Введение к работе
Диссертация представляет собой обобщение более чем двадцатилетнего опыта работы автора в области создания и внедрения автономных океанографических информационно-измерительных систем, их метрологического обеспечения и применения для мониторинга и исследования Мирового океана.
В последние годы многие страны стремятся максимально использовать природные ресурсы океана. В первую очередь их усилия направлены на развитие морской нефтегазовой индустрии, транспорта и рыболовства, на расширение строительства и использования гидротехнических сооружений. Сегодня идет повсеместное освоение океана, включая его полярные области, шельфовую зону и глубоководные районы.
В связи с этим особое значение приобретает получение полной и достоверной информации о физических процессах, происходящих в океанских глубинах. Здесь невозможно ограничиться только дистанционными наблюдениями, а приходится размещать измерительную аппаратуру непосредственно в океане(in situ), где она подвергается агрессивному воздействию водной среды и высокого давления. Такая аппаратура функционирует в автоматическом, необслуживаемом режиме от собственных маломощных источников энергии. Эти автономные информационно-измерительные системы (ИИС) располагаются на буйковых станциях в глубинах океана, окружают буровые платформы и терминалы в шельфовой зоне морей, устанавливаются на дрейфующем льду и на необитаемых подводных аппаратах. Результаты их измерений используются во всех видах хозяйственной деятельности на море: при составлении прогнозов, организации контроля загрязнения, водной среды' и прогнозирования опасных погодных явлений: ураганов, цунами, тайфунов, движения ледяных полей. Получаемые с помощью автономных ИИС данные необходимы для изучения природных процессов, происходящих в океане, исследования его взаимодействия с атмосферой, для разработки моделей этих процессов и уточнения прогностических методик.
История и современное состояние вопроса. По сведениям автора появление в океанографии автоматических измерительно--регистрирующих приборов следует относить к началу 50-х годов. Ими явились - измеритель течения' англичанина Ричардсона и отечественная буквопечатающая вертушка (БПВ) Ю.К.Алексеева. Затем по мере развития техники в океанологическом приборостроении происходил последовательный
переход к электромеханическим, далее в 70-х годах - к
электронным и в 80-х - к микроэлектронным, а в настоящее
время - к микропроцессорным средствам измерения(СИ) . В эти
годы за рубежом, в Норвегии Ивер Ондеро, а в США - Нейл
Браун создали целую индустрию по производству автономных
океанографических приборов, включив в перечень измеряемых
параметров температуру, электропроводимость,
гидростатическое давление, элементы поверхностного волнения и уровня воды.
В СССР проблемами океанологического приборостроения
занимались в основном в трех центрах: г. Москва, Институт
океанологии им. П. П. Ширшова Российской Академии наук и
Специальное конструкторское бюро океанологической техники;
г.Севастополь, Морской гидрофизический институт Украинской
Академии наук, и г. Санкт-Петербург: Государственный научный
центр Российской Федерации Арктический и антарктический
научно-исследовательский институт (ГНЦ РФ ААНИИ) совместно с
Рижским опытным заводом гидрометеоприборов (РОЗ ГМП) и
Заводом штурманских приборов (ЗШП) НПО "Азимут". Члены-
корреспонденты Украинской Академии наук А.Г.Колесников и
Б.А.Нелепо, доктора наук Ястребов B.C. и Парамонов А.Н.
внесли заметный вклад в развитие отечественной
океанологической техники.
В результате к началу 70-х годов сложились реальные
научные, технологические и экономические предпосылки
комплексного решения задачи создания автономных
океанографических измерительных ИИС, включая вопросы теории и практики океанологического приборостроения. В соответствии с этим в ААНИИ с участием автора были развернуты работы по разработке и организации на РОЗ ГМП и ЗШП серийного производства автономных океанографических средств измерений.
