Магистерская диссертация Суслов А.В. ИВ2 ДВГУПС 2017 (Автоматизированная система мониторинга температуры грунта в районах вечной мерзлоты вдоль железных и автомобильных дорог)

Содержани

Обозначения и сокращения 3

Введение 4

1 Стратегическое значение и важность измерения температур 9

1.1 Байкало-амурская магистраль и её стратегическое значение 9

1.1.1 Объёмы грузовых перевозок: 10

1.1.2 Пассажирские перевозки 11

1.1.3 Полезные ископаемые БАМа 12

1.1.4 Роль БАМа 12

1.2 Проблематика железнодорожных насыпей в условиях вечной мерзлоты 13

1.2.1 Морозные пучения 13

1.3 Природно-климатические факторы, влияющие на мерзлоту 27

1.3.1 Низкие температуры воздуха 28

1.3.2 Снежный покров, снегозаносы и снегонакопление 29

2 Проблемы строительства автомобильных дорог в районах вечной мерзлоты 39

2.1 Укрощение деформаций. Проблемы проектирования автомобильных дорог в зоне вечной мерзлоты. 39

2.2 Проблема строительства на вечной мерзлоте в наше время 50

2.2.1 Вывод 55

3 Автоматизированная система мониторинга 56

3.1 Рынок температурных систем 56

3.2 Реализация системы 56

3.3 Состав системы 57

3.4 Требования выдвигаемые к температурным датчикам 62

3.4.1 Температурный датчик DS18B20 63

3.4.2 Повышение точности датчика 64

3.5 Выбор микроконтроллера системы 67

3.5.1 Требования к ПЗУ микроконтроллера 67

3.5.2 Требования к энергопотреблению микроконтроллера 68

3.5.3 Дополнительные требования к микроконтроллеру 68

3.5.4 Сравнение режимов пониженного электропитания микроконтроллеров 69

3.5.5 Требования к интерфейсам микроконтроллера 71

3.5.6 Результат сравнения микроконтроллеров 72

3.6 Разработка принцпиальной электрической схемы и топология печатных плат 73

3.6.1 Макет устройства 75

Заключение 76

Список использованных источников 79

Приложение А Карта участков вечной мерзлоты на территории

Росии 89

Приложение Б Карта полезный ископаемых на территории БАМа 90

Приложение В Принципиальная электрическая схема основной

микросхемы системы 91

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

БАМ - Байкало-Амурская магистраль;

АЯМ - Амуро-Якутская магистраль;

МК - микроконтроллер;

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

УИВ - устройства индикации и ввода;

ПП - печатная плата;

ПП - преобразователь питания;

БП - блок питания.

Введение

Актуальность темы исследования. В России общая площадь районов распространения вечной мерзлоты равна примерно 11 млн. км², что составляет около 63% территории страны. История создания железных дорог в районах вечной мерзлоты насчитывает уже более 110 лет. На данный момент в России существуют: Забайкальская, Амурская, Норильская, Байкало-Амурская (БАМ), Амуро-Якутская (АЯМ), Ямальская и некоторые другие железные дороги, пролегающие в районах вечной мерзлоты. В аналогичных условия существуют дороги в США и Канаде [1, 2].

Происходящие изменения климата приводят к деградации вечной мерзлоты. В результате возможны массовые деформации зданий и практически любых сооружений, построенных без учета климатического потепления [2, 3].

Изменение температуры приводит к просадке грунтов и образованию воронок, влияющих на устойчивость железнодорожных путей, происходит это из-за уменьшения несущей способности вечной мерзлоты и различных форм термокарста. Таким образом, остро стоит проблема мониторинга температуры мерзлых грунтов [3].

Одной из проблем затрудняющей проведения подобных исследований является малонаселённость и труднодоступность районов вечной мерзлоты. Поэтому одним из основных требований к подобной системе является ее максимальная автономность и автоматическая передача данных от измерительных устройств (термометрических скважин) на сервер. Измерения температуры грунтов регламентируется в соответствии с ГОСТ 25358-2012 [5] и устанавливают необходимую точность измерения температуры – 0.1°С.

Основываясь на этих требованиях, предлагается реализовать систему виде трех независимых уровней взаимодействующих друг с другом через беспроводные каналы связи.

