Система мониторинга опасных геологических процессов

 

1. Список сокращений

АРМ-Г

Автоматизированное рабочее место геолога

БИК

Барометрический измерительный канал

БСПД

Блок сбора и передачи данных

ВСК

Высокочастотный трехкомпонентный сейсмический канал

ГР

Глубинный репер

ДИК

Деформометрический измерительный канал

ИЗ

Измерительное звено

КГГДП

Канал регистрации гидрогеодинамического поля

КИО

Программный комплекс информационного обмена

КИТ

Канал измерения температуры

КОГР

Комплекс оборудования глубинного репера

КРУВ

Комплекс регистрации уровня подземных вод

КС

Компрессорная станция

КСД

Трехкомпонентный канал регистрации сильных движений

КСК

Комплекс сейсмоакустических колебаний

МАГ

Магнитоупругий акустический геофон

МСП

Пост мониторинга сейсмических процессов

НИК

Наклономерный измерительный канал

ПМО

Программно- математическое обеспечение

СКАД

Программный пакет средств комплексного анализа данных

СУРЗ

Сигнальное устройство распознавания землетрясений

УДС

Унифицированный датчик смещения

УК

Управляющий компьютер

УПВ

Уровень подземных вод

2. Назначение системы мониторинга

Система мониторинга опасных геологических процессов предназначена для информационного обеспечения управления экологическим состоянием геологической среды территории в полосе воздействия экологически опасного объекта, обеспечения безопасности населения, проживающего и работающего в зонах негативного влияния этого объекта, сохранения экологического равновесия природных сред, предусмотренного законодательной и нормативной базой.

Система мониторинга осуществляет:

  • контроль характера и интенсивности протекания геологических и гидрогеологических процессов, опасных для населения и инженерного сооружения,
  • оценку воздействия инженерного сооружения на геологическую среду,
  • получение и своевременное обеспечение природоохранных служб, а также руководства инженерного сооружения достоверной информацией об геоэкологическом состоянии территории для информационной поддержки и оперативного принятия геоэкологически обоснованных управленческих решений;
  • Система мониторинга опасных геологических процессов выполняет следующие функции:
  • проведение метрологически обеспеченных регулярных измерений геологических параметров, характеризующих взаимодействие инженерного сооружения с геологической средой и подземными водами;
  • проведение первичной обработки измерительных геологических данных, в том числе в режиме реального времени, накопление и архивирование их в базах данных;
  • выдачу сигналов тревоги в режиме реального времени в случае, когда контролируемые параметры превышают критические значения;
  • обеспечение информационного поиска и доступа к геологической информации, хранящейся в базах данных;
  • оценку состояния и возможного негативного развития контролируемых опасных геологических процессов:
  • оценку по оперативным данным состояния геологической среды на контролируемой территории,
  • выявление динамики и тенденций развития геоэкологической ситуации и прогноз ее развития в ближайшей и долгосрочной перспективе на основе математического моделирования опасных геологических процессов;
  • формирование набора выходных документов, характеризующих геологическую ситуацию и тенденции ее развития (сводок, бюллетеней, карт);
  • распространение выходных документов среди пользователей данной информации;
  • обеспечение информационного взаимодействия с другими подсистемами и службами инженерного сооружения, а также с государственными и ведомственными информационными системами, контролирующими развитие негативных геологических процессов.
  •  

Для осуществления возлагаемых функций система мониторинга должна иметь измерительные звенья четырех основных типов:

  • Стационарные измерительные звенья, передающие информацию через подсистему связи  в автоматическом режиме;
  • Измерительные звенья, где получение и сбор информации происходит непрерывно, а съем информации -  в режиме посещения,
  • Мобильные средства контроля (на базе автомобильных плавучих или авиационных средств),
  • Средства дистанционных (аэрокосмических) наблюдений.

Только такой набор ИЗ позволяет осуществлять охват на большой площади и контролировать процессы, имеющие разную скорость развития. В то же время, ядром системы мониторинга опасных геологических процессов является комплекс средств, предназначенных для автоматического автономного контроля процессов в режиме реального времени.
Институт геоэкологии РАН разработал систему мониторинга опасных геологических процессов, ориентированную на комплексный контроль наиболее распространенных опасных геологических процессов (сейсмических, оползневых, процессов подтопления и др.) на базе средств автоматического контроля.

3. Состав системы мониторинга

3.1. КСК – краткое описание

Комплекс сейсмоакустических колебаний может служить для предсказания подвижек оползня. В начальной стадии подвижки оползня возникает увеличение уровня фонового звука, который является результатом процесса нарушения целостности  массива, из которого формируется оползень.
Регистрация изменения подземного фонового звука позволит обнаружить в районе контроля начальную стадию развития разрушений в горных породах, которая сможет послужить надежным оперативным предвестником подвижки оползней.
КСК предназначен для контроля уровня сейсмоакустической эмиссии.

