Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание научно-технического задела в области информационно-телекоммуникационных систем с гидроакустическим каналом связи для контроля и оперативной диагностики технически сложных подводных объектов в Арктике и Антарктике

Докладчик: Балакин Рудольф Александрович

Должность: заведующий лабораторией, заведующий отделом

Цель проекта:
1. В настоящее время основной проблемой при контроле и оперативной диагностике технически сложных подводных объектов в Арктике и Антарктике является низкая эксплуатационная надежность канала связи с помощью телекоммуникационных кабелей. Протяженность кабельных линий связи, например, для диагностики подводных газопроводов, может составлять от сотен метров до десятков километров и более. Прокладка, эксплуатация, поиск неисправностей и ремонт кабельной линии связи является технически сложной и дорогостоящей операцией Кроме того, необходимо учитывать также и высокую стоимость самого телекоммуникационного кабеля и низкую эксплуатационную надежность телекоммуникационных кабелей в условиях Арктики и Антарктики, обусловленную воздействием на них ледовых образований (торосов, стамух, айсбергов). К числу технически сложных подводных объектов следует отнести морские нефтедобывающие платформы, подводные нефте-газопроводы, автономные буйковые и донные станции, предназначенные для мониторинга и научных исследований морской среды. Телекоммуникационная связь с этими объектами необходима для контроля и оперативной диагностики их состояния, отслеживания технологических режимов и принятия мер при аварийных ситуациях, а также для передачи информации о состоянии окружающей среды. Альтернативным вариантом решения проблемы, связанной с использованием телекоммуникационных кабелей, является использование телекоммуникационной системы с гидроакустическим каналом связи. Однако возможность использования гидроакустического канала связи в условиях мелководного арктического шельфа с сильно неоднородным ледяным покровом затруднена известными явлениями многолучевого распространения и реверберации акустического сигнала. Таким образом, в результате выполнения ПНИ должно быть получено принципиальное решение и разработана технология гидроакустической связи с приемлемыми техно-экономическими показателями, конкурентоспособными на российском и зарубежных рынках. Для достижения требуемого технико-экономического эффекта требуется, чтобы скорость передачи данных была не меньше 2400 бит/с, а количество допустимых искажений не превышало 1*10-5 на дистанции до 3000 м. 2. Целью проекта является получение научных результатов, направленных на создание информационно-телекоммуникационных систем с гидроакустическим каналом связи для дистанционного контроля и оперативной диагностики морских нефтегазовых платформ и трубопроводов в арктических морях.

Основные планируемые результаты проекта:
1. В результате выполнения ПНИ планируется получить следующие основные результаты:
– научно-технический задел в области количественных характеристик многолучевого распространения и реверберации гидроакустического сигнала в Арктике в зависимости от глубины моря, гидрологических и ледовых условий, длины линии связи;
– научно-технический задел в области оптимальных методов модуляции гидроакустического сигнала, помехоустойчивого кодирования и математической обработки на приемной стороне;
– математическая модель явлений реверберации и многолучевого распространения гидроакустического сигнала, устанавливающая количественную связь с характеристиками окружающей морской среды (вертикальным распределением солености и температуры), параметрами ледяного покрова, глубиной и уклоном дна моря, а также с протяженностью канала связи;
– компьютерная имитационная модель;
– конструкторские решения по широкополосным гидроакустическим антеннам, конструктивно-технологическому исполнению основных элементов коммуникационной системы;
– новые алгоритмы и методы модуляции, помехоустойчивого кодирования, пост-математической обработки гидроакустических сигналов связи (потенциально возможно получение результатов, способных к правовой охране);
– экспериментальный образец телекоммуникационной системы с гидроакустическим каналом связи;
– результаты лабораторно-стендовых и натурных испытаний экспериментального образца телекоммуникационной системы с гидроакустическим каналом связи.
2. Разрабатываемые в ходе выполнения ПНИ новые методы, алгоритмы, конструкторско-технологические решения предназначаются для защиты гидроакустического канала связи от помех многолучевого распространения сигнала, реверберации и шумовых помех общего вида и должны обеспечивать надежный контроль и оперативную диагностику состояния подводных объектов в арктических морях.
На втором этапе выполнения ПНИ планируется разработать математическую модель гидроакустического канала связи, которая должна удовлетворять следующим требованиям:
– должна давать вероятностную оценку параметров акустического сигнала в точке приема при заданных гидрологических и ледовых условиях;
¬– должна описывать двумерную лучевую картину распространения акустического сигнала в двух направлениях от диспетчерского пункта к контролируемому объекту и обратно.
