51
2.6 Температурные зонды, предназначенные для непрерывного
контроля профиля температуры в почве и грунтах 54
2.7 Метрологическое обеспечение датчиков температуры 62
2.8 Контроль уровня воды 65
2.9 Контроль потока солнечной радиации 69
2.10 Выводы по главе 2 73
3 Беспилотный регистратор пространственного распределения полей
метеорологических величин в пограничном слое атмосферы 76
3.1 Методы и технические средства получения информации о
пространственном распределении полей метеовеличин в пограничном слое атмосферы 76
3.2 Способы определения усредненных значений скорости и
направления ветра с использованием аэродинамических характеристик БПЛА 77
3.2.1 Способ определения скорости и направления ветра на заданной
высоте путем отслеживания траектории БПЛА под действием ветра .. 77
3.2.2 Способ определения усредненного вектора скорости ветра по
наклону вектора тяги БПЛА 79
3.3 Общие требования к метеодатчикам, устанавливаемым на БПЛА
для контроля температуры, давления и влажности в АПС 81
3.3.1 Датчики для контроля температуры воздуха 81
3.3.2 Датчик для контроля влажности воздуха 83
3.3.3 Датчик для контроля атмосферного давления 84
3.3.4 Требования к конструкции портативной метеостанции 85
3.3.5 Требования к авианесущей платформе 86
3.4 Экспериментальный образец портативной электронной
метеостанции - ПЭМС-БПЛА 88
3.4.1 Составные части ПЭМС-БПЛА 88
3.4.2 Натурные испытания ПЭМС-БПЛА и их результаты 96
3.5 Выводы по главе 3 100
4 Атмосферно-почвенный измерительный комплекс АПИК 102
4.1 Базовая конструкция атмосферно-почвенного измерительного
комплекса АПИК 102
4.2 Программное обеспечение АПИК 107
4.2.1 Структура АПИК 107
4.2.2 Алгоритм работы контроллера-регистратора 108
4.2.3 Сервер и База данных 109
4.2.4 Клиентское приложение 110
4.3 Регистратор скрытой установки 112
4.4 Автономный контроллер-регистратор как элемент сети
мониторинга 115
4.5 Апробация и результаты применения автономных комплексов
контроля природной среды 117
4.6 Выводы по главе 4 122
Заключение 124
Перечень сокращений и обозначений 127
Список литературы 128
Приложение А. Копии полученных патентов 145
Приложение Б. Проект руководства по эксплуатации ПЭМС-БПЛА . 156
Приложение В. Копия Акта испытаний экспериментального образца
ПЭМС-БПЛА 157
Приложение Г. Акты внедрения диссертационной работы 163
1 Современный уровень развития технических средств контроля
состояния природной среды 13
1.1 Автоматические метеорологические комплексы 14
1.1.1 Требования ВМО по контролю изменений стандартных и
дополнительных метеорологических величин 14
1.1.2 Краткий обзор существующих метеорологических комплексов . 17
1.2 Аппаратура автоматизированного мониторинга и контроля
основных метеовеличин приземной атмосферы 21
1.2.1 Контроль температуры воздуха 21
1.2.2 Контроль влажности воздуха 23
1.2.3 Контроль атмосферного давления 24
1.2.4 Контроль скорости и направления ветра 25
1.3 Аппаратура автоматизированного мониторинга и контроля
дополнительных метеорологических величин 27
1.3.1 Контроль высоты снежного покрова 27
1.3.2 Контроль профилей температуры грунтов, снега и льда 29
1.3.3 Методы и средства контроля потока солнечной радиации 31
1.4 Бортовые автоматические метеостанции и системы 34
1.5 Требования к структуре автономных комплексов для контроля
природной среды с дополнительными возможностями 35
1.6 Выводы по главе 1 38
2 Датчики и составные части приборов для контроля снежных и
ледовых покровов, почв и грунтов, солнечной радиации 40
2.1 Способ определения местоположения границы раздела двух сред различной плотности, основанный на выявлении экстремума
производной в температурном профиле 40
2.2 Средства автоматизированного контроля температуры 43
2.3 Датчик высоты снежного покрова, основанный на анализе
вертикального профиля температуры 44
2.4 Одноразовые датчики контроля высоты снежного покрова,
применяемые для оценки лавинной опасности 49
2.5 Автоматический регистратор таяния ледников Куракова 51
2.6 Температурные зонды, предназначенные для непрерывного
контроля профиля температуры в почве и грунтах 54
2.7 Метрологическое обеспечение датчиков температуры 62
2.8 Контроль уровня воды 65
2.9 Контроль потока солнечной радиации 69
2.10 Выводы по главе 2 73
3 Беспилотный регистратор пространственного распределения полей
метеорологических величин в пограничном слое атмосферы 76
3.1 Методы и технические средства получения информации о
пространственном распределении полей метеовеличин в пограничном слое атмосферы 76
3.2 Способы определения усредненных значений скорости и
направления ветра с использованием аэродинамических характеристик БПЛА 77
3.2.1 Способ определения скорости и направления ветра на заданной
высоте путем отслеживания траектории БПЛА под действием ветра .. 77
3.2.2 Способ определения усредненного вектора скорости ветра по
наклону вектора тяги БПЛА 79
3.3 Общие требования к метеодатчикам, устанавливаемым на БПЛА
для контроля температуры, давления и влажности в АПС 81
3.3.1 Датчики для контроля температуры воздуха 81
3.3.2 Датчик для контроля влажности воздуха 83
3.3.3 Датчик для контроля атмосферного давления 84
3.3.4 Требования к конструкции портативной метеостанции 85
3.3.5 Требования к авианесущей платформе 86
3.4 Экспериментальный образец портативной электронной
метеостанции - ПЭМС-БПЛА 88
3.4.1 Составные части ПЭМС-БПЛА 88
3.4.2 Натурные испытания ПЭМС-БПЛА и их результаты 96
3.5 Выводы по главе 3 100
4 Атмосферно-почвенный измерительный комплекс АПИК 102
4.1 Базовая конструкция атмосферно-почвенного измерительного
комплекса АПИК 102
4.2 Программное обеспечение АПИК 107
4.2.1 Структура АПИК 107
4.2.2 Алгоритм работы контроллера-регистратора 108
4.2.3 Сервер и База данных 109
4.2.4 Клиентское приложение 110
4.3 Регистратор скрытой установки 112
4.4 Автономный контроллер-регистратор как элемент сети
мониторинга 115