3.1.1. Состав

В состав КСК входят следующие устройства:

  • Магнитоупругий акустический геофон МАГ-3С –  1 шт.;
  • Усилитель-анализатор ПСАК-1УА – 1 шт.;
  • Кабель входной – 1 шт.

Магнитоупругий акустический геофон МАГ-3С представляет собой скважинный снаряд, в корпусе которого размещены: 3-х компонентный преобразователь механических колебаний и предварительный усилитель (внешний вид представлен на рис. 2).


Рис. 2 Магнитоупругий акустический геофон МАГ-3С

Геофон МАГ-3С предназначен для преобразования трех компонент механических колебаний напряжения в твердых, жидких и смешанных средах во внутренних точках верхней части земной коры и на дне водоемов в электрический сигнал.

Технические характеристики МАГ-3С приведены в таблице 1.

Таблица 1

Параметры

Значение

Расположение компонент

взаимно ортогональное: одна вертикальная и две горизонтальные в герметичном едином корпусе

Частотный диапазон

2…2000 Гц;

Коэффициенты преобразования:
вертикальной компоненты, не менее
горизонтальных компонент, не менее

        
40 мВхс3/м
0,6 мВхс3/м

Потребляемая мощность, не более

0,2 Вт

Масса, не более

12 кг

диапазон рабочих температур

от  -30° до +50°С.   

 

Усилитель-анализатор КСК-1УА представляет собой наземный (полевой) герметизированный блок, размещаемый в оголовке скважины и предназначен для:

  • питания предварительного усилителя геофона МАГ-3С напряжением (12±1,5)В и минус(12±1,5)В постоянного тока;
  • выделения, усиления и линейного детектирования электрических сигналов частотных полосах 30, 160, 500 и 1000Гц с целью измерения текущего значения огибающей  по трем ортогональным направлениям.

Технические характеристики КСК-1УА приведены в таблице 2.

Таблица 2


Параметры

Значение

Выделяемые частотные полосы

30, 160, 500 и 1000 Гц ± 20%;

Тип выходных сигналов

парафазный

Сопротивление нагрузки, не менее

10 кОм

Напряжение выходных сигналов, не более

10 В

Напряжение питания постоянного тока

(24±6) В

Потребляемая мощность, не более

1,5 Вт

Масса, не более

1,6 кг

Диапазон рабочих температур

от -30° до +50°С

3.1.2. Устройство и работа

Сейсмическая эмиссия контролируемой внешней среды (твердой, жидкой или смешанной) вызывает механические колебания корпуса геофона МАГ-3С, помещенного в скважину, который преобразует их в напряжение электрического тока, пропорциональное ускорению его колебательной скорости в продольной акустической волне. Преобразование осуществляется консольным магнитоупругим сенсором, на конце которого внутри корпуса жестко закреплена дополнительная инертная масса. При смещении корпуса геофона в инертной массе сектора возникает инерционная сила, пропорциональная ускорению корпуса. Инерционная сила создает в чувствительном элементе сенсора механические напряжения, изменяющие электромагнитные свойства чувствительного элемента, намагниченного постоянным магнитом, в частности, его магнитную проницаемость и магнитный поток. Эти изменения наводят ЭДС в измерительных обмотках, пропорциональные трем компонентам вектора скорости ускорения продольной звуковой волны корпуса геофона. ЭДС усиливаются предварительными усилителями и по входному кабелю передаются из скважины к наземному блоку КСК-1УА.
Усилитель-анализатор КСК-1УА усиливает электрические сигналы в выделяемых частотных полосах 30; 160; 500 и 1000 Гц раздельно по всем трем компонентам. Кроме этого, в ПСАК-1УА производится линейное детектирование сигналов всех компонент в выделяемых  частотных полосах и формирование парафазных выходных сигналов.
Все устройства, входящие в состав КСК (МАГ-3С, входной кабель и КСК-1УА), помещены в герметизированные корпуса.
Съем информации с КСК может осуществляться в зависимости от типов связи:

  • съем информации в режиме посещения;
  • съем информации с помощью сети GSM;
  • съем информации через Ethernet (радиорелейное оборудование).

3.2. КОГР – краткое описание

Глубинный репер (ГР) предназначен для измерения линейного перемещения грунта, возникающего при оползневых процессах, обусловленных естественными и техногенными причинами.
Глубинный репер имеет средства контроля неисправностей оборудования и несанкционированного доступа к нему и позволяет оперативно передавать тревожную информацию в управляющий компьютер (УК)

3.2.1. Состав

В зависимости от типа используемой связи КОГР имеет две модификации.
КОГР первой модификации предназначен для работы в автономном режиме от автономного источника питания. В этой модификации глубинный репер осуществляет связь с управляющим компьютером через GSM-модем. При отсутствии GSM- связи съем информации может происходить в режиме посещения.


