Разработка имитационной модели системы геомониторинга

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

города Новосибирска «Средняя общеобразовательная школа № 82»

Направление: инженерно-технологическое

Разработка имитационной модели системы геомониторинга

                                                 Автор: Зубаков Глеб,

Бузюргин Владислав

                                               МБОУ СОШ № 82,

7и класс,

             Дзержинский район г. Новосибирска

Консультанты проекта: Кольцова

             Мария Николаевна,

             учитель информатики и математики

             высшей квалификационной категории,

Коробицин

             Андрей Борисович,

             учитель технологии, первая квалификационная категория

Контактный телефон руководителя:

8-993-027-37-82

г. Новосибирск, 2020

Паспорт проекта

Проект: «Разработка имитационной модели системы геомониторинга»

Участник проекта: Зубаков Глеб, Бузюргин Владислав

Консультант проекта: учитель высшей категории Кольцова Мария Николаевна

Класс: 7и

Название, номер учебного учреждения, где выполнялся проект: МБОУ СОШ №82 г. Новосибирска

Предметная область: физика, математика, робототехника

Время работы над проектом: сентябрь 2019г. – март 2020г.

Формулировка проблемы: В настоящее время для контроля деформаций и предупреждения чрезвычайных ситуаций (ЧС) на техногенных объектах (ТО) используют различные системы мониторинга инженерных конструкций (СМИК) с разной степенью автоматизации, т.е. необходимо присутствие человека в той или иной степени. Всегда появляется риск частичного или полного отказа используемой системы или невозможность непосредственного присутствия человека на объекте для контроля разрушающих процессов.

Цель проекта: разработка имитационной модели системы геомониторинга техногенных объектов без непосредственного присутствия человека на объекте

Задачи проекта:

- анализ источников по теме исследования;

- разработка модели для проведения эксперимента;

- проведение эксперимента на модели, получение экспериментальных данных,

- вывод по результатам эксперимента;

Тип проекта: поисковый, исследовательский.

Используемые технологии: имитационное моделирование, анализ данных по результатам  эксперимента

Форма продукта проекта: построенная имитационная модель измерения системы геомониторинга техногенных объектов

Содержание: Понятие геодезического мониторинга. Современные системы мониторинга. Свойства систем. ГОСТ Р 22.1.12-2005. Исследование техногенных объектов. Разработка модели. Эксперимент. Анализ данных исследования модели.

Исследование:

- разработка методики анализа результатов измерений имитационной модели системы геомониторинга

- экспериментальная проверка результатов измерений имитационной модели системы геомониторинга

Область применения результатов проекта:

- учебная: при изучении таких тем, как «датчик расстояния», «сервомотор» и др. Особенно эффективными и эмоциональными такие уроки будут в школьных классах инженерного профиля.

- в специализированных классах естественнонаучного и инженерного профиля: при изучении измерения расстояния при движение

- для предотвращения чрезвычайных происшествий: отслеживание изменений в техногенных объектов и принятие мер для предотвращения

Результативность:

- разработана имитационная модель системы геомониторинга техногенных объектов

- проведен эксперимент на модели

- получены экспериментальные данные

- сделан вывод по результатам эксперимента

Внешняя оценка работы:

- работа оценена дипломом второй степени на Всероссийском конкурсе «Большие вызовы 2020» проектов учащихся

Оглавление

Введение. 5

Цель: 6

Задачи: 6

Основная часть. 7

Эксперимент. 11

Заключение. 11

Список литературы: 11

Приложение. 12

Введение

В настоящее время для контроля деформаций и предупреждения чрезвычайных ситуаций (ЧС) на техногенных объектах (ТО) используют различные системы мониторинга инженерных конструкций (СМИК) с разной степенью автоматизации.

Сбор данных в СМИК осуществляется с помощью разнообразного геодезического оборудования: инклинометры, тензодатчики, щелемеры, датчики давления, лазерные сканеры, роботизированные тахеометры, беспилотные летательные аппараты. Однако такие системы в любом случае требуют непосредственного присутствия и/или участия человека в процессе мониторинга, что снижает надежность этих систем и повышает риск техногенной аварии.