4.5 Апробация и результаты применения автономных комплексов
контроля природной среды 117
4.6 Выводы по главе 4 122
Заключение 124
Перечень сокращений и обозначений 127
Список литературы 128
Приложение А. Копии полученных патентов 145
Приложение Б. Проект руководства по эксплуатации ПЭМС-БПЛА . 156
Приложение В. Копия Акта испытаний экспериментального образца
ПЭМС-БПЛА 157
Приложение Г. Акты внедрения диссертационной работы 163
📖 Аннотация
В данной диссертационной работе представлены результаты разработки и исследования автономных измерительных комплексов, предназначенных для мониторинга состояния природной среды в труднодоступных регионах, таких как арктические, горные и болотистые территории. Актуальность исследования обусловлена необходимостью создания экономически эффективной и технически надежной распределенной сети наблюдений для контроля климатических изменений, что невозможно при использовании исключительно дорогостоящих существующих автоматических метеорологических станций. Основные результаты включают разработку и практическую апробацию новых специализированных датчиков, в частности, датчика высоты снежного покрова, основанного на анализе вертикального температурного профиля, одноразового датчика для оценки лавинной опасности, а также конструкции автоматического регистратора таяния ледников на основе термокосы. Научная значимость работы заключается в развитии методов дистанционного мониторинга и создании оригинальных технических решений для измерения профилей температуры в различных природных средах. Практическая ценность подтверждена внедрением более 50 единиц разработанных датчиков снежного покрова на действующих наблюдательных постах. Теоретической и методологической основой исследования послужили нормативные документы Всемирной метеорологической организации (ВМО), руководства по метеорологическим приборам, а также анализ современных коммерческих решений, таких как автоматические станции Vaisala.
📖 Введение
Актуальность работы. Современные темпы и масштабы изменения климата активно формируют новые условия существования природной среды. Для их контроля необходимо иметь развитую сеть станций климатического, метеорологического и экологического мониторинга, покрывающую значительные территории с необходимым пространственным разрешением, включая труднодоступные территории в горных, болотистых и арктических зонах.
Производимые в настоящее время автоматические системы контроля природной среды имеют высокую стоимость, поэтому построение на их основе развитой измерительной сети не оправдано экономически. В тоже время, современные технологии позволяют создавать весьма эффективные и недорогие технические средства. Таким образом, создание автономных комплексов, систем и датчиков контроля природной среды для труднодоступных территорий является весьма актуальной задачей.
Целью работы является создание на основе современных технологий автономного атмосферно-почвенного измерительного комплекса и автономных датчиков для контроля изменений ряда отдельных стандартных и дополнительных метеорологических величин, предназначенных для контроля природной среды на труднодоступных территориях.
Для достижения этой цели необходимо решение следующих задач:
1) разработать способ контроля изменений профилей температуры в грунтах, почвах, снежных и ледовых покровах и реализовать данный метод в технических средствах;
2) разработать новые датчики для контроля потока солнечной радиации и уровня воды в природных водоемах;
3) разработать и создать беспилотный регистратор пространственных полей температуры, давления, влажности, а также усредненных значений скорости и направления ветра в пограничном слое атмосферы;
4) на основе предложенных методов и разработанных технических средств для контроля изменений профилей температуры в грунтах, почвах и ледовых покровах разработать и реализовать базовый автономный атмосферно-почвенный измерительный комплекс (АПИК), предназначенный для оперативного контроля состояния природной среды на труднодоступных территориях, обеспечивающий передачу измерительной информации на удаленный сервер и позволяющий удаленный доступ к элементам оборудования и базам данных сторонним пользователям.
Методы исследования. Использовался комплексный подход, включающий в себя анализ научных и технических источников, охватывающих область исследования; анализ и параметризацию требований к новому оборудованию и цифровой обработке и передаче информации, метрологическую калибровку датчиков, разработку электронных блоков АПИК и программных алгоритмов, а также проведение натурных испытаний созданных технических средств.
Научная новизна
1. Предложены, научно обоснованы и реализованы новые технические решения по конструкции датчика высоты снежного покрова (патент РФ № 2542598) и регистратора таяния ледников (патент РФ № 2606346), основанные на определении температурного градиента на границе снега или льда и воздуха с помощью температурного зонда или термокосы, состоящей из жёстких сегментов, для автоматического складывания, соединённых между собой гибким кабелем и использующих множество температурных датчиков.
2. Предложена и обоснована новая конструкция зонда для контроля изменений вертикального профиля температуры среды, обеспечивающая уменьшение теплопередачи через соединительный кабель, передающий информацию на контроллер-регистратор, за счет присоединения кабеля к зонду на глубине 10-20 см и размещении его в закрытой траншее (патент РФ № 2658552).
3. Предложена новая конструкция устройства контроля изменений высоты снежного покрова в горах для оценки лавинной опасности, имеющего длинный пластиковый корпус, в котором установлена вертикальная цепочка датчиков температуры, контроллер, радиомодем, датчики положения, GPS-приемник и блок автономного питания, обеспечивающая сбор оперативной информации для контроля лавинной ситуации (патент РФ № 2617146).