Наименование

Обозначение

Количество

Примечание

Блок сбора и передачи данных БСПД

БСПД 00.00.00

1

 

Унифицированный датчик смещения грунтовых масс УДС

УДС 00.00.00

1…4

Количество УДС определяется требованиями заказчика

Аккумуляторная батарея

 

1

Тип аккумуляторной батареи согласуется с заказчиком

Трос измерительный

КОГР 20.00.00

1…4

По количеству УДС

Анкер

КОГР 10.00.00

1…4

По количеству УДС

Комплект соединительных кабелей

КОГР 30.00.00

1

 

Маскировочный камень

КОГР 40.00.00

1

Маскировочный камень может применяться в безлюдных местах (тайга и т.д.). В условиях населенного пункта необходимо использовать оголовок скважины с защитой от доступа случайных людей

Внешний вид КОГР первой модификации приведен на рисунках 3 и 4.

Рис. 3  Комплекс глубинного репера

Рис. 4 Комплекс глубинного репера

 

КОГР второй модификации предназначен для работы от внешнего источника постоянного тока 12-18 В. В этой модификации глубинный репер осуществляет связь через радиоканалы по протоколам TCP/ IP.

Наименование

Обозначение

Коли-чество

Примечание

Блок сбора и передачи данных БСПД

БСПД 10.00.00

1

 

Унифицированный датчик смещения грунтовых масс УДС

УДС 00.00.00

1…4

Количество УДС определяется требованиями заказчика

Устройство грозозащиты

УГР 00.00.00

1

 

Трос измерительный

КОГР 20.00.00

1…4

По количеству УДС

Анкер

КОГР 10.00.00

1…4

По количеству УДС

Комплект соединительных кабелей

КОГР 30.00.00

1

 

3.2.2. Технические характеристики и условия эксплуатации

Технические характеристики КОГР приведены в таблице:

Параметры

Значение

Диапазон измерений перемещения

-200…+5 000 мм

Цена единицы младшего разряда (разрешающая способность

0,2 мм

Пределы допускаемой основной абсолютной погрешности

не более ± 1,0 мм

Пределы дополнительной погрешности от влияния температуры в диапазоне

от минус 25 до 50° С  -  не более ± 1,0 мм

Габаритные размеры Унифицированного датчика смещения грунтовых масс (УДС):

-диаметр – 120 мм,
-высота – 300 мм,

Габаритные размеры Блока сбора и передачи данных (БСПД):

- длина – 268 мм,
- ширина – 192мм,
- высота – 75 мм,

Масса КОГР

УДС - 4 кг;
БСПД – 2кг.

Электропитание датчика смещения

от источника постоянного тока напряжением (11,5±2,5) В.

Мощность, потребляемая КОГР

- в режиме ожидания не более 300 мВт.
- в режиме снятия информации не более 1,0 Вт;
- в режиме передачи информации по сотовой связи не более 5,0 Вт.  

Связь между КОГР и управляющим компьютером (УК) осуществляется с помощью сотовой связи (GSM –модем) или другого канала связи, имеющего необходимую пропускную способность.        
КОГР можно эксплуатировать при условиях:

  • Температура окружающего воздуха от минус 25 до 50 °С;
  • Относительная влажность при температуре окружающего воздуха 35°С (95±3)%;
  • Атмосферное давление от 84 до 106,7 кПа (630-800 мм.рт.ст.).

 

3.2.3. Натурные испытания

Испытания были проведены в период с 22.08.06 по 31.08.06 на базе Инженерного экспериментально-производственного центра ОАО «ВНИИСТ»
Для проведения  макетных испытаний опытного образца «Глубинного репера», на территории испытательного полигона ИЭПЦ ОАО «ВНИИСТ» был изготовлен стенд, с высокой достоверностью имитирующий оползневой процесс (рис.5).


Рисунок 5. Стенд, имитирующий оползневой процесс.

Стенд состоит из следующих основных деталей:

  • Скважинная часть – существующая на полигоне скважина, глубиной около 2 метров и диаметром 250мм. Скважина предназначена для закладки двух анкеров, расположенных ниже уровня поверхности скольжения. Скважина, в соответствии с методикой установки была засыпана мелким щебнем.
  • Отрезок трубы большого диаметра (катушка), который имитирует подвижное тело оползня, а также служит для закрепления отрезка обсадной трубы, то есть имитирует верхнюю часть скважины. Для имитации поверхности скольжения на дно катушки уложен полиэтилен, после чего катушка заполняется утрамбованным грунтом. Катушка устанавливается на два уголка, которые выполняют функцию полозьев при перемещении катушки.
  • Отрезок обсадной трубы предназначен для размещения скважинной части оборудования – связки из 3 УДС и БСПД.
  • Основание – металлический лист, уложенный на бетонную стяжку, предназначен для восприятия нагрузок от катушки, и, для имитации поверхности скольжения оползня. Для облегчения формирования поверхности скольжения между полиэтиленом, придавленным грунтом катушки, и металлическим листом проложен слой антифрикционного материала – молотой слюды. 
  • Направляющие уголки, предназначены для сообщения и поддержания прямолинейного перемещения катушки.
  • Гидравлический домкрат, развивающий усилие до 10Т, предназначен для перемещения катушки, с заданными значениями сдвига за заданные промежутки времени.
  • Герметичный контейнер с аккумуляторной батареей и муляж камня, предназначенный для размещения антенны GSM модема и кабеля технологического порта.

Комплект скважинного оборудования, состоящий из 3 УДС и 1 БСПД, перед установкой в обсадную трубу показан на рисунке 6.

Рисунок 6. Комплект скважинного оборудования.

Измерения линейного перемещения катушки проводились при помощи штангенциркуля, с точностью 0,1мм. Процесс одного из измерений показана на рисунке 7.

Рисунок 7. Измерения линейного перемещения.

В процессе испытаний были запланированы и произведены следующие действия:

  • С помощью гидравлического домкрата стенд перемещался на заданные расстояния (10мм), то есть смещалась скважина, размещенная в катушке трубы, относительно стационарной скважины. При этом каждое последующее смещение не превышало заданное критическое значение за заданный промежуток времени (25мм за 10 минут)
  • Проводился опрос глубинного репера с поста АРМ-Г в автоматическом режиме согласно расписанию (1 раз в час), с передачей задания при первом обращении и периодическом снятии информации об измерениях и информации о техническом состоянии оборудования.
  • Была проверена  реакция оборудования на критические перемещения стенда на величину, превышающую критическое значение (25-50мм за 10 минут)
  • Была проверена реакция оборудования на нештатные ситуации: попытка несанкционированного доступа, обрыв линии питания.

Результаты испытаний свидетельствуют о том, что технические характеристики КОГР соответствуют заданным и что КОГР может работать в системе автоматизированного мониторинга оползневого процесса.

3.3. Комплекс регистрации уровня подземных вод КРУВ – краткое описание

Оборудование КРУВ обеспечивает преобразование величин измеряемых гидрогеодинамических полей с помощью соответствующих измерительных преобразователей в цифровые данные, привязку полученной информации к системе единого времени, контроль работы аппаратных и программных средств КРУВ,  формирование массивов данных, накопление данных и передачу зарегистрированной и, предварительно обработанной информации, по соответствующему запросу через GSM-модем  в управляющий компьютер.
КРУВ имеет средства контроля неисправностей оборудования и несанкционированного доступа к нему и позволяет оперативно передавать тревожную информацию в УК.

3.3.1. Состав

В состав КРУВ входят следующие технические средства:

  • комплекс регистрации гидрогеодинамических полей (КРГП);
  • блок сбора и передачи данных (БСПД);
  • источник первичного питания;
  • комплект математического программного обеспечения (МПО) КРУВ;
  • комплект кабелей.

Внешний вид датчика КРУВ показан на рис. 8

3.3.2. Технические характеристики

Электропитание КРУВ осуществляется от внешнего источника питания (постоянное напряжение 9?16 В), при этом средняя потребляемая мощность не превышает 300 мВт.
КРУВ обеспечивает измерение вариаций уровня, температуры воды и атмосферного давления в пределах, приведенных в таблице 6.


Таблица 6.


Параметр

Диапазон измерений параметра

Разрешающая способность

Погрешность

Уровень, мм

0-10000

1

±10 (в диапазоне температур)

Температура, °С

0-50

±0,05

±0,05

Атмосферное давление, ГПа

820-1100

0,05

±0,5

3.4. МСП – описание

Особое место в системе мониторинга опасных геологических процессов занимает пост мониторинга сейсмических процессов (МСП), который устанавливается рядом с экологически опасными объектами. Ниже приводится методика оценки сейсмической опасности, которая может возникнуть на контролируемом объекте.
В состав поста МСП входят следующие типы пунктов автоматического контроля (измерительные каналы):

  • высокочастотный трехкомпонентный сейсмический канал (ВСК);
  • трехкомпонентный канал регистрации сильных движений (КСД);
  • деформометрический измерительный канал (ДИК);
  • канал измерения температуры (КИТ);
  • барометрический измерительный канал (БИК);
  • наклономерный измерительный канал (НИК);
  • канал регистрации гидрогеодинамического поля (КГГДП).

