Магистерская диссертация Суслов А.В. ИВ2 ДВГУПС 2017 (Автоматизированная система мониторинга температуры грунта в районах вечной мерзлоты вдоль железных и автомобильных дорог), страница 7

Из первоначальных 4 путей остался 1, но и его приходится постоянно выправлять и периодически ремонтировать. За последние 14 лет на ремонт участка затрачено около 1 млрд рублей, но проблема стабилизации пути так и осталась не решенной: скорость движения по-прежнему ограничена 15-25 км/час, угроза внезапного схода пути по косогору остается. Участок дороги электрифицирован, приходится также постоянно ремонтировать и контактную сеть.

Еще пример по Восточно-Сибирской ж.д. В 2001 г. были в основном завершены работы по сооружению подъездного железнодорожного пути Чара-Чина, проходящего по территории с чрезвычайно сложными инженерно-геокриологическими условиями, обусловленными, в частности распространением многолетнемерзлых сильнольдистых пород, нередко с подземными льдами мощностью до 5-10 м. Сегодня эта линия разрушается под действием геологических, в том числе и криогенных процессов и явлений (рисунок 19), а мероприятия по обеспечению проезда поездов до недавнего времени сводились к перманентной выправке пути и засыпке просадок. После 2008 г. ремонт пути и движение поездов прекратились.

Рисунок 19 ̶ Деформация путей

Аналогичные проблемы характерны и для Аляскинской (рисунок 20) и Цинхай-Тибетской железных дорог, введенных в эксплуатацию в 1921 и 2006 гг. соответственно.

Так можно ли построить железные дороги на участках льдистых многолетнемерзлых грунтов, не обрекая их на перманентный ремонт?

Можно. Причем двумя принципиально различными путями: сохраняя грунты основания в мерзлом состоянии на протяжении всего времени эксплуатации дороги или, если невозможно вырезать, превентивным оттаиванием льдистых грунтов и замещением их. Тот или иной вариант стабилизации земляного полотна следует выбирать на основе теплотехнических расчетов и технико-экономического сравнения вариантов с учетом затрат как на строительство, так и на содержание железнодорожного пути и иной инфраструктуры, а также с учетом эксплуатационных расходов.

Но прежде надо выявить, качественно и количественно, все факторы возможного оттаивания мерзлых грунтов в конкретных природных и техногенных условиях, а затем воздействовать на эти факторы, добиваться нужного температурного режима грунтов основания земляного полотна.

В итоге стоит проблема своевременно и качественного изменения температур грунта.

Рисунок 20 ̶ Деформация путей

Оттаивание вечномерзлых грунтов под земляным полотном железных дорог обычно вызывают:

– увеличение поглощения солнечной радиации земляным полотном по сравнению с естественной поверхностью;

– инфильтрация теплых летних осадков в тело и основание земляного полотна;

– увеличение толщины снежного покрова у основания насыпи и на прилегающей территории;

– фильтрация поверхностных и подземных вод в тело и основание земляного полотна на косогорных участках.

1. Вывод

Подводя итог, можно с уверенностью сказать что проблема простаивания вечно мёрзлых грунтов актуальна, и сохраняет негативную тенденцию. Исходя из вышесказанного, учитывая высокую значимость БАМа, увеличения демографической асимметрии и разнообразия природно-климатических и грунтово-гидрологических условий в зоне вечной мерзлоты необходимо оценить воздействие факторов, влияющих на условия эксплуатации сооружения, существует острая необходимость в своевременном сигнализировании аварийных участков, а также автоматизированном пополнении температурной информационной базы для прогнозирования тепловых процессов путём компьютерного моделирования.

1. Автоматизированная система МОНИТОРИНГА

   1. Рынок температурных систем

Наиболее близким аналогом предлагаемой системы является оборудование для исследований и мониторинга мёрзлых, промерзающих и протаивающих грунтов компании «Эталон».

Основные технические характеристики системы в сравнении с оборудование для исследований и мониторинга мёрзлых, промерзающих и протаивающих грунтов компании «Эталон»:

Таблица 1 – Сравнение характеристики с конкурентом

Из сравнения ясно, что основным конкурентным преимуществом является автоматизация процессов сбора информации и их последущей систематизации и обработки.

1. Реализация системы

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.