Исходными данными математической модели должны быть следующие параметры:
а) дальность связи и горизонты размещения приемо-передающих гидроакустических антенн;
б) глубина моря и уклон дна;
в) вертикальный профиль скорости звука от дна до поверхности моря;
г) коэффициенты отражения звука от дна моря и от поверхности с учетом характеристик грунта, волнения моря, ледяного покрова;
д) уровень излучаемого сигнала.
Математическая модель гидроакустического канала реализуется в аналитической форме (набор уравнений) и в виде компьютерной программы, позволяющей задавать входные параметры в различных сочетаниях, проводить расчеты, сохранять выходную информацию и отображать перечисленные выходные параметры в виде таблицы значений и в графическом виде лучевой картины на мониторе компьютера.
Разрабатываемая компьютерная имитационная модель системы должна представлять собой компьютерную программу, состоящую из двух основных частей: одна часть должна воспроизводить структуру и алгоритмы функционирования передающего системного модуля, а вторая – приемного модуля. Модель должна имитировать работу системы при различных значениях параметров функциональных узлов с целью определения границ работоспособности системы и выбора оптимальных режимов ее функционирования. Параметры основных элементов системы при моделировании должны быть программно управляемыми.
Экспериментальный образец системы с гидроакустическим каналом связи должен состоять из двух системных модулей – ведомого и ведущего, осуществляющих связь между контролируемым подводным объектом и сервером диспетчерского пункта.
Ведомый системный модуль должен устанавливаться на подводном контролируемом объекте и предназначен для получения информации от датчиков объекта и управления органами регулирования объекта, преобразования и кодирования информации с последующей передачей информации по гидроакустическому каналу на ведущий системный модуль.
Ведущий системный модуль должен быть связан с управляющим сервером диспетчерского пункта и предназначен для приема сигналов от ведомого модуля, декодирования и математической обработки сигналов, передачи раскодированной информации на сервер, а также для передачи команд управления объектом от сервера в обратном направлении на ведомый системный модуль.
Аппаратные средства экспериментального образца системы должны быть реализованы на основе современных типов программируемых микропроцессоров, контроллеров, цифровых и аналоговых электронных компонентов, преимущественно отечественного производства.
Система с гидроакустическим каналом связи должна удовлетворять следующим требованиям:
а) дальность канала передачи данных не менее 3000 м;
б) скорость передачи цифровых данных не менее 2400 бит/с;
в) уровень допустимых искажений информации в канале связи не более 1•10-5 бит/с;
г) срок автономной работы (по энергопотреблению) не менее 1 года.
В состав программных средств экспериментального образца системы должны входить:
а) модуль управления работой системы в задаваемых оператором режимах;
б) модуль, обеспечивающий связь экспериментального образца системы с сервером;
в) модуль, осуществляющий обмен информацией между системными модулями и выполняющий преобразование, кодирование, декодирование, обработку сигналов, передачу и прием данных;
г) модуль получения информации от датчиков подводного объекта;
д) модуль, осуществляющий передачу команд для управления органами регулирования объекта и контролирующий их исполнение.
3. Полученные в ходе выполнения ПНИ научные, технические и технологические решения, применяющиеся методики должны соответствовать последним достижениям науки и техники.
На первом этапе выполнения ПНИ должны быть проведены патентные исследования в соответствии ГОСТ Р 15.011-96. На остальных этапах ПНИ должны быть получены патенты и другие результаты интеллектуальной деятельности, зарегистрированные в соответствии с законодательством РФ.
4. В настоящее время ряд зарубежных фирм освоили серийное производство элементов телекоммуникационных систем с гидроакустическим каналом связи, защищенным в высокой степени от многолучевого распространения и реверберации. Из имеющихся публикаций известно, что решение найдено на основе применения широкополосных сигналов, а также спектральных и корреляционных методов обработки сигналов на приемной стороне. Однако подробности разработки и технической реализации составляют предмет «ноу-хау» и не раскрываются. Однако зарубежные разработки имеют ряд недостатков, в частности не предназначены для работы на мелководье или в узкостях. Разрабатываемая система должна быть лишена этих недостатков.
5. Для достижения заявленных результатов ПНИ проводятся углубленные и целенаправленные натурные исследования природного объекта в шельфовой зоне арктических морей с целью определения количественных характеристик многолучевого распространения и реверберации гидроакустического сигнала в зависимости от глубины моря, гидрологических и ледовых условий, длины линии связи. Эти исследования проводятся на научно-экспедиционных судах (НЭС): «Академик Трешников» и «Академик Федоров», являющемся Уникальной научной установкой. Для лабораторных исследований и испытаний используется уникальный научно-технических объект Росгидромета – комплекс опытовых ледовых бассейнов ААНИИ.