Наблюдаемыми характеристиками в штатном режиме являются:

  • вид сейсмической записи высокочастотного сейсмического канала (ВСК);
  • вид сейсмической записи канала регистрации сильных движений (КСД);
  • вид записи канала регистрации гидрогеодинамического поля (КГГДП);
  • вид записи барометрического измерительного канала;
  • вид записи деформометрического измерительного канала (ДИК);
  • вид записи наклономерного измерительного канала (НИК);
  • вид записи канала измерения температуры.

Общий вид поста приведен на рис.9. На этом рисунке не показаны скважины, где размещены каналы регистрации гидрогеодинамических полей.

1  - входной люк, 2  - бетонные обсадные кольца (или монолитный бетон), 3  -  лестница, 4  -  деформометр, 5  - измеритель температуры (КИТ), 6  - барометр (БИК), 7  - высокочастотный сейсмометр (ВСК), 8   - датчик сильных движений (КСД), 9  - наклономер, 10 – терминал связи кабельный полевой удаленный, 11 - выносная измерительная система (2 комплекта), 12 - кабель, 13 - вентиляционная труба, 14 - постамент (бетон)

В соответствии с действующими нормативными документами оценка сейсмостойкости сооружений особой важности проводится, начиная с интенсивности колебаний 3-4 балла по шкале MSK-64.
Сейсмические каналы должны быть калиброваны по интенсивности землетрясений (скорости движения почвы в полосе частот канала). При проведении наблюдений должно выполняться условие перекрытия высокочастотного канала и канала регистрации сильных движений: высокочастотный канал должен регистрировать весь спектр фоновых микросейсмических колебаний и землетрясения интенсивностью до 4 баллов, канал сильных движений должен регистрировать землетрясения, начиная с  интенсивности 3,5 баллов и выше. На сейсмограммах должны быть отчетливо проявлены первые вступления сейсмических событий, хорошо различимы амплитуды и периоды колебаний. Калибровка сейсмических каналов и определение уровня фоновых микросейсмических колебаний должны быть выполнены на месте при установке аппаратуры. При этом должно быть проведено сопоставление характера сейсмической записи, полученной на аппаратуре поста МСП, с синхронными записями близко расположенных станций сейсмологических наблюдений. 
Основным наблюдаемым показателем канала регистрации гидрогеодинамического поля является уровень воды в скважине, вскрывшей напорный горизонт. Канал калибруется с учетом сейсмических проявлений, наблюдавшихся в регионе. Калибровка проводится с учетом фоновых колебаний уровня подземных вод (УПВ), вызванных естественными причинами. Прецизионные измерения УПВ сопровождаются автоматической регистрацией атмосферного давления и температуры воды.
Предваряющими сейсмические события или сопутствующими им являются аномалии УПВ с амплитудами от 5 мм до 20 см и аномалии температуры воды с амплитудами от 0,5 до 18?С. Аномалии уровня подземных вод и температуры наблюдаются в течение времени от 0,5 до 5-7 суток.
Наблюдаемыми характеристиками деформометрического и наклономерного измерительных каналов являются величины отклонения от нормы графиков изменения измеряемых параметров во времени с учетом температурной поправки. В данном случае нормой являются записи деформометра и наклономера при отсутствии регистрируемых сейсмопроявлений. Нормальные (фоновые) записи деформометрического и наклономерного измерительных каналов идентифицируются в процессе установки приборов на месте.
Для удобства контроля над состоянием сейсмической активности в районе экологически опасного объекта программой предусмотрено  три цвета, отображающих три уровня сейсмической активности:
1 уровень – сейсмическая активность находится в норме. Экран оператора при этом будет подсвечен зеленым цветом.
2 уровень – повышенная сейсмическая активность. Экран оператора будет подсвечен желтым цветом.
3 уровень – сейсмическая опасность. Экран оператора будет подсвечен красным цветом.
Приведем пример использования методики цветового оповещения на примере КС «Береговая» газопровода Россия – Турция.
Учитывая общую повышенную сейсмичность участка размещения КС «Береговая» газопровода Россия – Турция (8-9 баллов), единичные регистрируемые сейсмопроявления интенсивностью до 3 баллов, не предваряемые и не сопровождаемые  заметными аномалиями УПВ, атмосферного давления и температуры воды, следует относить к категории безопасных для сооружений КС и прилегающих участков трубопровода (зеленый свет). В этом случае обслуживающий персонал, отвечающий за сейсмическую безопасность объекта, работает в штатном режиме, предусмотренном регламентом поста МСП. КС работает в обычном режиме.
Многократно повторяющиеся следующие друг за другом сейсмопроявления интенсивностью более 3 баллов либо единичные землетрясения интенсивностью более 4,5 баллов, предваряемые или сопровождающиеся значительными аномалиями УПВ, атмосферного давления и температуры воды, малоамплитудными отклонениями от нормы на записях деформометрического и наклономерного измерительных каналов, следует квалифицировать как предельно допустимую ситуацию (желтый свет). В этом случае обслуживающий персонал, отвечающий за сейсмическую безопасность объекта, работает в режиме повышенного внимания. По согласованию с Центральной диспетчерской службой ПЭМ необходимо получить информациюот близлежащих сейсмических станций и от Службы срочных донесений ГС РАН (г. Обнинск, Калужская обл.) о положении эпицентра и расстоянии до него в км, об интенсивности землетрясения в баллах по шкале MSK-64 и энергетическом классе, а также о магнитуде. Желательно также получить информацию по гидрогеодинамическим наблюдениям – об изменении уровня и температуры подземных вод в скважинах, об изменении атмосферного давления. Все данные должны быть занесены в специальный журнал. В условиях предельно допустимой ситуации КС работает в обычном режиме.
Многократно повторяющиеся землетрясения интенсивностью более 4,5 баллов, либо единичные землетрясения интенсивностью более 6 баллов, предваряемые и/или сопровождающиеся близкими к предельным для данного района аномалиями УПВ, атмосферного давления и температуры воды, значительными и нарастающими отклонениями от нормы на записях деформометрического и наклономерного измерительных каналов, следует квалифицировать как ситуацию повышенной опасности (красный свет). В этом случае обслуживающий персонал, отвечающий за сейсмическую безопасность объекта, работает в режиме, который в регламенте поста МСП квалифицируется как «нештатный». О создавшейся ситуации ставится в известность Центральная диспетчерская служба ПЭМ. По согласованию с Центральной диспетчерской службой ПЭМ необходимо получить информациюот близлежащих сейсмических станций и от Службы срочных донесений ГС РАН (г. Обнинск, Калужская обл.) о положении очага землетрясения, о магнитуде и интенсивности землетрясения в баллах по шкале MSK-64. Необходимо также получить информацию по гидрогеодинамическим наблюдениям – об изменении уровня и температуры  подземных вод в скважинах, об изменении атмосферного давления. Все данные заносятся в специальный журнал. Технический персонал КС информируется о сложившейся сейсмической обстановке и о предполагаемом ее развитии на ближайшее (1-3 суток) время. КС работает в режиме чрезвычайной ситуации. Принимаются меры для предотвращения возможных разрушений и аварий на КС и трубопроводе.

