Система управления метеорологической защитой населенных территорий
Изобретение относится к управлению метеорологической защитой и может быть использовано для активного воздействия на атмосферные процессы с целью изменения погодных условий. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение уровня, метеорологической защиты населенных территорий, обеспечение достоверности заблаговременного оповещения населения о непреодолимых и потенциально опасных катастрофических атмосферных явлениях при одновременном сокращении затрат на ее установку и поддержание ее непрерывной работы. Заявленная система управления метеорологической защитой населенных территорий обеспечивает автоматизированную координацию точечных активных воздействий на очаги микрофизических процессов в атмосфере защищаемых населенных территорий в моменты их возникновения, если места образования очагов этих процессов, поля геопотенциала и компонент локальных данных характеризуют процессы как потенциально опасные. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к управлению метеорологической защитой и может быть использовано для активного воздействия на атмосферные процессы с целью изменения погодных условий.
Наиболее близкой к заявленному изобретению является система управления метеорологической защитой районов с транспортными магистралями от туманов и избыточных осадков, которая содержит центральный пункт управления, коммуникации связи и управления, а также периферийный комплекс локального управления атмосферными процессами.
Он представляет собой совокупность периферийных комплексов локального управления, содержащих излучающие устройства, питающиеся от источников электрической энергии, и контролируемых управляющими устройствами, размещенными в районах узловых станций транспортных магистралей. Центральный пункт управления при обнаружении очага зарождения аномалии в атмосфере вырабатывает управляющее воздействие, которое преобразуется в управляющий сигнал и передается по магистральным линиям оптико-волоконной связи железной дороги к управляющему устройству периферийного комплекса локального управления (пат. РФ № 2180476 С1, 20.03.2002).
К недостаткам известной системы защиты районов с транспортными магистралями от туманов и избыточных осадков следует отнести
- малую прицельную дальность излучателей электромагнитных волн, установленных на узловых станциях и управление ими только по данным центральных метеослужб,
- бесполезное расходование мощностей источников электрической энергии инфраструктуры узловых станций в тех случаях, когда ослабление и поглощение электромагнитных волн в сложившейся структуре облаков и туманов на защищаемой территории препятствует подавлению развития очага нежелательных атмосферных процессов,
- ограниченные возможности по объективности численного анализа и прогноза, так как в качестве полей первого приближения используются только прогнозы центральных метеослужб,
- снижение уровня достоверности краткосрочных прогнозов,
- отсутствие ресурсов для трансграничной поддержки, достигаемого эффекта активных воздействий на смежных территориях.
Информация от авиационных метеорологических лабораторий эффективна для среднесрочных, иногда и для краткосрочных прогнозов, но практически мало эффективна в деле ситуационной оперативной коррекции погоды, то есть по обстановке в данную минуту.
Применение космических аппаратов в виде спутниковых лабораторий для управления метеорологической защитой также неэффективно. Известно, что для оперативной метеорологической защиты принципиально важно полное совпадение по времени измерений спутниковых лабораторий и наземных наблюдений. Для круглосуточного спутникового информационного обеспечения с требуемой для метеорологической защиты регулярностью и достоверностью потребовалось бы создание специальных группировок спутниковых лабораторий - по числу защищаемых территорий.
Кроме того, текущие значения метеорологических параметров непосредственно на космическом спутнике не изменяются. Представление их в виде информации является результатом ряда математических переработок, что требует времени, приводит к запаздываниям и существенным погрешностям для точности воздействий, погрешностям измерений, зависящих от метода преобразований, и погрешностям, вызываемым мгновенными градиентами состояний атмосферы.
Актуальность задач метеорологической защиты в условиях роста числа катастрофических погодных проявлений приводит к необходимости создания новых систем управления активными воздействиями на атмосферные процессы, где на первое место выходят показатели эффективности и надежности при минимуме капитальных затрат.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение уровня, метеорологической защиты населенных территорий, обеспечение достоверности заблаговременного оповещения населения о непреодолимых и потенциально опасных катастрофических атмосферных явлениях при одновременном сокращении затрат на ее установку и поддержание ее непрерывной работы.
