1. Постановка задачи.

В экологическом мониторинге состояния объекта уничтожения химического оружия (или сходного по опасности производства) большое значение имеет возможность отслеживания в реальном времени последствий выброса отравляющего (опасного) вещества. Необходимо знать как движется облако, куда оно может направиться, а также где и сколько выпадает ОВ. Существующие методики позволяют оценивать размеры пятна загрязнения только постфактум, когда облако аэрозоля полностью растворилось и выпало в осадок. Более того, скорость ветра в этих методиках предполагается постоянной как по величине, так и по направлению (см. например [1]). Поэтому представляется важным иметь возможность во-первых, отслеживать траекторию перемещения аэрозольного облака в реальном времени, при переменном ветре и, во-вторых, вычислять величину выпадения ОВ в следе такого облака.

Для решения такой задачи была разработана специальная программа, которая представляет на карте местности поведение аэрозольного облака и величину осадков (см. рис.1) исходя из следующих данных:

1 - массы выброса ОВ, здесь и далее это порядка 500 кг;

2 - метеоданных - таких, как направление и скорость ветра, класс устойчивости атмосферы и, в перспективе, наличие и сила осадков;

3 - картографических данных представленных в электронном виде - учитывается параметр шероховатости (трава, лес, застройка и т.п.).

рис.1

Следует отметить, что в существующих методиках параметр шероховатости предполагается постоянным и учет его изменчивости представлял собой отдельную проблему.

Решение задачи в предложенной постановке позволило не только количественно оценить величину и распределение осадков, но и представить распространение аэрозоля в реальном времени.

2. Предприятие, на котором внедрено решение

Данная программа разработана и используется в Институте проблем управления РАН.

3. Используемое оборудование и программное обеспечение National Instruments

Программа выполнена в среде программирования LabVIEW 7.0

4. Описание решения

В данном проекте используется гауссовская модель распределения примеси, которая хорошо подтверждается экспериментально и даже имеет достаточное теоретическое обоснование (см. [2]). Это значит, что распределение примеси в лагранжевых координатах при условии поглощения на границе имеет вид:

Здесь f_oc - функция истощания облака за счет оседания ОВ, М - масса выброса ОВ, σ_i - дисперсии по соответствующим осям, u₁ - скорость ветра вдоль оси х, h -высота расположения источника загрязнения, v - скорость оседания частиц загрязнителя.

Основная проблема заключается в определении дисперсий о (или, эквивалентно, коэффициентов турбулентной диффузии). Как и в [1], в этом проекте используется модель Смита - Хоскера, в которой учитывается шероховатость земной поверхности под зараженным облаком, а также метеорологические параметры наиболее простым образом. Главная сложность использования этой модели заключалась в том, что дисперсии пропорциональны пройденному пути, а от степени шероховатости зависят дискретно. Таким образом получалось, что диаметр облака при порыве ветра или при смене типа подстилающей поверхности менялся немонотонно, скачками. В существующих методиках расчет пятна загрязнения не учитывает динамику изменения скорости ветра и шероховатости подстилающей поверхности. В данной работе движение облака представляется дискретным так, что фиксируются его положения через равные промежутки времени (см.рис.). Поэтому предложено разлагать дисперсии по малому параметру δs/s, где s - пройденный путь, a δs -расстояние пройденное за шаг, и выражать значения дисперсий на каждом шаге через их значения на предыдущей итерации. В явном виде это выглядит следующим образом:

рис. 2

Здесь σ_i^old - значение дисперсий на предыдущей итерации процесса, g(s) - некая определенная функция пройденного пути, а а,Ь,с,d,е - коэффициенты Смита -Хоскера, которые зависят от параметра шероховатости и класса устойчивости атмосферы. Коэффициенты с,d,е меньше единицы, а c,d - значительно (10^-1 -10^-4) меньше единицы. Из (3) и (4) видно, что через 3-4 итерации от начала и при всех реальных скоростях ветра (даже до 50 м/с) такое разложение вполне допустимо. В результате получается картина типа той, что изображена на рис. 2. Кажущаяся ассиметрия следа облака отчасти объясняется тем, что ветер поворачивается практически по кругу и вначале оно просто топчется на месте.

5. Преимущества технологий National Instruments

Использование пакета LabVIEW позволило относительно легко и быстро написать и отладить программу.

6. Перспективы внедрения и развития решения

Данная программа разработана на стадии предварительного проектирования системы экологического мониторинга на объекте уничтожения химического оружия. Представляется перспективным при внедрении разработанной программы учесть влияние осадков на процесс осаждения ОВ. Также было бы весьма полезно предсказывать возможное направление перемещения облака. Программу предполагается использовать в комплексе экологического мониторинга на объектах уничтожения химического оружия.

Список литературы

[1] Методика прогнозирования развития и последствий аварийных ситуаций на объектах уничтожения химического оружия. Под.ред. Т.Н. Швецовой-Шиловской, Москва 2001

[2] А.С. Монин, A.M. Яглом «Статистическая гидромеханика», ч.1 «Наука», Гл. ред. Физ.-мат. лит., Москва 1965.