Наряду с экспериментальными исследованиями проводятся научные исследования для поиска оптимальных методов модуляции гидроакустического сигнала, помехоустойчивого кодирования и математической обработки на приемной стороне, включая патентный поиск по выбранным направлениям исследования. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований создаются математическая модель гидроакустического канала связи и компьютерная имитационная модель системы.
В работах по выполнению ПНИ предусмотрено участие Индустриального партнера – НПК «Марс» ОАО «НПП «Радар ммс», который в тесном взаимодействии с ФГБУ «ААНИИ» разрабатывает техническую документацию, изготавливает и аттестует испытательное оборудование.
На заключительном этапе НИР планируется выполнить разработку экспериментального образца информационно-телекоммуникационной системы, включающей в себя комплект технических средств, программного и метрологического обеспечения и провести лабораторно-стендовые и натурные испытания экспериментального образца в арктических условиях для подтверждения запланированных технических характеристик.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. В результате ПНИ запланировано обобщение полученных результатов исследований и на их основе разработка технического задания на проведение ОКР. Предполагается проведение ОКР Индустриальным партнером – НПК «Марс» ОАО «НПП «Радар ммс» и постановка системы на производство.
Основная область применения планируемых результатов НИР – это телекоммуникационные системы технически сложных морских объектов нефтегазодобывающей отрасли преимущественно на шельфе ледовитых морей в Арктике, Охотском море и прилегающем шельфе Сахалина, а также научно-исследовательских систем в прибрежной зоне Антарктиды. Телекоммуникационные системы в составе морских объектов используются в качестве систем контроля и оперативной диагностики технического состояния и режимов работы наиболее уязвимых подводных элементов конструкции морских сооружений. К таким элементам относятся подводные нефте- газохранилища, трубопроводы, измерительные датчики для контроля напряженно-деформированного состояния критичных элементов конструкции и технологических режимов работы (давление, температура, вибрации, скорости и ускорения низкочастотных колебаний). Помимо перечисленного в составе технически сложных объектов, таких как добывающие и разведочные нефтегазовые платформы, существуют относительно удаленные от платформ измерительные комплексы для контроля состояния окружающей среды.
К технически сложным объектам следует также отнести научно-исследовательские системы, применяемые в Антарктиде, для которых информационно-телекоммуникационные системы с гидроакустическим каналом связи являются оптимальным средством получения информации от подводных измерительных комплексов.
Передачу информации от близко расположенных, но автономных измерительных комплексов, на диспетчерский пункт морской платформы целесообразно осуществлять не по кабельной линии связи, как это принято в настоящее время, а по гидроакустическому каналу. Преимуществом гидроакустического варианта канала связи является:
– гибкость построения контрольно-управляющего комплекса платформы;
–снижение финансовых затрат на проектирование, ввод в эксплуатацию, техническое обслуживание, ремонт, текущую модернизацию под конкретные условия района работ.
Особенно эффективно применение бескабельных телекоммуникационных систем для управления задвижками магистральных нефте-газопроводов в аварийных ситуациях. В случаях разрыва трубы необходимо быстро перекрыть одну или несколько задвижек трубопровода, чтобы предотвратить выход нефтепродукта в открытое море. В настоящее время эту операцию выполняют специально оборудованные малые суда с водолазным снаряжением и группой водолазов на борту. В штормовых условиях выполнение подобных операций крайне затруднительно. При использовании задвижек с электроприводом с автономным питанием и управляемых специальным гидроакустическим сигналом активация задвижек на открывание и закрывание будет возможна с помощью вертолета. Вертолет в момент зависания над точкой расположения вентиля может подавать команды с помощью приемо-передающего гидрофона опускаемого в воду. С помощью вертолета можно не только управлять состоянием задвижек трубопровода, но и получать диагностическую информацию о состоянии трубопровода, его технических средств и параметрах нефтепродукта протекающего в трубе.
На втором месте по значимости является использование телекоммуникационных систем с гидроакустическим каналом связи для передачи данных от подводных буйковых станций гидрологического и геофизического назначения.
