авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Газоаналитическая информационно-измерительная система оперативного контроля воздуха в объектах тоннельного типа

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

НАЗАРОВ ЕВГЕНИЙ СТАНИСЛАВОВИЧ

ГАЗОАНАЛИТИЧЕСКАЯ

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ ВОЗДУХА

В ОБЪЕКТАХ ТОННЕЛЬНОГО ТИПА

Специальность 05.11.13 – Приборы и методы контроля природ­ной среды, веществ, материалов и изделий

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Москва 2009

Работа выполнена на кафедре мониторинга и автоматизированных систем контроля Московского государственного университета инженерной экологии.

Научный руководитель:
д.т.н., профессор
Попов Александр Александрович

Научный консультант:

д.т.н., профессор

Латышенко Константин Павлович

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор

Пушкин Игорь Александрович

к.т.н.

Патрикеев Виктор Александрович

Ведущая организация: ФГУП ВНИИМ им. Д.И. Менделеева

Защита диссертации состоится « 26 » ноября 2009 года в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.145.02 при Московском государственном университете инженерной экологии в ауд. В-23 по адресу: 105066, г. Москва, ул. Старая Басманная, 21/4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУИЭ.

Автореферат разослан « 24 » октября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Д 212.145.02,

к.т.н., доцент Мокрова Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Необходимость создания газоаналитической информационно-измерительной системы оперативного контроля воздуха для объектов тоннельного типа вызвана ростом числа политических, этнических и религиозных конфликтов, в которых активное участие могут принимать международные террористические организации. Особую опасность представляют террористические акты с применением оружия массового поражения.

Объёмные взрывы, наряду с химическим, биологическим, ра­диационным оружием, присутствуют практически во всех сценариях терактов на тоннельных сооружениях.

В диссертации исследованы ситуации, приводящие к объёмным взрывам в тоннельных сооружениях, в частности, применение терро­ристами в качестве взрывообразующих веществ природного газа, мо­торных топлив и других органических соединений, а также техногенные аварии, связанные с перевозкой аналогичных продуктов.

В результате рассмотрения совокупности ситуаций предложена газоаналитическая система не только предупреждающая о возникновении угрозы объёмных взрывов, но и сообщающая диспетчерам транспортной инфраструктуры о минимальном времени принятия управляющих решений. Задача осложняется тем, что тоннели метрополитенов и другие тоннельные сооружения, использующие электропоезда, не могут быть мгновенно обесточены при обнаружении взрывоопасных веществ в воздухе, так как в зоне поражения остановятся поезда с пассажирами. Поэтому разработка системы, обеспечивающей ситуационный анализ, является актуальной задачей.





Диссертационная работа поставлена и выполнена в соответствии с Федеральной программой «Безопасность метрополитенов», Законом РФ № 16-ФЗ от 09 февраля 2007 г. «О транспортной безопасности» и Законом г. Москвы № 16 (п. 10.4.28) от 19 апреля 2006 г. о создании антитеррористической системы («Система–М»).

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является создание газоаналитической системы для оперативного контроля воздуха в тоннельных сооружениях и на основе алгоритма работы системы прогнозирование развития предаварийной ситуации (предупреждение угрозы объёмного взрыва).

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

– провести ситуационный анализ объекта контроля с учётом парирования возможных чрезвычайных ситуаций (ЧС);

– разработать алгоритм функционирования системы;

– разработать структуру и состав технических средств системы;

– обосновать выбор датчиков для газоаналитической системы и провести их экспериментальные исследования;

– определить надёжностные характеристики системы.

Методы исследования

В диссертационной работе для решения поставленных задач использованы методы системного анализа, математического моделирования, а также методы экспериментальных исследований метрологических характеристик ПИП, основанные на использовании рабочих эталонов.

Научная новизна

  1. Получено аналитическое выражение временной функции рас­пределения концентрации взрывоопасных веществ в воздухе тоннельных сооружений С(x, t) при мгновенном и длительном источниках загазованности.

2. Получены математические модели параметров переноса взрывоопасных веществ в тоннеле с учётом конвективного движения воздушных масс и их концентрации в воздухе при разгерметизации трубопровода.

3. Предложен алгоритм функционирования информационно-измерительной системы (ИИС), позволяющий определить место возникновения загазованности (в полуинтервале расстояния размещения датчиков), прогнозировать развитие взрывоопасной ситуации и установить значение минимального времени для принятия управляющих воздействий с целью предупреждения объёмного взрыва.

4. Ввиду необходимости контроля воздушной среды объекта, в котором могут применяться различные сценарии с различными поллютантами, решено применить неселективные датчики на основе термохимического метода анализа.