Отсюда вытекает актуальность темы диссертации, что подтверждается ее тесной связью со следующими научно-техническими и целевыми государственными программами и заданиями:
Федеральная целевая программа "Развитие системы гидрометеорологического обеспечения народного хозяйства Российской федерации в 1994-1996 годах и на период до 2000 года", принятая Постановлением Правительства Российской федерации № 437 от 3 мая 1994 г.;
Постановления ГКНТ N490 от 03.11.75 и Совета Министров СССР N821 от 29.09.80, связанные с решением проблем
предупреждения Цунами и развитием автоматизированной системы Гидрометслужбы СССР;
Задания ГКНТ по проблеме "Мировой океан" в части подпрограммы 074.01.03.014. проекта "Абиссаль", 06.01.01 проекта "Гидрофизическое приборостроение" и 074.01.08.01 по автоматизации регистрации и обработки данных океанологических наблюдений.
Отдельные разделы диссертации выполнялись в 1975 - 1991 гг. в рамках комплексных программ метрологического обеспечения, плана тематических работ Росгидромета, а также во исполнение приказов Минприбора СССР.
Целью диссертации является разработка научных основ проектирования, создание концепции производства и применения автономных океанографических ИИС для решения прикладных задач мониторинга океана и получения новых данных о происходящих в нем физических процессах.
Достижение указанной цели обеспечивается постановкой и решением следующих задач:
-разработки математической модели океана как объекта измерений с определением перечня значимых океанографических величин;
-развития и адаптации существующих теоретических положений к процессу измерений in situ основных океанографических величин автономными средствами;
-формализации специальных требований к автономным океанографическим ИИС;
-разработки принципов построения и метрологического обеспечения таких систем;
-выбора, обоснования и разработки схемных и конструкторских решений для реализации этих принципов;
-создания научнообоснованной методологии применения и обслуживания новых приборов; -исследования рынка продаж и услуг;
-формирования концепции создания и применения современной океанографической техники.
_ Методы исследования основаны на фундаментальных положениях теории измерений физических величин, теоретической метрологии и векторной алгебры, теории случайных процессов, математической статистики и теории автоматического управления с привлечением аналитических и имитационных методов исследования процессов взаимодействия техногенных объектов с природной средой.
Научная новизна заключается в следующем:
-
Разработана научнообоснованная концепция создана автономных ИИС для получения комплексной информации oi океане, включающая вопросы теории, системногі проектирования и изготовления таких систем, и: метрологического обеспечения и интерпретации получаемы: результатов измерений.
-
Получены новые результаты в теории измерений поле: многомерных величин, изменяющихся случайным образом специфическом режиме динамического взаимодействия объект измерений с датчиками ИИС.
-
Разработаны методы повышения качества океанографически измерений путем введения коррекции, автокалибровки взаимного согласования результатов измерений различны каналов автономных систем.
-
Впервые в теоретической метрологии решены вопрос нормирования метрологических характеристик ИИС определения погрешностей результатов измерений основны океанографических величин.
-
Детально разработаны вопросы измерения скорости дрейф льда по величине доплеровского частотного сдвиг гидроакустических эхосигналов в режиме активной подводно локации льда автономными системами с учетом зависимост скорости распространения звука в воде от ее фактически гидрофизических характеристик.
Новизна подтверждается серией авторских свидетельств н изобретения, в том числе на способы измерения [2-17], приоритетом авторских публикаций по данному вопросу, достоверность - широким внедрением созданной измерительно техники, результатами ее интеркалибрации и сличений показаниями других СИ.
Практическая значимость результатов диссертационны исследований заключается в разработке с учетом реальне технологической базы, организации производства и в внедрении следующих ИИС:
1. Серия модификаций автономных океанографических приборе АЦИТ, „ВЕКТОР* внесенных в Государственный реестр С соответственно под NN 6863-78 и 12643-91, освоенных серийном производстве и внедренных повсеместно в практик морских работ в гидрометслужбе России и других стран СНІ судах Главного управления навигации и океанографии(ГУНИС Министерства обороны, а также нашедших применение
различных организациях Мингеологии, Минводхоза, Российской Академии наук.
-
Телеизмерительные прибрежные гидрологические станции "Мониторинг", ДУ-МГ, "Прилив".
-
Портативные промерные эхолоты "Скат" и "Скат-М".