3.5. СУРЗ – краткое описание

Развитие современной мировой цивилизации предусматривает создание и эксплуатацию таких грандиозных и экологически опасных объектов как магистральные трубопроводы, атомные электростанции, предприятия химической промышленности и т.д. Часто экологически опасные объекты находятся в районах сейсмо- и тектонически активной зоны, в которой происходили и могут происходить сильные землетрясения с магнитудами до семи.
Проблема точного прогнозирования места и времени землетрясения пока остается не решенной во всем мире.
В этих условиях своевременное распознавание опасных землетрясений и подача сигналов тревоги, а также автоматическое отключение экологически опасных объектов представляет первостепенную задачу.
Так, например, для конструкции трубопровода опасны не только сами колебания почвы, но и разрывы, остаточные деформации по разлому – вертикальные или горизонтальные сдвиги – прямые проявления, а также вторичные – оползневые эффекты, вызванные землетрясением. Например, для землетрясения с магнитудой М?6 характерный размер разрывов, сдвигов может достигать 0,5 м  и более. Такие деформации могут быть опасны для целостности нефтепровода.
Существующие защитные трубопроводные системы основаны на отслеживании утечки и перекрывают подачу нефти, когда объем потерянной нефти, попавшей в окружающую среду, достигнет величины около 1% от суточной производительности нефтепровода. Повысить разрешающую способность аппаратуры мешает резко возрастающая вероятность ложной тревоги из-за собственного шума (флуктуаций потока) трубопроводной системы.
Для обеспечения непрерывного мониторинга уровня ускорений, обусловленных сейсмической активностью, и автоматического оперативного отключения экологически опасных объектов в аварийной ситуации ИГЭ РАН предлагает применить сигнальное устройство распознавания разрушительных землетрясений (СУРЗ).

3.5.1. Назначение

Сигнальное устройство распознавания землетрясений (СУРЗ) обеспечивает  непрерывное измерение ускорений, наведенных на земную поверхность в районе размещения, накопление и обработку результатов измерений, формирование и выдачу сигнала тревоги в линию связи, а также аварийного отключения экологически опасных объектов.
СУРЗ предназначен для функционирования в составе системы обеспечения безопасности.
СУРЗ выполняет следующие функции:

  • преобразование наведенных ускорений в электрический аналоговый сигнал;
  • преобразование полученного аналогового сигнала в цифровой код;
  • обработку и промежуточное хранение зарегистрированной информации;
  • автоматическое самотестирование (электронная калибровка) измерительных акселерометрических каналов;
  • автоматическое поддержание нижней рабочей температуры внутри основного корпуса в пределах минус (15±10)°С;
  • передачу и прием данных в цифровом виде по последовательному каналу в стандарте RS – 485;
  • мониторинг работоспособности акселерометрических каналов;
  • распознавание землетрясений с соответствующими параметрами по заданному алгоритму обнаружения на фоне техногенных и природных сейсмических событий, воздействующих на экологически опасные объекты;
  • формирование сигнала тревоги и, при необходимости, выдачу сигнала аварийного отключения.