Такие буйковые станции получают все более широкое развитие в гидрометслужбе РФ, институтах Академии наук и других ведомствах для мониторинга морской среды, для научных исследований, для геологической разведки полезных ископаемых на морском дне. Данные должны передаваться от измерительных буйковых комплексов, расположенных на дне моря или промежуточных глубинах, на поверхностный буй с радиоканалом связи УКВ-диапазона или спутниковым каналом. Использование кабельной линии связи в буйковых системах неэффективно, поскольку кабель не выдерживает длительных динамических нагрузок от волнения на поверхностный плавающий буй. В результате штормового волнения срок службы кабельной линии обычно не превышает 1-2 месяцев. Акустический канал передачи данных не имеет такого недостатка, поэтому может обеспечивать многолетнюю эксплуатацию. Достигаемый при этом технико-экономический эффект зависит от масштаба телеметрического комплекса и составляет не менее 50% от его стоимости.
2. Помимо нефтегазовой отрасли, как основного потребителя результатов НИР по настоящему проекту, отдельные составные части результата могут найти более широкое применение. Например, на основе новых методов модуляции, помехозащищенного кодирования и математической пост-обработки гидроакустических сигналов может быть создано целое семейство инновационных продуктов. На основе эффективного канала гидроакустической связи с достаточно высокой скоростью передачи цифровых данных могут быть созданы малокадровые видеокамеры без кабельной линии связи. Такие камеры в глубоководном исполнении могут найти применение для различных поисковых работ на дне моря. При этом на борту судна не потребуется применения специальных дорогостоящих кабельных лебедок.
Еще одной областью использования результатов НИР может быть приборостроение в сфере рыболовства. Например, в рыболовном флоте Норвегии помехозащищенный гидроакустический канал цифровой связи используют для получения данных о наполнении трала, параметров раскрытия, параметров заглубления и т.п. Аналогичное оборудование может выпускаться и отечественной промышленностью в порядке импортозамещения.
3. Полученные в результате ПНИ научные результаты, технические и технологические решения позволяют создавать новые виды информационно-телекоммуникационных систем с гидроакустическим каналом связи. Разработанные системы должны обеспечить повышение экономической эффективности, снижение материальных и финансовых издержек, замещение импорта, сокращение рисков аварий и кризисных ситуаций при эксплуатации технически сложных морских объектов в Арктике и Антарктике.
Актуальность проекта подтверждается потребностями опережающего экономического развития северных районов РФ и в частности соответствующими разделами «Информационное обеспечение» Морской доктрины Российской Федерации на период до 2020 года, которые предусматривают развитие информационных систем, обеспечивающих морскую деятельность
Тема проекта соответствует пунктам №14 и №42 «Перечня критических технологий», утвержденному Распоряжением Правительства РФ от 14 июля 2012 г. №1273-р.

Текущие результаты проекта:
По итогам работ первого этапа ПНИ составлен промежуточный отчет, основные разделы которого отражают:
- результаты проведенного аналитического обзора по проблемам гидроакустического канала связи в различных морских регионах;
- результаты исследования существующих методов и технических средств приема и передачи данных по гидроакустическому каналу связи;
- результаты патентных исследований, оформленных по ГОСТ
-результаты экспериментальных (натурных) исследований гидроакустических полей
Следует особо остановиться на результатах проведенных экспериментальных (натурных) исследований гидроакустических полей
Экспериментальные (натурные) исследования гидроакустических полей проводились в морях арктического региона на научно-экспедиционных судах (НЭС) "Академик Федоров", который имеет статус Уникальной научной установки, и "Академик Трешников" в соответствии с разработанной программой методиками экспериментальных (натурных) исследований гидроакустических полей в арктических морях в зависимости от гидрологических и ледовых условий. Параметры гидроакустического поля определялись с помощью современных СТД-зондов. Полученные данные подлежат обработке на последующем этапе работы.
На первом этапе работ ПНИ были разработаны и изготовлены действующие макеты приемопередающих гидроакустических модулей. Лабораторные испытания макетов проводились на уникальном оборудовании - ледовый бассейн ФГБУ "ААНИИ". Натурные испытания макетов проводились на НИС "Николай Матусевич" в Балтийском море.
В результате исследований влияния эффектов многолучевого распространения сигналов и реверберации на погрешность позиционирования и помехоустойчивость времяимпульсного метода модуляции подтвердилась возможность его использования для целей подводного позиционирования и передачи небольших объемов информации от измерительных датчиков с высокой надежностью и энергетической эффективностью.
Индустриальным партнером были проведены работы по техническому обеспечению лабораторных и экспериментальных исследований, а также разработана техническая документация на изготовление испытательного оборудования и стендов