Степень изученности проблемы. Теоретические подходы к решение и изучению проблемы строительства сооружений на территории вечно мёрзлых грунтов и оценке методов прогнозирования и предотвращения уменьшения прочностных характеристик, нашли отражение в работах зарубежных ученых: А. Смит, Д. Рикардо,
Дж. Миль, Дж. М. Кейнс, И. Ансофф, Й. Шумпетер, М. Портер, Э. Чемберлин, Дж. Робинсон, П. Друкер, Э. Майкл, Ж.-Ж. Ламбен, А. Чандлер,
Ф. Котлер, К. Клейтон, И. А.Дюпюи, X. Такеучи, Х. Кобояси, М. Цучия, Т. Ногучи.

Вопросы стратегического значения и рассматривались такими зарубежными и отечественными учеными, как: Гонтковская В.Т., Дубиков Г.И., Трофимов В.Т., Достовалов Б.Н., Кудрявцев В.А., Изаксон В.Ю., Петров Б.Е., Дубиков Г.И., Пармузин С.Ю., Лукьянов B.C., Головко М.Д., Соколов B.C., Пассек В.В..

Цель магистерской диссертации – разработка эффективной автоматизированной системы мониторинга температур в вечно мёрзлых грунтах для выявления аварийных участков и их прогнозирования.

Исходя из данной цели работы вытекают следующие задачи работы:

– изучить проблему строительства сооружений на вечно мёрзлых грунтах;

– рассмотреть природно-климатические факторы, влияющие на мерзлоту;

– рассмотреть проблему в района железных и автомобильных дорог

– разработать автоматизированную систему мониторинга температур.

Объект исследования – Забайкальская, Амурская, Норильская, Байкало-Амурская (БАМ), Амуро-Якутская (АЯМ), Ямальская и некоторые другие железные дороги пролегающие в районах вечной мерзлоты).

Предмет исследования – мониторинг температур.

Теоретическая и методологическая основа исследования. Теоретической и методологической основой работы является применение объективных принципов научного познания. В процессе исследования проблем по выбранной теме автор опирался на фундаментальную и специальную литературу отечественных и зарубежных ученых по проблемам строительства в района вечной мерзлоты, стратегического значения объектов пролегающих на этой территории. В ходе исследования использовались такие методы исследования, как анализ и синтез; дедукция и индукция; группировка и сравнение; системность и комплексность; сравнительный анализ уже имеющихся систем на рынке с разрабатываемой системой. Для обоснования выдвигаемых положений применялись исторический, логический и системный подходы.

Основные результаты исследования заключаются в следующем:

– исследована проблема строительства на территории вечной мерзлоты. Исследованы принятые решение по борьбе с простаиванием вечно мёрзлых грунтов;

– обобщены мнения ученых и практиков в области вечно мёрзлых грунтов;

– в ходе анализа теоретических положений и методик по укрощению деформации, сделаны выводы по повышение прочностных конструкций.

– основываясь на этом, автором предложена разработка автоматизированной системы мониторинга температур в вечно мёрзлых грунтах.

Для выбора компонентов для системы был произвёден сравнительный анализ модулей, для температурных датчиков было предложено решение по повышению точности измерения. Была разработана принципиальная электрическая схема и произведена «разводка» печатной платы.

Достоверность полученных результатов основывается на изучении методических положений и практических результатов.

Научная новизна исследования состоит в следующем:

- разработке автоматизированной системы, с передачей данных на приёмник и далее на сервер с возможностью автоматической обработкой, направленной на улучшение и повышения эффективности прогнозирования и предотвращения аварийных ситуаций. стратегического и оперативного управления.

Теоретическая значимость магистерской диссертации заключается в обобщении основных теоретических аспектов и различных подходов к проблеме простаивания вечно мерзлых, предложенные научные выводы и рекомендации могут служить основой для дальнейших исследований теоретико-методологических проблем в области совершенствования систем мониторинга температур.

Практическая значимость разработки состоит в том, что данная система будет обладать достаточной гибкостью и сможет примется практически на любых участка, где необходим мониторинг температур.

Публикации результатов исследования. Промежуточные результаты был представлены на 63 межвузовской студенческой конференции ДВГУПС Основные результаты исследования были представлены на молодёжно-инновационном конкурсе «УМНИК».

Структура и краткое содержание работы. Исследование состоит из введения, трёх глав, заключения, списка литературных источников, приложений. Работа проиллюстрирована таблицами и рисунками.

Во введении отражены актуальность, состояние и степень изученности проблемы, определены цели и задачи, предмет и объект исследования, сформулирована научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе работы исследованы теоретические аспекты стратегического значение и важности измерения температур, произведён обзор грузовых перевозок, обзор пассажирский перевозок. Рассмотрены полезные ископаемые на территории БАМа и сделал вывод о его роли.