4. Впервые предложены и обоснованы способы измерения усредненных значений скорости и направления ветра, основанные на использовании аэродинамических характеристик БПЛА мультикоптерного типа и его навигационного оборудования при зависании в определенной точке пространства (патенты РФ №№ 2600519, 2616352, 2617020, 2650094).
5. Разработана концепция базового Атмосферно-измерительного комплекса
АПИК для контроля изменений стандартных метеорологических величин: температуры, влажности, атмосферного давления, скорости и направления ветра. АПИК дополнен авторскими датчиками для контроля изменений дополнительных метеовеличин: высоты снежного покрова, солнечной радиации, профиля
температуры грунта, уровня воды, а также датчиками: осадков, влажности грунта и проводимости почвы. Алгоритм работы контроллера-регистратора АПИК обеспечивает с заданным периодом опрос цифровых и аналоговых датчиков, сохранение полученных данных в энергонезависимой памяти (логгере) с привязкой ко времени измерения. Связь для конфигурирования работы и считывания данных на внешний сервер происходит через GSM-модем, Wi-Fi модуль, спутниковый интернет или через интерфейс USB.
Реализация результатов работы.
Предложенные автором технические решения позволили создать более 300 устройств, комплексов и систем контроля параметров природной среды, которые работают во многих регионах России, в том числе более 70 АПИК измеряют и передают информацию по каналам сотовой и спутниковой связи.
Настоящая работа выполнялась в рамках государственных заданий по программам:
1) ФЦП ИР, Проект «Разработка и создание измерительно-вычислительной системы для реализации технологии мезомасштабного мониторинга и прогнозирования состояния атмосферного пограничного слоя» (Соглашение № 14.607.21.0030, идентификатор RFMEFI60714X0030) (2014-2016 гг.);
2) Проект СО РАН VIII.80.2.2 «Научные основы создания оптических, акустических и электронных приборов, комплексов и систем для метеорологических измерений и технологии их применения в задачах мониторинга окружающей среды» (2012-2016 гг.);
3) в пяти проектах Приборной программы СО РАН «Импортозамещение» (2012 - 2013 гг.) на поставку комплексов: «АПИК», «АПИК-002» - ИГ СО РАН (г. Иркутск); «АПИК-004» - ИПА СО РАН (г. Новосибирск); «АПИК-007» - ЦКП БНЦ СО РАН (г. Улан-Удэ); «АПИК-008» - ИМЗ СО РАН (г. Якутск);
4) Программа ФНИ СО РАН П.2П, № НИОКТР АААА-А16-116120810008-05 (2014-2016 гг.);
5) Проект СО РАН IX.138.2.5 (2017-2020 гг.);
6) Проект задания Минобрнауки РФ № 5.3279.2017/4.6 5 (2017-2019 гг.);
7) ФЦП ИР, Проект «Разработка и создание автоматической метеорологической станции арктического исполнения для труднодоступных территорий и Северного морского коридора (АрктикМетео)» (Соглашение № 14.607.21.0205, уникальный идентификатор RFMEFI60718X0205) (2018-2020 гг.);
8) Проект РФФИ 18-05-00306 (2018-2020 гг.).
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается применением контрольно-испытательного оборудования для калибровки созданных технических средств и сравнительными испытаниями, проведенными на территории Сибири и Дальнего Востока с использованием аттестованной аппаратуры.
Практическая значимость созданных измерительных комплексов состоит в значительном расширении сетей контроля погодных, климатических и экологических процессов природной среды на удалённых территориях, включая водные объекты, болота, мерзлотные грунты и горные системы.
Положения, выносимые на защиту:
1. Разработанная измерительная рейка, представляющая собой протяжённую трёхпроводную печатную плату с установленными на ней малогабаритными цифровыми датчиками температуры, обеспечивает контроль высоты снежного покрова по температурному градиенту на границе снега и воздуха с разрешающей способностью, определяемой расстоянием между датчиками и габаритным размером датчика (при использовании датчика DS18B20 разрешающая способность составляет 5 мм), а малое сечение рейки (11 мм) снижает паразитную теплопередачу и уменьшает влияние измерительной рейки на естественный снежный покров.
2. Автоматический регистратор таяния ледников, представляющий собой контроллер-регистратор и термокосу с малым сечением (1,1 см), устанавливаемую с упором в дно пробурённой в леднике скважины, позволяет с заданным временным периодом осуществлять контроль профиля температуры и по отличию от температуры вне скважины вычислять верхнюю границу ледника с разрешающей способностью, определяемой расстоянием между цифровыми датчиками температуры, которые установлены на жестких сегментах (длиной 40 см), соединённых между собой гибким кабелем, обеспечивающим, при таянии ледника, автоматическое складывание термокосы, а дополнительное наличие в котроллере солнечной батареи, радиомодема, GPS-приемника позволяет оперативно передавать информацию о профиле температуры и перемещении ледника.
3. Разработанный алгоритм определения средних значений горизонтальной составляющей скорости в интервале (0.20) м/с с погрешностью ±0,5 м/с и направления ветра в интервале (0.360) град. ±15 град. обеспечивает их вычисление по перемещению беспилотного летательного аппарата (БПЛА) мультироторного типа, движущегося под воздействием ветра, находящегося в режиме удержания высоты и вертикально направленного вектора тяги, снабженного системой спутниковой навигации, электронным гироскопом и электронным магнитным компасом. При этом полный усреднённый вектор скорости и направления ветра определяется путем измерения наклона вектора тяги БПЛА при его зависании в точке или при равномерном движении.
4. Созданная обширная сеть автономных атмосферно-почвенных измерительных комплексов АПИК, включающих измерительные датчики, автономные контролеры-регистраторы, радиомодули передачи информации, сервер и базу данных и разработанное к ним программное обеспечение, позволяют осуществить долговременный комплексный мониторинг состояния природной среды в удаленных и труднодоступных болотных, лесных, степных и горных ландшафтах без участия операторов-метеорологов.