Технический результат достигается тем, что система управления метеорологической защитой населенных территорий с транспортными магистралями, высоковольтными линиями электропередач, промышленными и сельскохозяйственными инфраструктурами содержит центральный пункт управления, связанный линиями связи коммутации, управления и телеметрии, по меньшей мере, с двумя узловыми пунктами управления атмосферными процессами, каждый из которых содержит блок устройств активного воздействия на атмосферу и управляющее устройство, узловые пункты управления атмосферными процессами размещены на узловых пунктах транспортных магистралей, территориях промышленных и сельскохозяйственных инфраструктур и использует источники энергии мест их размещения, причем для связи узловых пунктов управления атмосферными процессами между собой и с центральным пунктом управления использованы линии связи общего пользования, телекоммуникации, линии электропередач, оптоволоконная связь железных дорог, при этом указанное управляющее устройство узлового пункта управления атмосферными процессами содержит блок радиометрической обстановки, штатные средства метеорологической измерительной техники, аналого-цифровой преобразователь метеорологических параметров, процессор, интернет-модем, адаптер протоколов связи, блоки управления устройствами активных воздействий на атмосферные явления и обеспечивает измерение и анализ метеорологической обстановки защищаемой населенной территории, выявление очага опасного состояния атмосферы, измерение расстояния до него, вычисление скорости его перемещения и уточнение его координат, данные с которого через аналого-цифровой преобразователь передаются на вход информационного блока, в который поступает информация из Интернета и центрального пункта управления и сравнивается с архивными данными опасных состояний атмосферы на защищаемой населенной территории, при обнаружении признаков подобия с опасными состояниями атмосферы информационный блок вырабатывает команду запроса данных о состоянии атмосферы защищаемых ими населенных территорий с соседних узловых пунктов управления атмосферными процессами и данные с их учетом предает в процессор, который формирует команды, поступающие по интерфейсам управляющих контроллеров к выбранным им устройствам активных воздействий, при этом, через адаптеры протоколов связи процессоры соседних узловых пунктов управления и центрального пункта управления атмосферными процессами обеспечивают взаимную ориентацию направлений воздействия на очаг опасного состояния атмосферы соседних устройств активных воздействий до полного его разрушения.
Заявленная система метеорологической защиты населенных территорий блок-устройств активных воздействий на атмосферные явления может содержать радиоизлучатели и тепловые инжекторы.
В ней целесообразно иметь четыре узловых пункта управления атмосферными процессами по числу сторон света.
Заявленная система управления метеорологической защитой населенных территорий обеспечивает автоматизированную координацию точечных активных воздействий на очаги микрофизических процессов в атмосфере защищаемых населенных территорий в моменты их возникновения, если места образования очагов этих процессов, поля геопотенциала и компонент локальных данных характеризуют процессы как потенциально опасные.
В качестве полиномов первого приближения для получения прогноза с заблаговременностью 12 часов на Востоке территории РФ используются регулярные сводки Национального центра США. С той же целью в Центральном районе РФ и на Севере РФ используются данные Росгидрометцентра. Данные Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды используются в Центральном районе и на Западе. Данные высокогорных экваториальных и арктических метеослужб обрабатываются на предмет предварительных оценок развития атмосферных процессов на Юге РФ.
Оценочный численный метеорологический прогноз обеспечивается значениями метеорологических величин, поступающих с указанных направлений. При этом, первый уровень достоверности прогноза поддерживается верификацией значений, поступающих централизованно, и значений метеорологических величин из узловых пунктов естественной сети точек управления метеорологической защитой, размещенных на населенных территориях инфраструктурой транспортных магистралей, высоковольтных линий электропередач, линий связи, структур промышленного и сельскохозяйственного производства.
Сеть указанных точек задается в процессоре центрального пункта управления атмосферными процессами декартовой системой координат и ориентирует оси координат на реальных географических картах защищаемых населенных территорий, представляя положения узловых пунктов метеорологической защиты в цифровом виде.
Узловые пункты управления атмосферными процессами базируются на инфраструктурах транспортных магистралей, линий электропередач, линий связи, предприятиях промышленности и сельскохозяйственного производства. Полнота информации о течении атмосферных процессов поддерживается данными о метеополях, создаваемых крупными внутренними и водными бассейнами.
Оперативностью активных воздействий на микрофизические атмосферные процессы над поверхностью водных бассейнов в осенний и летний периоды определяется конечный результат метеорологической защиты огромных территорий.
С этой целью узловыми пунктами управления атмосферными процессами оснащаются суда внутреннего плавания, речного и морского флота и населенные острова.
Узловые пункты управления атмосферными процессами как сеть точек метеозащиты благодаря простоте установки на действующих инфраструктурах показывают всю защищаемую населенную территорию.