5. Предложена методика расчёта надёжности больших газоаналитических систем, обладающих дистанционной самодиагностикой составных частей и перестраиваемым алгоритмом обработки информации с исключением отказавших элементов.

Практическая значимость

Результаты диссертационной работы позволили:

1. Обосновать возможность создания систем взрывобезопасности для конкретных объектов проектно-конструкторским путём.

2. В соответствии с п. 1 рассчитать: схемно-конструктивные па­раметры канала взрывозащиты (КВЗ) системы Московского метропо­литена, количество и места расстановки датчиков, а также их настро­ечные параметры и оценки надёжности.

3. Предложить для включения в рабочую конструкторскую до­кументацию «Системы–М» алгоритм функционирования КВЗ.

4. Предложенный вариант системы включён в состав опытного образца канала экспресс информации на взрывоопасные вещества в воздухе метрополитена («Система–М». КВЗ).

Реализация

Предложенная информационно-измерительная система и её со­ставные части, включая алгоритм функционирования, прошла все виды испытаний, предусмотренные ГОСТ 34.601–90, и реализована в РКД канала КВЗ «Системы–М» (антитеррористическая система Московского метрополитена).

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научной конференции памяти Н.Я. Феста (2007 – 2008 гг.), на научной конференции студентов и аспирантов МГУИЭ–2008, в рамках меж­дународного салона «Комплексная безопасность–2008», в рамках курсов YRU: 968 Сетевая СУ STARDOM Московского центра обучения YOKOGAWA 2007 г., Fieldbus Systems and Devices (7032) EMERSON LLC 2007 г., «Системы управления контролем доступа и видеонаблюдения, приборы пожарной, охранной сигнализации» на базе интегрированной системы «Орион» 2008 г., «Программирование и работа с контроллерами DirectLOGIC» 2008 г.

Публикации

Основные положения диссертационной работы изложены в десяти печатных работах, в том числе семь в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы с 92 наименованиями.

Работа изложена на 174 страницах машинописного текста, включает 39 рисунков и 33 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность разработки газоаналити­ческой системы для контроля воздушной среды в помещениях тон­нельного типа, сформулированы цели и задачи исследования, указаны пути их достижения, научная и практическая ценность выполненной работы, а также перечислены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведено обоснование выбора метода измерения для контроля воздушной среды исследуемого объекта, а также средств измерений, основанных на этом методе. Проанализированы структурные решения газоаналитических систем аналогичного назначения.

Приведена ситуационная модель, учитывающая два вида пора­жающего фактора, распределение взрывоопасных концентраций в за­висимости от конвективных потоков, связанных с движением поездов.

В качестве базиса для дальнейших исследований с целью построе­ния структуры и алгоритма функционирования систем взрывобезо­пасности принят термохимический метод анализа воздушной среды.

Во второй главе рассмотрены два варианта возникновения угрозы объёмного взрыва. Первый вариант – наполнение объекта природным газом из магистральных трубопроводов. Второй – крупный пролив моторных топлив.

Выбрана математическая модель распределения концентрации взрывоопасного вещества в контролируемых объектах – уравнение Бриггса. При переходе к геометрически строгим объектам (для тоннелей метрополитена – «труба») введены следующие допущения: скорость ветра в тоннеле постоянна и характеризуется работой системы вентиляции; поезд в тоннеле отсутствует; скорость ветра на стенках тоннеля равна нулю; скорость ветра максимальна в центре тоннеля. Каждому варианту сценария соответствует своё распределение концентрации во времени t и пространстве x, т.е. виды функций С(x, t).

Представлены результаты расчёта значений функции С(x, t) для рассматриваемых сценариев.

Аналитическое выражение функции Смг(x, t) для сценария «мгновенный точечный источник»:

Смг(x, t), (1)

где М – масса поллютанта; – коэффициент Бриггса; u – скорость ветра;

t –- момент времени замера концентрации, отсчитанный от начала выброса; S – площадь сечения тоннеля.

Если источник не мгновенного, а длительного действия, то концентрация Cдл(x, t) может быть получена интегрированием Смг(x, ) по времени от 0 до t.

Тогда имеем:

Cдл(x, t) , (2)

где µ0 – интенсивность источника; x – расстояние от точки воздействия; u – скорость ветра.

Существует принципиальное различие двух сценариев: по первому M = const, а по второму M = f(t), т.е. поражающий фактор возрастает с ростом времени, так как при u = const концентрация С(x, t) увеличивается. Это, в свою очередь, означает пропорциональный рост объёма взрывающегося вещества.