Апробация работы: Результаты диссертации докладывались и обсуждались более чем на 30 международных и всероссийских конференциях, в том числе:
Междунар. симпозиум «Контроль и реабилитация окружающей среды» (Томск, 2004 г.); Междунар. конференция «ENVIROMIS» (Томск, 2008, 2016, 2018 гг.); Междунар. НПК «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития» (Одесса, 2011 г.); Междунар. НПК «Реки Сибири и Дальнего Востока» (Иркутск, 2013 г.); International Conference
«Paleolimnology of Northern Eurasia» (Petrozavodsk, 2014); Междунар. НПК
«Земельные и водные ресурсы: мониторинг эколого-экономического состояния и модели управления» (Улан-Уде, 2015 г.); Междунар. НПК «Измерение, контроль, информатизация» (Барнаул, 2016 г.); Всероссийская конференция «Сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу» (Томск, 2003, 2007, 2009, 2011, 2013, 2015, 2017, 2019 гг.); Всероссийская научная конференция с
международным участием «Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов» (Барнаул, 2010 г.; Москва, 2015 г.); Всероссийская конференция «Проблемы информатизации региона» (Красноярск, 2013 г.); Всероссийская НПК «Системы гидрометеорологического, экологического и специального мониторинга: методологические аспекты повышения качества функционирования. Академические Жуковские чтения» (Воронеж, 2015 г.); Рабочая группа «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2014, 2019 гг.); Всероссийская научная конференция с
международным участием «Водные и экологические проблемы Сибири и Центральной Азии» (Барнаул, 2014 г.); Всероссийская НПК с международным участием «Современные достижения и проблемы в области изучения окружающей среды» (Барнаул, 2014 г.); Всероссийская научная конференция с международным участием «Почвы холодных областей: генезис, география, экология» (Улан-Удэ, 2015 г.); XVII Всероссийская НПК «Измерение, контроль, информатизация:
материалы» (Барнаул, 2016 г.); III Международный симпозиум «Физика, химия и механика снега» (Южно-Сахалинск, 2017); II Всероссийская НПК «Научное приборостроение - современное состояние и перспективы развития» (Казань, 2018 г); Международная географическая конференция «Экономический коридор: Китай-Монголия-Россия» (Иркутск, 2018 г); Всероссийская конференция «Междисциплинарные научные исследования в целях освоения горных и арктических территорий» (Сочи, 2018); Международная научно-техническая конференция «Системы контроля окружающей среды - 2018» (Севастополь, 2018 г.); Всероссийская НПК «Современные проблемы гидрометеорологии и устойчивого развития Российской Федерации» (С.-Петербург, 2019 г.).
Личный вклад автора заключается в том, что он выполнил весь комплекс работ по проектированию, изготовлению и испытанию созданного электронного оборудования, включая постановку задач, разработку электронных схем, печатных плат, макетирование, изготовление и настройку первых экземпляров экспериментальных образцов контролирующих датчиков и устройств. Руководил и непосредственно участвовал в разработке алгоритмов ПО и структур хранения данных.
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 75 работах, включая: 1 глава в коллективной монографии, 10 статей в журналах из списка ВАК (1 без соавторов), 2 статьи, входящих в международную базу данных (Scopus), 10 патентов на изобретение (4 без соавторов) и 52 тезиса и материала докладов в сборниках трудов международных и всероссийских научнотехнических конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 118 наименований и 4-х приложений. Общий объем работы составляет 172 страницы машинописного текста, содержит 13 таблиц, 63 рисунка.
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи исследований, показаны научная новизна, практическая значимость и личный вклад автора. Приведены результаты апробации работы и публикации ее теме, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрен современный уровень развития средств диагностики и контроля состояния окружающей среды, проведена оценка их основных достоинств и недостатков, сформулирована основная цель диссертационной работы и решаемые в ней задачи.
Вторая глава посвящена описанию результатов разработки и реализации серии датчиков и зондов, предназначенных для измерения высоты снежного покрова, вертикального профиля температуры снега, температурных профилей болот, почвы и мерзлотных грунтов, регистрации процесса таяния ледников и динамики профиля температур, оперативного контроля изменений уровня воды, а также солнечной радиации. Рассмотрены вопросы метрологического обеспечения разработанных датчиков.
В третьей главе рассмотрены принципы построения на базе беспилотного летательного аппарата портативной электронной метеостанции, способной регистрировать пространственное распределение полей основных метеовеличин: температуры и влажности воздуха, атмосферного давления, скорости и направления ветра на различных высотных уровнях в приземном слое атмосферы.
Четвертая глава посвящена описанию разработанного и реализованного автономного атмосферно-почвенного измерительного комплекса и его модификаций, предназначенных для оперативного контроля состояния природной среды на труднодоступных территориях, а также результатам апробации разработанных комплексов в различных геофизических регионах включая водные объекты, болота, мерзлотные грунты и горные системы. В качестве составных частей в разработанных комплексах использован ряд измерительных устройств, рассмотренных во 2-й и 3-ей главах диссертации
Производимые в настоящее время автоматические системы контроля природной среды имеют высокую стоимость, поэтому построение на их основе развитой измерительной сети не оправдано экономически. В тоже время, современные технологии позволяют создавать весьма эффективные и недорогие технические средства. Таким образом, создание автономных комплексов, систем и датчиков контроля природной среды для труднодоступных территорий является весьма актуальной задачей.
Целью работы является создание на основе современных технологий автономного атмосферно-почвенного измерительного комплекса и автономных датчиков для контроля изменений ряда отдельных стандартных и дополнительных метеорологических величин, предназначенных для контроля природной среды на труднодоступных территориях.