3.5.2. Технические характеристики

Рабочие условия эксплуатации СУРЗ следующие:

  • температура окружающего воздуха от минус 60 до 50°С;
  • относительная влажность воздуха до 95% при температуре + 35°С;
  • атмосферное давление от 66 до 106,7 кПа (495?800) мм. рт. ст.

Технические характеристики СУРЗ приведены в таблице 7.

Таблица 7.


Параметры

Значение

Диапазон рабочих частот

 0,1 ? 10 Гц.

Диапазон амплитуд измеряемого ускорения

0,05?19,62 м/с2 (0,005 – 2g).

Пределы допускаемой основной абсолютной погрешности измерения не более

±(0,02?А + 0,01) м/с2, где А – амплитуда измеряемого ускорения в м/с2

Последовательные порты типа RS-485.

3

Максимальная длина линии связи не менее

1200 м.

Скорость передачи данных по последовательным портам RS-485 не менее

115200 бит/с.

Напряжение питания СУРЗ

от 9 до 36 В постоянного тока при номинальном значении 24 В

Потребляемая мощность

- 3 Вт в диапазоне рабочих температур от минус 10 до 50°С;
- 15 Вт в диапазоне рабочих температур от минус 60 до 10°С

Степень взрывозащиты

1ExdIIBT6 по ГОСТ Р 51330.1-99

Габариты СУРЗ

200х120х90.

 

Структурная схема СУРЗ приведена на рисунке 10.

ДТ – датчик температуры
ПЛИС – программируемая логическая интегральная схема
ТВЭЛ – тепловыделяющий элемент
УПРТ – устройство поддержания рабочей температуры
ГЗП – грозозащитные предохранители
Рис.10. Структурная схема СУРЗ

4. ПМО - краткое описание

Система мониторинга опасных геологических процессов представляет собой сложный аппаратно- программный комплекс. Программное обеспечение Системы мониторинга можно имеет трехуровневую иерархию:

  • Самый низший уровень – ПМО измерительных звеньев.
  • Второй уровень – ПМО управляющего компьютера.
  • Третий уровень – ПМО автоматизированного рабочего места геолога (АРМ-Г).

Функции ПМО измерительных звеньев описаны выше в каждом разделе, относящемся к конкретной  подсистеме.

4.1. ПМО управляющего компьютера

Управляющий компьютер осуществляет опрос,  накопление и первичный анализ информации с измерительных звеньев.
Процесс обработки информации осуществляется управляющим компьютером и складывается из следующих операций:

  • Автоматизированное получение данных о параметрах геологической среды от измерительных звеньев с помощью подсистемы связи,
  • Настройка временных параметров измерений и сбора информации,
  • Мониторинг состояния системы (контроль источников питания измерительных звеньев, датчиков несанкционированного доступа, работоспособности измерительных звеньев и подсистемы связи),
  • Обработка измерительных данных с целью анализа и оценки ситуации (в соответствии с заранее установленными критическими порогами), формирования команд управления режимами измерений,
  • Архивирование информации, ведение баз данных,
  • Просмотр измерительной информации,
  • Просмотр справочной информации.
  • Входной информацией для УК являются измерительные данные, поступающие от измерительных звеньев.

Выходной информацией, исходящей из УК, являются результаты мониторинга, представленные в удобном для восприятия виде – в виде экранных форм, сводок о развитии экологических процессов, сообщений, в т.ч. звуковых, таблиц, графиков и проч., команды управления работой элементов измерительной сети и информация о работе системы мониторинга.
УК работает под операционной системой Windows XP Professional.
УК должен быть подсоединен к соответствующим устройствам связи в зависимости от типа связи, используемого в подсистеме.
Изготовитель – Институт геоэкологии РАН.