Рис. 1. Концентрация поллютанта в тоннеле

при различных расстояниях (х) и скоростях ветра (u)

Кроме того, во второй главе предложены варианты расчётов параметров переноса взрывоопасных веществ в тоннеле с учётом присутствия поездов, приведены расчёты скорости истечения метана при разгерметизации трубопроводов с оценкой времени установления взрывоопасной концентрации.

В третьей главе предложен системно-алгоритмический подход к решению поставленной недетерминированной задачи, а также пред­ставлен алгоритм и гистограмма функционирования газоаналитической системы (см. рис. 2, 3).

Сигналы с индексом «1» (Предупреждение 1, Тревога 1) и соот­ветствующие им времена с индексом «’» означают прогнозируемое время роста концентрации до появления следующего сигнала системы, а сигналы с индексом «2» и с индексом «’’» означают реальное время появления следующего сигнала (2’’).

В основу прогнозирования развития ЧС положено вычисление производной C % НКПР (нижний концентрационный предел распространения пламени) по в конечных разностях, т.е. С/.

Первое значение произ­водной вычисляется относи­тельно времени возникновения сигнала на уровне 5 % НКПР, при этом d = 1 –0, где 0 – время последнего нулевого сигнала датчика. Это позволяет рассчитать время получения сигнала «Предупреждение», т.е. достижения концентрации взрывоопасного вещества значения 15 % НКПР. Реальное время достижения этого значения концентрации может существенно отличаться от расчётного. В этом случае производится корректировка значения С/, т.е. С = 10 % НКПР, а = 2’’ – 1. Это в свою очередь, позволяет предсказать время достижения концентрации значения 25 % НКПР с выдачей сигнала «Тревога». Используя эту алгоритмическую процедуру, определяют минимальное время принятия и реализации управляющих решений на контролируемом объекте, при этом за начальное время можно принять 2’’, т.е. «Предупреждение», а за конечное время – достижение концентраций значения от 50 до 70 % НКПР, что должно соответствовать времени реализации всех принятых решений, исключающих объёмный взрыв или максимально сокращающих его последствия.

В основу разработки алгоритма положены расчёты минимального времени достижения взрывоопасной концентрации, которое составляет не менее 30 минут, а также рассчитанные значения производной dС(x, t)/dt.

Для осуществления информационного обмена, визуализации и управления газоаналитической системой необходимы следующие компо­ненты (ГОСТ 8.596–2002):

– измерительные (датчики экспресс-анализа);

– вычислительные (центральный станционный контроллер – ЦСК);

– связующие (линии связи);

– вспомогательные (ИБП, конверторы, коммутаторы и т.д.).

Структура газоаналитической системы представлена на рис. 4.

В четвёртой главе рассматривается задача общей надёжности сис­тем.

Показатели надёжности разделены на две группы:

– информационная надёжность, т.е. соотношение рисков (вероятностей) формирования ложного сигнала «Тревога» и вероятность пропуска взры­воопасной ситуации;

– техническая надёжность, т.е. вероятность отказа составных частей сис­темы.

При этом за счёт достаточности структурных и алгоритмических решений отказ технических средств не приводит к уменьшению инфор­мационной надёжности системы.

Информационная надёжность системы для каждого конкретного объекта определяется из соотношения свойств объекта контроля и на­строечных параметров системы. Эти параметры могут быть рассчитаны по результатам гл. 2 и 3.

Методика расчёта технической надёжности

Допустим, что ремонт (восстановление) элемента происходит со средним временем восстановления ТР (при алгоритмическом исключении отказавшего элемента ТР может быть достаточно мало), причём вероят­ность восстановления РР() ( – допустимое время простоя) распределена по экспоненциальному закону:

РР() = . (3)

Тогда в указанной ситуации вероятность безотказной работы РР(t, ) при << t имеет приближённую формулу:

, (4)

где , – интенсивности отказов и восстановления соответственно, об­ратные Т0, ТР. После преобразований получаем:

. (5)

Формулу (6) можно представить следующим образом:

, (6)

т.е. логарифм Т/Т0 зависит от /ТР линейно.

Числовые расчёты надёжности вариантов систем представлены в табл. 1.

Таблица 1

/ТР 1 2 3 4 5 6 7
Р(t, ) 0,20 0,56 0,80 0,92 0,97 0,989 0,996
РС(t,) 0,10 0,24 0,37 0,52 0,64 0,74 0,82
P/Pc 2 2,1 2,1 1,7 1,5 1,3 1,2

Продолжение таблицы 1

/ТР 8 9 10 11 12 13 14
Р(t, ) 0,998 0,999 0,999 0,999 0,999 0,999 0,999
РС(t,) 0,87 0,92 0,948 0,961 0,983 0,994 0,998
P/Pc 1,15 1,09 1,05 1,04 1,02 1,016 1,012


Pages:   || 2 |
 



Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.