Для достижения этой цели необходимо решение следующих задач:
1) разработать способ контроля изменений профилей температуры в грунтах, почвах, снежных и ледовых покровах и реализовать данный метод в технических средствах;
2) разработать новые датчики для контроля потока солнечной радиации и уровня воды в природных водоемах;
3) разработать и создать беспилотный регистратор пространственных полей температуры, давления, влажности, а также усредненных значений скорости и направления ветра в пограничном слое атмосферы;
4) на основе предложенных методов и разработанных технических средств для контроля изменений профилей температуры в грунтах, почвах и ледовых покровах разработать и реализовать базовый автономный атмосферно-почвенный измерительный комплекс (АПИК), предназначенный для оперативного контроля состояния природной среды на труднодоступных территориях, обеспечивающий передачу измерительной информации на удаленный сервер и позволяющий удаленный доступ к элементам оборудования и базам данных сторонним пользователям.
Методы исследования. Использовался комплексный подход, включающий в себя анализ научных и технических источников, охватывающих область исследования; анализ и параметризацию требований к новому оборудованию и цифровой обработке и передаче информации, метрологическую калибровку датчиков, разработку электронных блоков АПИК и программных алгоритмов, а также проведение натурных испытаний созданных технических средств.
Научная новизна
1. Предложены, научно обоснованы и реализованы новые технические решения по конструкции датчика высоты снежного покрова (патент РФ № 2542598) и регистратора таяния ледников (патент РФ № 2606346), основанные на определении температурного градиента на границе снега или льда и воздуха с помощью температурного зонда или термокосы, состоящей из жёстких сегментов, для автоматического складывания, соединённых между собой гибким кабелем и использующих множество температурных датчиков.
2. Предложена и обоснована новая конструкция зонда для контроля изменений вертикального профиля температуры среды, обеспечивающая уменьшение теплопередачи через соединительный кабель, передающий информацию на контроллер-регистратор, за счет присоединения кабеля к зонду на глубине 10-20 см и размещении его в закрытой траншее (патент РФ № 2658552).
3. Предложена новая конструкция устройства контроля изменений высоты снежного покрова в горах для оценки лавинной опасности, имеющего длинный пластиковый корпус, в котором установлена вертикальная цепочка датчиков температуры, контроллер, радиомодем, датчики положения, GPS-приемник и блок автономного питания, обеспечивающая сбор оперативной информации для контроля лавинной ситуации (патент РФ № 2617146).
4. Впервые предложены и обоснованы способы измерения усредненных значений скорости и направления ветра, основанные на использовании аэродинамических характеристик БПЛА мультикоптерного типа и его навигационного оборудования при зависании в определенной точке пространства (патенты РФ №№ 2600519, 2616352, 2617020, 2650094).
5. Разработана концепция базового Атмосферно-измерительного комплекса
АПИК для контроля изменений стандартных метеорологических величин: температуры, влажности, атмосферного давления, скорости и направления ветра. АПИК дополнен авторскими датчиками для контроля изменений дополнительных метеовеличин: высоты снежного покрова, солнечной радиации, профиля
температуры грунта, уровня воды, а также датчиками: осадков, влажности грунта и проводимости почвы. Алгоритм работы контроллера-регистратора АПИК обеспечивает с заданным периодом опрос цифровых и аналоговых датчиков, сохранение полученных данных в энергонезависимой памяти (логгере) с привязкой ко времени измерения. Связь для конфигурирования работы и считывания данных на внешний сервер происходит через GSM-модем, Wi-Fi модуль, спутниковый интернет или через интерфейс USB.
Реализация результатов работы.
Предложенные автором технические решения позволили создать более 300 устройств, комплексов и систем контроля параметров природной среды, которые работают во многих регионах России, в том числе более 70 АПИК измеряют и передают информацию по каналам сотовой и спутниковой связи.
Настоящая работа выполнялась в рамках государственных заданий по программам:
1) ФЦП ИР, Проект «Разработка и создание измерительно-вычислительной системы для реализации технологии мезомасштабного мониторинга и прогнозирования состояния атмосферного пограничного слоя» (Соглашение № 14.607.21.0030, идентификатор RFMEFI60714X0030) (2014-2016 гг.);
2) Проект СО РАН VIII.80.2.2 «Научные основы создания оптических, акустических и электронных приборов, комплексов и систем для метеорологических измерений и технологии их применения в задачах мониторинга окружающей среды» (2012-2016 гг.);
3) в пяти проектах Приборной программы СО РАН «Импортозамещение» (2012 - 2013 гг.) на поставку комплексов: «АПИК», «АПИК-002» - ИГ СО РАН (г. Иркутск); «АПИК-004» - ИПА СО РАН (г. Новосибирск); «АПИК-007» - ЦКП БНЦ СО РАН (г. Улан-Удэ); «АПИК-008» - ИМЗ СО РАН (г. Якутск);
4) Программа ФНИ СО РАН П.2П, № НИОКТР АААА-А16-116120810008-05 (2014-2016 гг.);
5) Проект СО РАН IX.138.2.5 (2017-2020 гг.);
6) Проект задания Минобрнауки РФ № 5.3279.2017/4.6 5 (2017-2019 гг.);
7) ФЦП ИР, Проект «Разработка и создание автоматической метеорологической станции арктического исполнения для труднодоступных территорий и Северного морского коридора (АрктикМетео)» (Соглашение № 14.607.21.0205, уникальный идентификатор RFMEFI60718X0205) (2018-2020 гг.);
8) Проект РФФИ 18-05-00306 (2018-2020 гг.).
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается применением контрольно-испытательного оборудования для калибровки созданных технических средств и сравнительными испытаниями, проведенными на территории Сибири и Дальнего Востока с использованием аттестованной аппаратуры.
Практическая значимость созданных измерительных комплексов состоит в значительном расширении сетей контроля погодных, климатических и экологических процессов природной среды на удалённых территориях, включая водные объекты, болота, мерзлотные грунты и горные системы.