4.2. ПМО АРМ-Г

Автоматизированное рабочее место геолога предназначено для обработки зарегистрированной информации и выработки прогноза развития контролируемых процессов и передачу результатов мониторинга заинтересованным пользователям и в другие системы.
Входными данными для АРМ-Г являются выходные данные УК, а также данные, полученные с помощью других устройств, не входящих в систему мониторинга (например: данные, полученные  с дифференциальных GPS- приемников, геодезические данные и т.д.).
АРМ-Г использует  IBM PC-совместимые персональные компьютеры, под управлением операционной системы Windows версий 98, Millenium Edition, 2000, XP. Входная информация хранится в формате таблиц программной оболочки MapInfo Professional 7.0, MS Access 2000.
АРМ-Г включает в себя следующее специальное программное обеспечение:

  1. Пакет офисных программ MS-Office,
  2. Геоинформационная система MapInfo,
  3. Программный пакет средств комплексного анализа данных СКАД,
  4. Специализированный программный пакет анализа геологического состояния (ПАЭС-1а),
  5. Программный комплекс информационного обмена,
  6. Пакет пополнения базы данных в режиме посещения. 

 

Картографическая (геоинформационная) система Mapinfo предназначена для решения задач географического анализа, выявления тенденций и закономерностей развития процессов, создания тематических карт, таблиц, текстов и хранения их в базах данных.

Основные выполняемые процедуры:

  • хранение и визуализация растровых изображений;
  • создание векторных карт на растровых подложках;
  • визуализация точек опробования (пунктов контроля наземной измерительной сети: скважин, шурфов и др.) и поддержка базы данных опробования;
  • занесение полученных данных в слои дежурных векторных карт;
  • хранение и визуализация табличных данных;
  • прямой обмен данными с другими приложениями.

Операционная система - Windows 2000.
Изготовитель – MAPINFO Corp.
Регламент работы - по команде оператора, в интерактивном режиме.
Результирующие файлы в форматах Mapinfo.

4.3. СКАД

Блок комплексного анализа данных предназначен для совместного анализа информации о состоянии и динамике различных компонентов окружающей среды, как картографического, так и атрибутивного характера на различных уровнях детальности. Блок ориентирован на интерактивный режим работы. Блок работает в среде Mapinfo.
Блок комплексного анализа предназначен для решения следующих основных типов задач:

  • Анализ развития негативных геологических процессов с целью прогноза;
  • Выявление скрытых источников техногенного воздействия на окружающую среду;
  • Обобщение данных геологического мониторинга;
  • Комплексная оценка состояния геологической  среды и ее обработка;
  • Создание отчетов по состоянию контролируемой территории.
  •  

Исходными данными для работы блока является вся совокупность графических и атрибутивных данных о состоянии природной среды контролируемой территории, поставляемых Системой мониторинга.
Результатами обработки являются материалы комплексного анализа и оценки состояния геологической среды контролируемой территории.

СКАД предназначен для решения вспомогательных задач комплексного анализа данных. В эти задачи входит:

  • Визуализация пакета данных обзорного уровня по целеуказанию площади на генеральной схеме;
  • Визуализация пакета данных локального уровня по целеуказанию участка на карте обзорного уровня;
  • Визуализация пакета данных детального уровня по целеуказанию участка на карте локального уровня;
  • Визуализация пакета данных инженерно-геологического разреза по целеуказанию линии разреза на карте обзорного или локального уровня;
  • Визуализация фотоснимка по целеуказанию точки фотографирования и даты;
  • Визуализация аэрофотоснимка по целеуказанию центральной точки;
  • Построение графика изменения параметра (концентрации вещества, уровня вод и др.) по целеуказанию поста (пункта) контроля и временного интервала;
  • Построение графика изменений геодезического профиля и репера по целеуказанию дат измерений и профиля;
  • Прогностическая оценка конфигурации изменяющегося площадного объекта (болота, водоема и др.) по целеуказанию двух исходных контуров объекта и даты прогноза;
  • Реализация запросов по параметру и временному интервалу;
  • Ручное пополнение базы данных.

Изготовитель – Институт геоэкологии РАН.

4.4. ПАЭС-1а

Специализированный программный пакет анализа экологического состояния (ПАЭС-1а) включает:

  • Программу-диспетчер, автоматически анализирующую данные на достижение критических параметров (ПДК и др.);
  • Модуль автоматического создания сводок о геологическом состоянии территории;
  • Модуль построения карт геологических параметров в изолиниях;
  • Модуль прогноза изменения геологических параметров природной среды.

Изготовитель – Институт геоэкологии РАН.

4.5. КИО

Программный комплекс информационного обмена (КИО)предназначен для осуществления информационного обмена между АРМ-Г и внешними источниками информации.
Исходными данными для работы программного комплекса являются измерительные данные, поступающие от АРМ-Г и данные внешних источников информации.
Программный комплекс осуществляет:

  • Обмен электронными расписками, подтверждающими информационный обмен, и ведение базы данных расписок;
  • Прием картографической, измерительной и текстовой информации, поступающей от внешних источников информации, и пополнение базы данных АРМ-Г;
  • Автоматическое обновление слоев цифровых карт в рабочих наборах.