-
Измерительные системы "WAVE-VECTOR" и "Ледовый сонар", применяемые отдельными российскими и иностранными компаниями.
Важными практическими результатами работы также являются:
1.Создание отечественной системы метрологического, методического и программного обеспечения эксплуатации и применения современной измерительной техники в океанографии, включающей методические указания РД52.17.48-85, РД52.17.49-85, СГП17.54-88, программы обработки данных АЦИТ для ЭВМ; устройства определения и контроля градуировочных характеристик АЦИТ и ВЕКТОР в штатных условиях эксплуатации. 2.Оборудование для поверки и калибровки векторно-осредняющих измерителей течения, телеизмерительных гидрологических и волноизмерительных станций в процессе их производства, а также лабораторные установки для исследования метрологических характеристик указанных СИ в рабочих условиях применения.
Личный вклад автора. Начиная с 1974 г. в ААНИИ автор участвовал, а с 1982 г. - руководил разработкой серий модификаций измерительных комплексов типа АЦИТ, проведением их государственных испытаний, постановкой на производство и организацией внедрения на наблюдательной сети Росгидромета, составил РД 52.17.48-85, РД 52.17.49-85, участвовал в 5 морских многосутючных экспедициях по отработке методики применения этих ИИС и испытанию приборов„ВЕКТОР, участвовал в процессе интеркалибрации океанографических СИ в Военно-морском центре США им.Д.Тейлора; выполнил разработку, испытания на дрейфующем льду и внедрение в практику работ полярных экспедиций "Север" промерного эхолота "Скат", вел работы по созданию и внедрению телеизмерительных гидрологических станций ДУ-МГ и "Прилив", награжден серебряной и бронзовой медалями ВДНХ соответственно за серию разработок АЦИТ и эхолот.
В период 1990-96 гг. автор, работая в фирме АОЗТ "СП ИНТААРИ", получил основные результаты по представляемой
диссертации, а именно: создал и реализовал на практике современную концепцию океанологического приборостроения автономных ИИС. Он в качестве руководителя проектов участвовал в процессе разработки и производства морских измерительных систем: "ВЕКТОР", "WAVE-VECTOR", "Мониторинг", "Ледовый сонар", гидролокационных комплексов "Гидроэхо", "Гидронавигация", "ASK", ГБО и измерительно-вычислительных комплексов (ИВК) подводных аппаратов "Меридиан", "Помор", автоматической гидрометеорологической станции АГМСБ, а также при проведении испытаний системы "Ледовый сонар" в 1993 г. в арктической экспедиции на норвежском судне "Lance", аппарата "Помор" и гидропокационной системы ГБО в 1994-96 гг. в Выборгском заливе и на реке Неве.
Реализация результатов работы осуществлена в процессе проектирования, производства и эксплуатации более двадцати океанографических измерительных комплексов различного типа, три из которых (АЦИТ, АЦИТ-А, АЦИТ-У) выпускались серийно на РОЗ ГМП, а восемь - мелкими сериями: "ВЕКТОР" и "Мониторинг 1(П)" - на ЗШП, "WAVE-VEKTOR", ДУ-МГ, "Скат (М)" - в Экспериментально-производственных мастерских (ЭПМ) ААНИИ.
Результаты данной диссертации использовались при
создании системы "Ледовый сонар", блоков ориентации,
определения курса и глубины портативного гидролокатора
легкого аквалангиста комплексов "Гидроэхо" и
"Гидронавигация", ИВК подводных аппаратов "Меридиан",
"Помор", компьютерной гидролокационной системы,
гидрометеорологической станции АГМСБ для буровых судов и морских добычных платформ.