Положения, выносимые на защиту:
1. Разработанная измерительная рейка, представляющая собой протяжённую трёхпроводную печатную плату с установленными на ней малогабаритными цифровыми датчиками температуры, обеспечивает контроль высоты снежного покрова по температурному градиенту на границе снега и воздуха с разрешающей способностью, определяемой расстоянием между датчиками и габаритным размером датчика (при использовании датчика DS18B20 разрешающая способность составляет 5 мм), а малое сечение рейки (11 мм) снижает паразитную теплопередачу и уменьшает влияние измерительной рейки на естественный снежный покров.
2. Автоматический регистратор таяния ледников, представляющий собой контроллер-регистратор и термокосу с малым сечением (1,1 см), устанавливаемую с упором в дно пробурённой в леднике скважины, позволяет с заданным временным периодом осуществлять контроль профиля температуры и по отличию от температуры вне скважины вычислять верхнюю границу ледника с разрешающей способностью, определяемой расстоянием между цифровыми датчиками температуры, которые установлены на жестких сегментах (длиной 40 см), соединённых между собой гибким кабелем, обеспечивающим, при таянии ледника, автоматическое складывание термокосы, а дополнительное наличие в котроллере солнечной батареи, радиомодема, GPS-приемника позволяет оперативно передавать информацию о профиле температуры и перемещении ледника.
3. Разработанный алгоритм определения средних значений горизонтальной составляющей скорости в интервале (0.20) м/с с погрешностью ±0,5 м/с и направления ветра в интервале (0.360) град. ±15 град. обеспечивает их вычисление по перемещению беспилотного летательного аппарата (БПЛА) мультироторного типа, движущегося под воздействием ветра, находящегося в режиме удержания высоты и вертикально направленного вектора тяги, снабженного системой спутниковой навигации, электронным гироскопом и электронным магнитным компасом. При этом полный усреднённый вектор скорости и направления ветра определяется путем измерения наклона вектора тяги БПЛА при его зависании в точке или при равномерном движении.
4. Созданная обширная сеть автономных атмосферно-почвенных измерительных комплексов АПИК, включающих измерительные датчики, автономные контролеры-регистраторы, радиомодули передачи информации, сервер и базу данных и разработанное к ним программное обеспечение, позволяют осуществить долговременный комплексный мониторинг состояния природной среды в удаленных и труднодоступных болотных, лесных, степных и горных ландшафтах без участия операторов-метеорологов.
Апробация работы: Результаты диссертации докладывались и обсуждались более чем на 30 международных и всероссийских конференциях, в том числе:
Междунар. симпозиум «Контроль и реабилитация окружающей среды» (Томск, 2004 г.); Междунар. конференция «ENVIROMIS» (Томск, 2008, 2016, 2018 гг.); Междунар. НПК «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития» (Одесса, 2011 г.); Междунар. НПК «Реки Сибири и Дальнего Востока» (Иркутск, 2013 г.); International Conference
«Paleolimnology of Northern Eurasia» (Petrozavodsk, 2014); Междунар. НПК
«Земельные и водные ресурсы: мониторинг эколого-экономического состояния и модели управления» (Улан-Уде, 2015 г.); Междунар. НПК «Измерение, контроль, информатизация» (Барнаул, 2016 г.); Всероссийская конференция «Сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу» (Томск, 2003, 2007, 2009, 2011, 2013, 2015, 2017, 2019 гг.); Всероссийская научная конференция с
международным участием «Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов» (Барнаул, 2010 г.; Москва, 2015 г.); Всероссийская конференция «Проблемы информатизации региона» (Красноярск, 2013 г.); Всероссийская НПК «Системы гидрометеорологического, экологического и специального мониторинга: методологические аспекты повышения качества функционирования. Академические Жуковские чтения» (Воронеж, 2015 г.); Рабочая группа «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2014, 2019 гг.); Всероссийская научная конференция с
международным участием «Водные и экологические проблемы Сибири и Центральной Азии» (Барнаул, 2014 г.); Всероссийская НПК с международным участием «Современные достижения и проблемы в области изучения окружающей среды» (Барнаул, 2014 г.); Всероссийская научная конференция с международным участием «Почвы холодных областей: генезис, география, экология» (Улан-Удэ, 2015 г.); XVII Всероссийская НПК «Измерение, контроль, информатизация:
материалы» (Барнаул, 2016 г.); III Международный симпозиум «Физика, химия и механика снега» (Южно-Сахалинск, 2017); II Всероссийская НПК «Научное приборостроение - современное состояние и перспективы развития» (Казань, 2018 г); Международная географическая конференция «Экономический коридор: Китай-Монголия-Россия» (Иркутск, 2018 г); Всероссийская конференция «Междисциплинарные научные исследования в целях освоения горных и арктических территорий» (Сочи, 2018); Международная научно-техническая конференция «Системы контроля окружающей среды - 2018» (Севастополь, 2018 г.); Всероссийская НПК «Современные проблемы гидрометеорологии и устойчивого развития Российской Федерации» (С.-Петербург, 2019 г.).
Личный вклад автора заключается в том, что он выполнил весь комплекс работ по проектированию, изготовлению и испытанию созданного электронного оборудования, включая постановку задач, разработку электронных схем, печатных плат, макетирование, изготовление и настройку первых экземпляров экспериментальных образцов контролирующих датчиков и устройств. Руководил и непосредственно участвовал в разработке алгоритмов ПО и структур хранения данных.
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 75 работах, включая: 1 глава в коллективной монографии, 10 статей в журналах из списка ВАК (1 без соавторов), 2 статьи, входящих в международную базу данных (Scopus), 10 патентов на изобретение (4 без соавторов) и 52 тезиса и материала докладов в сборниках трудов международных и всероссийских научнотехнических конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 118 наименований и 4-х приложений. Общий объем работы составляет 172 страницы машинописного текста, содержит 13 таблиц, 63 рисунка.