Во второй главе работы рассмотрены проблемы строительства автомобильных дорог, укрощение деформации и проблмы строителтсва.

Третья глава посвящена разрабатываемой системе, её составу, сравнению микроконтроллеров и передающих модулей будущей системы.

В заключении обобщены выводы полученные в процессе исследования и разработки.

1. стратегическое значение и важность измерения температур

   1. Байкало-амурская магистраль и её стратегическое значение

Байкало-Амурская магистраль (БАМ) — крупная железнодорожная магистраль на востоке России.

В настоящее время БАМ (Приложение А) работает на пределе своей пропускной способности, которая составляет около 16 млн. тонн грузов в год. Ведётся модернизация магистрали с целью значительного увеличения её пропускных возможностей.

БАМ пролегает по территории Иркутской области, Забайкальского края, Амурской области, Бурятии, Якутии, Хабаровского края.

Ключевые станции БАМа:

– Тайшет;

– Лена;

– Советская Гавань.

–Таксимо;

–Тында;

– Нерюнги;

– Новый Ургал;

– Комсомольск-на Амуре;

– Ванино.

Общая протяжённость БАМа от Тайшета до Советской Гавани составляет 4300 км.

БАМ связывается с Транссибирской железной дорогой тремя соединительными линиями: Бамовская – Тында, Известковая – Новый Ургал и Волочаевка – Комсомольск-на-Амуре.

В настоящее время двухпутная железная дорога построена от Тайшета до Лены (704 км) и однопутная – от Лены до Таксимо (725 км). На остальном участке БАМа построена однопутная железная дорога с тепловозной тягой.

БАМ проходит по территории с суровыми природно-климатическими условиями – через районы вечной мерзлоты (глубина которой от 1-3 до сотен метров) и высокой сейсмичности (до 9 баллов). Магистраль пересекает 11 полноводных рек (среди них Лена, Амур, Зея, Витим, Олекма, Селемджа, Бурея) и 7 горных хрбтов (Байкальский, СевероМуйский, Удоканский, Кодарский, Олекминский Становик, Туранский и Дуссе-Алинский). Из-за сложного рельефа местности более 30 км железной дороги проходит в тоннелях (среди них Байкальский (6,7 км) и Северо-Муйский (15,3 км)).

Дорога пересекает 11 полноводных рек, 7 горных хребтов. Более 1000 км пути проложено в районах вечной мерзлоты или высокой сейсмичности.

На трассе пробито 8 тоннелей, построено 142 моста (длиной более 100 метров), более 200 железнодорожных станций и разъездов, свыше 60 городов и посёлков. Мосты, тоннели, виадуки, противолавинные стены и другие инженерные сооружения составляют треть протяжённости БАМа

1. Объёмы грузовых перевозок:

За 1978-1990 годы по БАМу было перевезено 279 млн тонн грузов, в том числе 112,7 млн тонн угля и 65,4 млн тонн леса

В 2002 году со станций БАМа было отправлено 16,3 млн тонн грузов, а прибыло на станции 6,7 млн тонн

В 2003 году со станций БАМа было отправлено 17,4 млн тонн грузов, а прибыло на станции 7,2 млн тонн

В 2004 году суммарный объем грузовой работы станций БАМа составил 25,1 млн тонн, увеличившись по сравнению с предыдущим годом на 2,4 %. При этом со станций БАМа было отправлено 18,4 млн тонн грузов (годовой прирост – 6,3 %, а прибыло на станции 6,7 млн тонн (падение на 7 %)

В 2004 году основными грузообразующими элементами в зоне БАМа являлись угольные предприятия Южно-Якутского (Нерюнгри) и Бурейского (Ургал) бассейнов. С этих месторождений было перевезено 9,3 млн тонн и 2,3 млн тонн угля соответственно. В основном здешний уголь следовал на экспорт через порты Дальнего Востока в страны Азиатско-Тихоокеанского региона, а также на электростанции Хабаровского и Приморского краев.

В 2004 году по западной части БАМа (Лена-Восточная – Тында) средняя густота движения грузов в обоих направлениях составила 10,3 млн ткм/км, по восточной части (Тында — Комсомольск-на-Амуре) – 5,8 млн ткм/км. Суммарный грузооборот БАМа достиг 30,2 млрд ткм, увеличившись по сравнению с 2003 годом на 11,8 %.

1. Пассажирские перевозки

За 1978-1990 годы по БАМу было перевезено 33 млн пассажиров