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

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

, (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