Действующие инфраструктуры позволяют обеспечить узловые пункты управления атмосферными процессами электропитанием, линиями связи и передачи данных, охраной.
Для оперативного решения поставленной задачи на защищаемой территории на примере имеющей 13 часовых полюсов РФ необходимо иметь 2578 узловых пунктов управления атмосферными процессами. Множественные узловые пункты управления атмосферными процессами, естественно сложившиеся на пересечении транспортных магистралей с линиями связи, высоковольтными линиями электропередачи и ведомственными отраслевыми сетями создают благоприятные условия для их установки и скоординированного использования, так как в метеорологической защите заинтересованы все отрасли экономики.
Указанное число узловых пунктов управления атмосферными процессами эмпирически установлено по результатам многолетних наблюдений, экспедиций, анализа архивов, метеоданных, совмещенных с техническими характеристиками известных средств активных воздействий на атмосферные процессы.
Существующие в реальности сети инфраструктуры населенных территорий позволяют располагать узловые пункты с любым необходимым шагом чередования. Известно, что для 7-дневного прогноза крупномасштабных атмосферных процессов, охватывающих полушария, шаг должен быть не более 500 км.
Для решения более конкретной задачи, являющейся целью заявленного изобретения, шаг регулярности узловых пунктов должен быть не более 100-150 км в зависимости от рельефа местности и других факторов, влияющих на прохождение в тропосфере применяемого воздействия.
Построенная таким образом сеть узловых пунктов управления атмосферными процессами позволяет покрыть метеонаблюдениями, а при необходимости - точечными активными воздействиями на атмосферные явления на все населенные территории.
Очевидно, что заявленная система управления метеорологической защитой населенных территорий не требует привлечения авиа-, космических средств, капитальных затрат на создание инфраструктуры.
Все элементы системы управления метеорологической защитой населенных территорий размещаются на уже существующих площадях предприятий промышленности, транспорта, сельского хозяйства, энергетики и связи, используют их избыточные ресурсы по энергетике, пропускной способности каналов связи, вычислительные мощности.
Заявляемая система управления метеорологической защитой населенных территорий многократно повышает уровень их метеорологической защиты. В первую очередь это достигается резервированием внутри системы отдельных ее узловых пунктов управления атмосферными процессами по энергоснабжению, связи и информационно-вычислительному обеспечению за счет подключения соседних узловых пунктов управления атмосферными процессами к линиям связи, фидерам электроснабжения и компьютерам разных отраслей, имеющим свои штатные, выделенные, автономные и резервные источники.
Узловой пункт управления атмосферными процессами в системе управления метеорологической защитой населенных территорий является автономным метео-аналитическим комплексом, выполняющим все функции периферийного локального управления атмосферными процессами над закрепленной над ним территорией.
Узловые пункты управления атмосферными процессами размещаются в специально оборудованных помещениях на охраняемых территориях предприятий различных отраслей экономики, имеющих достаточные энергоинформационные ресурсы для подключения метеорологического оборудования.
Изобретение поясняется чертежом, на котором показана блок-схема заявленной системы управления метеорологической защиты населенных территорий.
Узловой пункт управления атмосферными процессами представляет собой комплекс, содержащий блок 6 устройств активных воздействий на атмосферные явления, таких как радиоизлучатели, тепловые инжекторы с интерфейсами 6.1 их управляющих контроллеров, и управляющее устройство.
Управляющее устройство узлового пункта управления атмосферными процессами содержит блок 1 радиометрического анализа метеорологической обстановки, состоящий из анализатора радиотеплового излучения 1.1, метеорологического радара - 1.2, модуля многодиапазонной радиолокационной станции 1.3,
- штатные средства 2 метеорологической измерительной техники, используемые для наблюдения за атмосферными процессами, измеряющие такие метеорологические параметры, как температура по горизонтали 2.1, температура по вертикали 2.2, скорость ветра 2.3, атмосферное давление 2.4, влажность 2.5, радиация 2.6, другие специальные параметры 2 N,
- аналого-цифровой преобразователь 3 метеорологических параметров, процессор 4,
- информационный блок 5,
- интернет-модем 5.1, адаптер протоколов связи 5.2,
- блок 7 управления углами направления радиоизлучателей,
- блоки 8 управления ориентацией тепловых инжекторов.