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи исследований, показаны научная новизна, практическая значимость и личный вклад автора. Приведены результаты апробации работы и публикации ее теме, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрен современный уровень развития средств диагностики и контроля состояния окружающей среды, проведена оценка их основных достоинств и недостатков, сформулирована основная цель диссертационной работы и решаемые в ней задачи.
Вторая глава посвящена описанию результатов разработки и реализации серии датчиков и зондов, предназначенных для измерения высоты снежного покрова, вертикального профиля температуры снега, температурных профилей болот, почвы и мерзлотных грунтов, регистрации процесса таяния ледников и динамики профиля температур, оперативного контроля изменений уровня воды, а также солнечной радиации. Рассмотрены вопросы метрологического обеспечения разработанных датчиков.
В третьей главе рассмотрены принципы построения на базе беспилотного летательного аппарата портативной электронной метеостанции, способной регистрировать пространственное распределение полей основных метеовеличин: температуры и влажности воздуха, атмосферного давления, скорости и направления ветра на различных высотных уровнях в приземном слое атмосферы.
Четвертая глава посвящена описанию разработанного и реализованного автономного атмосферно-почвенного измерительного комплекса и его модификаций, предназначенных для оперативного контроля состояния природной среды на труднодоступных территориях, а также результатам апробации разработанных комплексов в различных геофизических регионах включая водные объекты, болота, мерзлотные грунты и горные системы. В качестве составных частей в разработанных комплексах использован ряд измерительных устройств, рассмотренных во 2-й и 3-ей главах диссертации
✅ Заключение
1. Проведен обзор существующих датчиков для измерения стандартных и дополнительных метеорологических величин и АМС, использующих эти датчики, отмечены их недостатки, осложняющие работу АМС на труднодоступных территориях и сформулированы цели и задачи диссертационной работы. Отмечено, что создание автономных систем и датчиков текущей диагностики и контроля состояния снежного и ледового покрова, текущего пространственного распределения полей метеорологических величин в окрестности АМС, включая атмосферу и грунтовые покровы, разработка способов построения аппаратуры для непосредственной передачи измеренной информации по модемному или спутниковому каналам связи для труднодоступных территорий является весьма актуальной задачей.
2. Предложен датчик для контроля высоты снежного покрова, основанный на анализе вертикального профиля температуры в воздухе и снежном покрове. Созданный датчик в количестве более 50 шт. установлен на ряде наблюдательных постов и метеостанций в качестве средства контроля.
3. Разработана и изготовлена конструкция одноразового датчика контроля высоты снежного покрова, применяемого для оценки лавинной опасности . Предложена методика использования такого датчика для оценки снегозапаса и степени лавиной опасности на горных склонах.
4. Разработана и обоснована конструкция автоматического регистратора таяния ледников Куракова на основе термокосы, в которой датчики температуры расположены на равном расстоянии друг от друга и которые последовательно соединены между собой гибким кабелем. Конструкция дает возможность определения положения верхней границы ледяного покрова, обеспечивает установку термокосы вертикально с упором в дно скважины, снижение механических нагрузок на измерительный элемент (термокосу) за счет ее автоматического складывания.
5. Создан комплект термозондов различного конструктивного исполнения, предназначенных для непрерывного контроля вертикального профиля температуры в почве и грунтах до глубины 500 см с различным пространственным разрешением (минимальное разрешение 5 мм). Обосновано техническое решение по выводу информации из термозонда и передаче ее в контроллер для уменьшения теплопередачи по соединительному кабелю.
6. Разработан и изготовлен датчик уровня воды, который обеспечивает оперативный контроль изменений уровня в широком диапазоне высот, характерном для развития паводков и половодий.
7. Разработан и изготовлен экспериментальный образец блока контроля потока падающей и отраженной солнечной радиации, который имеет два измерительных модуля, ориентированных на 180° относительно друг друга. Модуль контроля потока солнечной радиации имеет два зачернённых и два блестящих алюминиевых сектора, температура которых регистрируется четырьмя терморезисторами.
8. Теоретически и экспериментально показана возможность определения усредненных значений скорости и направления ветра на заданной высоте путем отслеживания траектории БПЛА коптерного типа под действием ветра с использованием аэродинамических свойств БПЛА и навигационного оборудования, входящего в его состав. Теоретически обоснован способ определения усредненного вектора скорости ветра по наклону вектора тяги БПЛА.
9. Разработан и изготовлен экспериментальный образец портативной электронной метеостанции ПЭМС-БПЛА, регистрирующей вертикальные профили температуры, давления и относительной влажности атмосферного воздуха, устанавливаемой на мультикоптере с передачей информации по радиоканалу в on-line режиме. Проведены испытания экспериментального образца в климатической камере, которые показали, что он обеспечивает контроль: температуры воздуха в диапазоне от минус 50 до +55 °С, с погрешностью ±0,3 °С; атмосферного давления в диапазоне от 500 до 1000 гПа, с погрешностью ±0,5 гПа; относительной влажности воздуха в диапазоне от 5 до 100 %, с погрешностью 2,5 %. Проведены натурные испытания экспериментального образца ПЭМС-БПЛА по регистрации вертикальных профилей этих метеорологических величин до высоты 2 км.
10. Разработана концепция и структурная схема базового атмосферноизмерительного комплекса АПИК, включающего датчики для контроля изменения стандартных метеорологических величин: температуры, влажности, атмосферного давления, скорости и направления ветра. При этом использована оригинальная конструкция совмещенного датчика температуры и влажности воздуха. АПИК дополнен авторскими датчиками для контроля дополнительных величин: высоты снежного покрова, солнечной радиации, профиля температуры грунта, уровня воды, а также покупными датчиками: количества и интенсивности осадков, влажности грунта и проводимости почвы.