Теоретические разработки данной диссертации использованы в следующих нормативных документах:
-Программе и методике Государственных испытаний Автономного
цифрового измерителя направления и скорости потока,
температуры, электропроводимости и давпения воды (АЦИТ) и
технических условиях ТУ 25-11-1279-76 на АЦИТ,
государственный регистрационный N 1657373 от 25.02.77, а также в аналогичных документах - на все его модификации; -Руководящих документах РД 52.17.48-85, РД 52.17.49-85 системы метрологического обеспечения Росгидромета по методике поверки каналов скорости и направления течения измерителя АЦИТ;
- стандартах ААНИИ, инструкциях РОЗ ГМП, ЗШП и ЭПМ ААНИИ по технологическому контролю метрологически значимых элементов
систем в процессе их производства, методиках и программах приемосдаточных и сравнительных испытаний различного рода океанографической техники, указанной ранее, в том числе при проведении интеркалибрации советских и американских измерителей течения.
Материалы диссертации внедрены в учебный процесс по курсу лекций "Приборы и методы океанологических измерений", "Морская гидрометрия" и "Океанологические информационно-измерительные системы" для студентов гидрометеорологических вузов, обучающихся по специальности "Океанология", и курсантов Высшей морской академии им.С.О.Макарова - на кафедре "Полярная океанология".
Положениями, выносимыми на защиту по материалам настоящей диссертации, являются следующие: 1.Математическая модель океана как объекта измерения в виде
многомерного поля случайных величин различной физической природы. 2.Приложение фундаментальных положений теории измерений и
метрологии к задачам измерения in situ основных
океанографических величин. 3.Архитектура построения автономной океанографической ИИС и
методика оценки погрешностей результатов ее измерений. 4.Методы повышения качества океанографических измерений
автономными техническими средствами в условиях
нестабильного пространственного положения датчиков. 5.Принципы построения и метрологического обеспечения средств
измерения in , situ температуры, электропроводимости,
солености, плотности морской воды, элементов
поверхностного волнения, глубины и рельефа морского дна,
векторов скорости течения и дрейфа льда, б.Разработка серии автономных океанографических измерителей
для буйковых станций, прибрежных телеизмерительных систем
и гидроакустических зондирующих приборов. 7.Концепция создания океанологической измерительной
аппаратуры.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на многочисленных всесоюзных конференциях, совещаниях и школах, проводимых по тематике, связанной с океанотехникой, наиболее значительные из которых в 1978, 1983, 1985, 1987 гг. состоялись в г. Геленджике, в 1989 г.- в Москве и Обнинске; в 1974 г.- на всесоюзном семинаре на борту научно-исследовательского судна "Профессор
К)
Визе", а также - на Ш съезде советских океанологов, 1987 г. (Ленинград), во Всесоюзном научно-техническом обществе приборостроителей им. СИ. Вавилова на совместном заседании в 198 8 г. секций научного приборостроения, охраны окружающей среды и метрологии, на Всесоюзной конференции "Проблемы метрологии гидрофизических измерений", 1990 г.(Москва), 1-й Санкт-Петербургской Международной конференции "Конверсионные технологии в гидроакустике" (1994 г.), 2гй международной конференции "Освоение шельфа арктических морей России", симпозиуме-семинаре выставки "НЕВА-95" (1995 г., Санкт-Петербург) и научно-техническом семинаре "Применение геоинформационных технологий в освоении арктического морского шельфа" (1996 г., Санкт-Петербург).
Отдельные вопросы данного диссертационного исследования в период 1980-1983 гг. докладывались автором и обсуждались на заседаниях "Советско-американской рабочей группы N6 по интеркалибрации измерителей течения в Национальной администрации по океану и атмосфере США(НОАА)" и "Комиссии по проблемам Мирового океана при президиуме Академии наук СССР", в 1981-1995 гг. - Физико-технической и океанологической секциях Ученого Совета ААНИИ и Координационного совета по . средствам океанологических измерений при Российской академии наук, секции N1 по комплексной проблеме "Гидрофизика".
В целом диссертация докладывалась на научно-техническом
совете ИНТААРИ и семинаре кафедры информационно-
измерительной техники Санкт-Петербургского
электротехнического университета.
Публикации. Общее количество научных работ по теме диссертации, подготовленных автором (единолично и в соавторстве), составляет 75. Из них основных, приведенных в конце текста доклада, - 53, в том числе монография, две зарубежные работы и 15 авторских свидетельств на изобретения.