Нормативная база для установки и внедрения СМИК создана (ГОСТ Р 22.1.12-2005) и ведется активная работа по внедрению СМИК на ТО. Какой бы отказоустойчивой ни была система мониторинга техногенной аварии, всегда есть риск ее возникновения из-за неучтенного человеческого, технического или других факторов. Это может повлечь за собой частичный или полный отказ используемой системы или невозможность непосредственного присутствия человека на объекте для контроля разрушающих процессов.

Для решения таких задач геомониторинга техногенного объекта в непригодных для человека условиях необходима разработка новой методики, связанной с робототехническими и интеллектуальными системами, предполагающими определенный, более высокий уровень самоорганизованности группы мобильных автономных роботов.

Цель:

 - разработка имитационной модели системы геомониторинга техногенных объектов.

Задачи:

- анализ источников по теме исследования;

- разработка модели для проведения эксперимента;

- проведение эксперимента на модели, получение экспериментальных данных, вывод по результатам эксперимента;

Основная часть

Мы изучили, обратившись к Википедии, что такое чрезвычайная ситуация техногенного характера.

Чрезвычайная ситуация техногенного характера - событие, ограниченное определенной территорией, произошедшее в связи с промышленной аварией или иным бедствием, несущее отрицательные последствия для жизнедеятельности человека, функционирования различных социальных институтов, которое привело к жертвам и вызвало большие материальные потери. Количество чрезвычайных ситуации возрастает ежегодно в геометрической прогрессии. Это вызвано усложнением технологии производства различных материалов и продуктов, расширением производственных мощностей, понижением или повышением требований к квалификации сотрудников индустриальных предприятий.
Все это приводит также к увеличению масштабов техногенных катастроф и вреду, который они наносят экономике, рынку, обществу и экологическому состоянию окружающей среды.

Техногенные катастрофы сопутствуют человеческой жизнедеятельности и напрямую связаны с ней.

Именно поэтому человека, его умышленные или неумышленные действия, можно назвать основной причиной их появления.
Вместе с тем выделяют следующие, более объективные, причины возникновения техногенных ЧС:

·         неудачное размещение объектов производства, хозяйственной или социальной инфраструктуры, в результате которого может возникнуть масштабная техногенная катастрофа;

·         отсталость в технологиях, применяемых при производстве; недостаточная внедряемость энергосберегающих и иных инновационных процессов;

·         высокий износ производственного оборудования, приводящий к предаварийным ситуациям;

·         увеличение производственных мощностей, приводящее к недостатку транспортных средств и нарушению техники безопасности;

·         недостаток высококвалифицированных работников, низкий уровень комфортности при производстве;

·         снижение производственной дисциплины, низкая ответственность должностных лиц;

·         отсутствие внутреннего контроля на объекте за существующими производственными технологиями;

·         низкий уровень техники безопасности, отсутствие соответствующих функциональных должностей;

·         недостатки существующих нормативных правовых актов, регулирующих технологические процессы;

·         воздействие внешних природных факторов, приводящих к образованию предаварийных ситуаций;

·         конструктивные недостатки при строительстве зданий, объектов хозяйственной и социальной инфраструктуры;

·         низкий уровень управления контролем доступа в здание.

Согласно ГОСТ Р 22.1.12-2005 существуют определенные категории техногенных объектов, представляющих максимальную потенциальную опасность для окружающей среды и человека. Сделан вывод о том, что в первую очередь целесообразно провести изучение категорий техногенных объектов, установленных государством РФ как потенциально-опасных.

На объектах коммунального хозяйства ежегодно происходит более 120 крупных аварий, материальный ущерб исчисляется десятками миллиардов рублей. В последние годы каждая вторая авария случалась на сетях и объектах теплоснабжения, каждая пятая — на сетях водоснабжения и канализации.

Анализ опасностей техногенного характера и их причин позволяет сделать вывод, что основными источниками техногенной опасности, как правило, является хозяйственная деятельность человека, направленная на получение энергии, развитие энергетических, промышленных, транспортных и других комплексов.

Причины техногенных аварий и катастроф обусловлены:

·        ростом сложности производства с применением новых технологий, требующих высоких концентраций энергии, опасных для жизни че­ловека веществ и оказывающих ощутимое воздействие на компоненты окружающей среды;

·        утраченной надежностью производственного оборудования, транспортных средств, несовершенством и устарелостью технологий;

·        опасными природными процессами и явлениями, способными вызвать аварии и катастрофы на промышленных и других объектах, а также «человеческим фактором», связанным с нарушением технологической и трудовой дисциплины, низким уровнем подготовки в области безопасности.