11. Разработанный алгоритм работы контроллера-регистратора АПИК обеспечивает с заданным периодом опрос цифровых и аналоговых датчиков, сохранение полученных данных в энергонезависимой памяти (логгере) с привязкой ко времени регистрации с помощью встроенного таймера. Связь для конфигурирования работы и считывания данных на внешний сервер происходит через GSM-модем, Wi-Fi модуль, спутниковый интернет или напрямую через интерфейс USB. Для экономии энергии контроллер почти всё время находится в спящем режиме. Для последующего использования метеорологической информации, занесенной в базу данных сервера, разработано клиентское приложение с соответствующим протоколом обмена данных.
12. Представлены результаты применения АПИК для климатических исследований в районах Большого Васюганского болота, Красиловского озера Алтайского края. Всего было разработано и изготовлено более 30 АПИК различных конфигураций, которые эксплуатировались в различных климатических зонах России от Белгородской до Магаданской областей и от Гыданского полуострова на севере до Алтайских гор на юге.
2. Предложен датчик для контроля высоты снежного покрова, основанный на анализе вертикального профиля температуры в воздухе и снежном покрове. Созданный датчик в количестве более 50 шт. установлен на ряде наблюдательных постов и метеостанций в качестве средства контроля.
3. Разработана и изготовлена конструкция одноразового датчика контроля высоты снежного покрова, применяемого для оценки лавинной опасности . Предложена методика использования такого датчика для оценки снегозапаса и степени лавиной опасности на горных склонах.
4. Разработана и обоснована конструкция автоматического регистратора таяния ледников Куракова на основе термокосы, в которой датчики температуры расположены на равном расстоянии друг от друга и которые последовательно соединены между собой гибким кабелем. Конструкция дает возможность определения положения верхней границы ледяного покрова, обеспечивает установку термокосы вертикально с упором в дно скважины, снижение механических нагрузок на измерительный элемент (термокосу) за счет ее автоматического складывания.
5. Создан комплект термозондов различного конструктивного исполнения, предназначенных для непрерывного контроля вертикального профиля температуры в почве и грунтах до глубины 500 см с различным пространственным разрешением (минимальное разрешение 5 мм). Обосновано техническое решение по выводу информации из термозонда и передаче ее в контроллер для уменьшения теплопередачи по соединительному кабелю.
6. Разработан и изготовлен датчик уровня воды, который обеспечивает оперативный контроль изменений уровня в широком диапазоне высот, характерном для развития паводков и половодий.
7. Разработан и изготовлен экспериментальный образец блока контроля потока падающей и отраженной солнечной радиации, который имеет два измерительных модуля, ориентированных на 180° относительно друг друга. Модуль контроля потока солнечной радиации имеет два зачернённых и два блестящих алюминиевых сектора, температура которых регистрируется четырьмя терморезисторами.
8. Теоретически и экспериментально показана возможность определения усредненных значений скорости и направления ветра на заданной высоте путем отслеживания траектории БПЛА коптерного типа под действием ветра с использованием аэродинамических свойств БПЛА и навигационного оборудования, входящего в его состав. Теоретически обоснован способ определения усредненного вектора скорости ветра по наклону вектора тяги БПЛА.
9. Разработан и изготовлен экспериментальный образец портативной электронной метеостанции ПЭМС-БПЛА, регистрирующей вертикальные профили температуры, давления и относительной влажности атмосферного воздуха, устанавливаемой на мультикоптере с передачей информации по радиоканалу в on-line режиме. Проведены испытания экспериментального образца в климатической камере, которые показали, что он обеспечивает контроль: температуры воздуха в диапазоне от минус 50 до +55 °С, с погрешностью ±0,3 °С; атмосферного давления в диапазоне от 500 до 1000 гПа, с погрешностью ±0,5 гПа; относительной влажности воздуха в диапазоне от 5 до 100 %, с погрешностью 2,5 %. Проведены натурные испытания экспериментального образца ПЭМС-БПЛА по регистрации вертикальных профилей этих метеорологических величин до высоты 2 км.
10. Разработана концепция и структурная схема базового атмосферноизмерительного комплекса АПИК, включающего датчики для контроля изменения стандартных метеорологических величин: температуры, влажности, атмосферного давления, скорости и направления ветра. При этом использована оригинальная конструкция совмещенного датчика температуры и влажности воздуха. АПИК дополнен авторскими датчиками для контроля дополнительных величин: высоты снежного покрова, солнечной радиации, профиля температуры грунта, уровня воды, а также покупными датчиками: количества и интенсивности осадков, влажности грунта и проводимости почвы.
11. Разработанный алгоритм работы контроллера-регистратора АПИК обеспечивает с заданным периодом опрос цифровых и аналоговых датчиков, сохранение полученных данных в энергонезависимой памяти (логгере) с привязкой ко времени регистрации с помощью встроенного таймера. Связь для конфигурирования работы и считывания данных на внешний сервер происходит через GSM-модем, Wi-Fi модуль, спутниковый интернет или напрямую через интерфейс USB. Для экономии энергии контроллер почти всё время находится в спящем режиме. Для последующего использования метеорологической информации, занесенной в базу данных сервера, разработано клиентское приложение с соответствующим протоколом обмена данных.
12. Представлены результаты применения АПИК для климатических исследований в районах Большого Васюганского болота, Красиловского озера Алтайского края. Всего было разработано и изготовлено более 30 АПИК различных конфигураций, которые эксплуатировались в различных климатических зонах России от Белгородской до Магаданской областей и от Гыданского полуострова на севере до Алтайских гор на юге.
ИЛИ
Поиск аналога
📕 Список литературы
🖼 Скриншоты
🛒 Оформить заказ
⚡ Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.