Узловые пункты управления атмосферными процессами работают под контролем центрального пункта управления ЦПУ заявленной системы.
Непрерывный обмен информацией и текущими метеорологическими параметрами между узловыми пунктами управления атмосферными процессами и центральным пунктом управления ЦПУ осуществляется по линиям связи 9, таким как линиям связи общего пользования, каналам телеметрии высоковольтных линий электропередач, оптоволоконным линиям связи транспортных магистралей, а при необходимости дублируется по резервным и выделенным линиям.
Линии связи общего пользования и сети выделенных линий связи, имеющие доступ в Интернет, обеспечивают узловые пункты управления атмосферными процессами и центральный пункт управления ЦПУ прогнозной информацией из всех метеослужб. В режиме стационарного течения атмосферных процессов работа всей системы управления метеорологической защиты населенных территорий состоит в сборе, анализе текущей метеорологической информации, численном моделировании, прогнозе, сравнении с данными многолетних наблюдений для зон ответственности каждого узлового пункта управления атмосферными процессами.
При этом функцией центрального пункта управления ЦПУ остается контроль за работой узловых пунктов и архивизация данных.
В реальной обстановке при возникновении опасных атмосферных явлений заявленная система управления метеорологической защитой срабатывает по одному из множества ситуационных алгоритмов.
Наиболее сложной для эффективного применения активных воздействий на атмосферные процессы с целью их коррекции и нормализации погодных условий является такая ситуация, когда опасные атмосферные процессы развиваются стремительно, а микроскопические атмосферные образования, сливаясь, могут образовывать мощные фронты и циклоны.
Обычно такие ситуации, даже будучи синоптически установленными на уровне краткосрочных прогнозов, не проявляются в зонах с заранее точно указанными координатами и в расчетное время. Только непрерывное сканирование пространств над зонами ответственности узловых пунктов управления атмосферными процессами приводит к выявлению точных координат и векторов развития аномалий.
Непрерывное сканирование атмосферы блоком 1 радиометрического анализа проводят параллельно анализатор 1.1 радиотеплового излучения, доставляющий данные по интегральной радиояркостной температуре зондируемой области, то есть по активной температуре, измеряемой по уровню мощности на выходе антенного усилителя, метеорологический родар 1.2, измеряющий расстояние до потенциально опасной зоны, несущей аномальный микропроцесс и вычисляющий скорость его продвижения. Модуль 1.3 многодиапазонного радиолокационного обзора излучает и принимает отраженные сигналы в различном диапазоне длин волн в импульсно-доплеровском режиме и позволяет уточнить координаты по задержке отраженного пилотного сигнала по доплеровскому сдвигу частоты сигнала. Штатно измеряемые метеопараметры 2.1-2.6 непрерывно оцифровываются аналого-цифровыми преобразователями 3 и в виде двоичного кода поступают на вход информационного блока 5, на другие входы которого непрерывно поступают оцифрованные данные из блока радиометрического анализа, а также информация из Интернета и центрального пункта управления системой ЦПУ.
Информационный блок 5 обеспечивает простейшую верификацию поступающих данных путем их представления в виде таблиц матриц состояния атмосферы контролируемой населенной территории и сравнения с таблицами матриц опасных состояний атмосферы для контролируемой населенной территории. При обнаружении признаков подобия матрицы опасных состояний атмосферы для контролируемой населенной территории из базы данных матрице состояния атмосферы, полученной путем оперативных измерений, информационный блок вырабатывает команду запроса данных с соседних узловых пунктов управления атмосферными процессами.
Продолжение верификации поступающих данных после получения ответа на запрос производится в информационном блоке 5 путем сравнения матриц n размерностью m, определяемой числом метеорологических параметров.
Перебор элементов [а], [в], [вn] указанных матриц и вычисление их определителей осуществляется в соответствии с местами этих элементов в членах определителей, полученных при раскрытии определителей указанных матриц. При этом исходной матрицей [а] является матрица максимальной заданной размерности, члены определителя которой сгруппированы таким образом, что они расположены в порядке возрастания размерности матриц от 2-го порядка до i-го.
Процесс верификации, основанный на матричных операциях, позволяет в 90% случаях сложных атмосферных ситуаций выработать команду на применение активных воздействий непосредственно на информационно-вычислительной базе узлового пункта управления атмосферными процессами.