Существующие системы мониторинга осуществляют в режиме реального времени контроль изменения состояния оснований, строительных конструкций зданий и сооружений; сооружений инженерной защиты, зон схода селей, оползней, лавин в зоне строительства и эксплуатации объекта мониторинга с целью предупреждения чрезвычайных ситуаций.

В случае возникновения дестабилизирующего фактора на объектах, относящихся к той или иной категории ГОСТ Р 22.1.12-2005, применить традиционный геодезический мониторинг не будет представляться возможным, так как повышается инженерный риск обрушения здания (сооружения), величина, зависящая от степени повреждения и характеризующая вероятность обрушения здания (сооружения) для рассматриваемого интервала времени.

В качестве метода исследования использовано имитационное моделирование и программные вычисления на компьютере.

С помощью датчиков на сервер будут передавать отклонения от нормы. тем самым можно будет отследить и предупредить чрезвычайную ситуацию.

На рисунке приведена разработанная модель системы и макет здания. Составными элементами модели являются: Arduino UNO и ультразвуковой дальномер -  блок сбора и обработки данных, сервопривод - активирует обрушение крыши здания.

Схема эксперимента:

Эксперимент

Суть эксперимента в следующем.

Над зданием в определенной точке закреплен ультразвуковой дальномер, он является моделью беспилотного летательного аппарата - квадрокоптера, обладающего возможностью определения абсолютных высотных координат. Дальномер передает данные о расстоянии до крыши на устройство обработки данных -  Arduino UNO. В определенный момент сервопривод поворачивает вал и инициирует обрушение крыши здания. В этот же момент дальномер продолжает отсылать значения значительно большие, относительно предыдущих. Все данные фиксируются в истории событий программы Arduino IDE. Данные проанализированы и сделаны выводы о том, что модель пригодна для использования. Данные о положении в пространстве разрушающихся элементов зданий, возможно, получать оперативно при помощи БПЛА как части блока сбора данных системы геомониторинга. Написана программа для Arduino UNO (Приложение 1).

Заключение

Достигнута цель нашего исследования - разработана имитационная модель системы геомониторинга техногенных объектов.

Выполнены следующие задачи для достижения цели:

-         выполнен анализ источников и разработок по теме исследования;

-         разработана модель для проведения эксперимента;

-         проведен эксперимент на модели, получены экспериментальные данные, сделан вывод по результатам эксперимента.

Список литературы:

1.      Акимов В. А., Владимиров В. А., Измалков В. И. Катастрофы и безопасность / МЧС России. М.: Деловой экспресс, 2006.

2.     Безопасность жизнедеятельности. Безопасность в чрезвычайных ситуациях природного и техногенного характера : учеб, пособие / В. А Акимов, Ю.Л. Воробьев, М.И. Фалеев [идр.]. М.: Высш. шк., 2006.

3.     Безопасность России. Анализ риска и проблем безопасности: в 4 ч. / науч. руковод. К. В. Фролов. М.: МГОФ «Знание», 2006—2007.

4.     https://www.garant.ru/products/ipo/prime/doc/70041358/

5.     https://cdat.ru/content/view/31

6.     https://allgosts.ru/13/110/gost_r_22.1.12-2005

Приложение

Программа:

#define PIN_TRIG 6

#define PIN_ECHO 7

long durathion, cm;

#include <Servo.h>

Servo myservo;  // create servo object to control a servo

int potpin = 0;  // analog pin used to connect the potentiometer

int val;    // variable to read the value from the analog pin

int i = 0;

void setup() {

Serial.begin (9600);

pinMode(PIN_TRIG, OUTPUT);

pinMode(PIN_ECHO, INPUT);

  myservo.attach(9);  // attaches the servo on pin 9 to the servo object

}

void loop() {

 digitalWrite(PIN_TRIG, LOW);

 delayMicroseconds(5);

 digitalWrite(PIN_TRIG, HIGH);

delayMicroseconds(10);

digitalWrite(PIN_TRIG, LOW);

durathion = pulseIn(PIN_ECHO, HIGH);

cm = (durathion / 2) / 29.1;

Serial.print("Расстояние до объекта:");

Serial.print(cm);

Serial.println("cm.");

delay(200);

i = i+1;

if (i>50)

{ myservo.write(0);}

else{myservo.write(25);}

}