1. Состав системы

Первый уровень системы представлен устройствами измерения температуры (термометрические скважины), состоящих из набора датчиков температуры расположенных на разной глубине, приёмо-передающего модуля, управляющего контроллера и элемента питания. Термометрические скважины располагаются вдоль железных или автомобильных дорог и передают данные на приёмные устройства расположенные на поездах или автомобилях. Приемные устройства составляют второй уровень системы и пересылают данные на сервер при попадании в зону действия общественных беспроводных сетей (GSM/GPRS, Wi-Fi и т.д.) [4]. Третий уровень системы представлен в виде сервера выполняющего обработку и систематизацию данных (рисунок 21).

Рисунок 21 – Концепция работы системы

Термоизмерительная скважина (рисунок 21) будет состоять из центрального контроллера (ЦК) к которому через общую шину подключены датчики температуры (ДТ1 - ДTn), приёмник сигнала сигнализации (ПСС), основной приёмно-передающий модуль (П/П) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) для хранения результатов измерений. Для уменьшения энергопотребления основной приемо-передающий модуль в режиме ожидания будет отключаться центральным контроллером от преобразователя питания (ПП) с помощью реле (К) и включаться только после появления в области видимости мобильного приемника. Для обнаружения мобильного приемника в состав оборудования скважины включен дополнительный канал сигнализации, реализованный с помощью маломощного преемника сигнала синхронизации. Питание всего устройства предполагается через преобразователь питания от встроенного элемента питания (ЭП).

Важным моментом является выбор оптимальной технологии передачи данных с термометрических скважин на мобильный приёмник, обеспечивающей необходимую скорость при минимальном энергопотреблении. Для расчета требуемой скорости передачи предлагается использовать методику приведенную ниже.

Рисунок 22 – Блок-схема оборудования термометрической скважины

Объём информации, получаемый термоизмерительной скважиной за одно измерение, определится выражением

, (1)

где N₁ - количество датчиков в одной скважине, V₁ - объём информации (в байтах) получаемый с одной скважины.

Тогда задавшись частотой движения приёмника (F_пр [1/сутки]) находим количество информации получаемое термоизмерительной скважиной за один период измерений

, (2)

где F_из - частота проведения измерений. Подставив (1) в (2), получим:

. (3)

Длина участка пути приемлемого модуля, на котором устанавливается связь с приёмником. Исходя из схемы взаимного расположения приёмника и термоизмерительной скважины (рисунок 23), получим

, (4)

где L_пр - радиус зоны покрытия приёмника, L_у - удаление термоизмерительной скважины от траектории движения приёмника.

Таким образом, длительность связи с учётом скорости приёмника :

, (5)

подставив в (5) значение (4) получаем

. (6)

Рисунок 23 – Схема взаимного расположения

.

Исходя из времени связи, определим минимально необходимую скорость передачи

. (7)

Подставив (6) в (7) получим выражение, связывающее минимальную скорость передачи измерительного устройства в [бит/с] с параметрами системы и используемыми технологиями связи [4]:

. (8)

Выражение (8) позволяет найти минимальную скорость передачи в случае если расстояние между измерительным устройством L_у больше чем длинна участка устойчивой связи L_св (L_у > L_св). Если это условие не выполняется, то используемая технология позволяет увеличить скорость передачи без потери дальности связи, тогда скорость передачи данных определяется как:

. (9)

Если дальнейшее увеличение скорости передачи не возможно, можно реализовать систему с использованием многоканального приёмника. Необходимое количество каналов можно определить из выражения:

, (10)

при этом значение n, всегда округляется в большую сторону.

Исходя из требований предъявляемых ГОСТ 25358-2012 [5], количество датчиков N_д на одной термометрической скважине может достигать 16 штук. Зададимся объём информации от одного датчика за одно измерение V_д равным 10 байт. Предполагается что измерения будут проводиться каждый час, следовательно частота проведения измерений F_из будет равна 24 раза в сутки. Учитывая среднестатистическое движение поездов по самым малонасёленным районам частота движения приёмника F_пр будет равна 0,33 раза в сутки. Радиус зоны уверенного покрытия приёмника L_пр и расстояние между измерительными устройствами L_и предполагаются 100 и 20 метров соответственно. Скорость движения приёмника зададим исходя из максимальной скорости движения поезда (60 км/час), 17 метров в секунду [12].

На основании приведенных данных по предлагаемой методике были проведены расчеты минимально необходимой скорости передачи для разных технологий беспроводной передачи данных (различных модулей) в зависимости от максимальной дальности связи. Результаты вычислений сведены в таблице 2.

Таблица 2 – Сравнение приемо-передающих модулей

Расчеты показали, что для всех рассмотренных модулей достаточно одного канала, так как максимальная скорость намного больше минимально необходимой. Далее выбор модулю производился на основе минимального энергопотребления и стоимости.