Выявленные методом матричного анализа характер атмосферной аномалии и динамика развития соответствующих микрофизических атмосферных процессов приводят к выработке в информационном блоке 5 команды в процессор 4, который по составу команды формирует собственные команды, поступающие по интерфейсам 6.1 управляющих контроллеров к выбранным устройствам 6 активных воздействий.
В зависимости от характера микрофизических атмосферных процессов активные воздействия на них производятся путем чередования излучений в широком спектре частот коротковолнового диапазона с регулируемой мощностью излучения. Другими модулями активных воздействий могут быть входящие в состав узлового пункта управления атмосферными процессами лазерные излучатели, тепловые инжекторы, ракетные установки, ионизаторы.
В зависимости от заданного процессором 4 устройства активных воздействий или комбинации различных устройств активных воздействий под управлением процессора 4 блоки 7 управления углами направления радиоизлучателей и блоки 8 управления ориентацией тепловых инжекторов непрерывно контролируют углы направления радиоизлучений и зоны активных воздействий на защищаемой населенной территории.
Через адаптеры 5.2 протоколов связи процессоры 4 соседних узловых пунктов управления атмосферными процессами осуществляют взаимную координацию углов направления действия соседних устройств 6 активных воздействий для ведения аномальных опасных атмосферных образований до полного их разрушения.
В 10% метрологических ситуаций, приходящихся на самые стремительно развивающиеся аномальные атмосферные образования, захватывающие крупномасштабные пространства в зоне ответственности заявленной системы, управление метеорологической защитой населенных территорий поступает под полный контроль центрального пункта управления ЦПУ.
При этом вся информационно-вычислительная мощность всех узловых пунктов управления атмосферными процессами складывается, что позволяет использовать более сложные алгоритмы защиты населенных территорий путем активных воздействий.
1. Система управления метеорологической защитой населенных территорий с транспортными магистралями, высоковольтными линиями электропередач, промышленными и сельскохозяйственными инфраструктурами, содержащая центральный пункт управления, связанный линиями связи коммутации, управления и телеметрии, по меньшей мере, с двумя узловыми пунктами управления атмосферными процессами, каждый из которых содержит блок устройств активного воздействия на атмосферу и управляющее устройство, узловые пункты управления атмосферными процессами размещены на узловых пунктах транспортных магистралей, линиях электропередач, территориях промышленных и сельскохозяйственных инфраструктур, и используют источники энергии мест их размещения, причем для связи узловых пунктов управления атмосферными процессами между собой и с центральным пунктом управления использованы линии связи общего пользования, телекоммуникации линий электропередач, оптоволоконная связь железных дорог, при этом указанное управляющее устройство узлового пункта управления атмосферными процессами содержит блок радиометрического анализа метеорологической обстановки, состоящий из анализатора радиотеплового излучения, метеорологического радара, модуля многодиапазонной радиолокационной станции, штатные средства метеорологической измерительной техники, аналого-цифровой преобразователь метеорологических параметров, процессор, Интернет-модем, адаптер протоколов связи, блоки управления углами направления и ориентацией устройств активных воздействий на атмосферные явления и обеспечивает измерение и анализ метеорологической обстановки защищаемой населенной территории, выявление очага опасного состояния атмосферы, измерение расстояния до него, вычисление скорости его перемещения и уточнение его координат, данные с которого через аналого-цифровой преобразователь передаются на вход информационного блока, в который поступает информация из Интернета и центрального пункта управления и сравнивается с архивными данными опасных состояний атмосферы на защищаемой населенной территории, при обнаружении признаков подобия с опасными состояниями атмосферы информационный блок вырабатывает команду запроса данных о состоянии атмосферы защищаемых ими населенных территорий с соседних узловых пунктов управления атмосферными процессами и данные с их учетом предает в процессор, который формирует команды, поступающие по интерфейсам управляющих контроллеров к выбранным им устройствам активных воздействий, при этом через адаптеры протоколов связи процессоры соседних узловых пунктов управления и центрального пункта управления атмосферными процессами обеспечивают взаимную ориентацию направлений воздействия на очаг опасного состояния атмосферы соседних устройств активных воздействий до полного его разрушения.
2. Система метеорологической защиты населенных территорий по п.1, отличающийся тем, что блок устройств активных воздействий на атмосферные явления содержит управляемые радиоизлучатели и тепловые инжекторы.
3. Система метеорологической защиты населенных территорий по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она имеет четыре узловых пункта управления атмосферными процессами по числу сторон света.
