РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ |
(19)
RU
(11)
2 583 234
(13)
C1 | |||||
| ||||||
| Статус: | не действует (последнее изменение статуса: 02.07.2021) |
| Пошлина: | учтена за 3 год с 01.01.2017 по 31.12.2017. Возможность восстановления: нет. |
|
(21)(22) Заявка: 2014154633/28, 31.12.2014 (24) Дата начала отсчета срока действия патента: Приоритет(ы): (22) Дата подачи заявки: 31.12.2014 (45) Опубликовано: 10.05.2016 Бюл. № 13 (56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 2344226 C1, 20.01.2009. RU 2484209 С1, 10.06.2013. И.Ю.Олтян и др. Комплексное обеспечение безопасности морских объектов Штокмановского газоконденсатного месторождения (часть 2) / Технологии гражданской безопасности, 2012, т.9, N4(34), стр.16. Адрес для переписки: |
(72) Автор(ы): (73) Патентообладатель(и): |
(54) СИСТЕМА ОСВЕЩЕНИЯ ЛЕДОВОЙ ОБСТАНОВКИ И ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛЕДОВЫХ ОБРАЗОВАНИЙ НА МОРСКИЕ ОБЪЕКТЫ ХОЗЯЙСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
(57) Реферат:
Изобретение относится к системам освещения ледовой обстановки и предотвращения воздействия ледовых образований на морские объекты хозяйственной деятельности. Сущность: система включает средства мониторинга гидрометеорологической обстановки в регионе размещения морских объектов хозяйственной деятельности, средства определения характеристик ледовых образований, средства защиты от воздействия ледовых образований, средства отображения ледовых образований, систему контроля состояния кессона, командно-управляющий комплекс, соединенный со средствами мониторинга гидрометеорологической обстановки, средствами определения характеристик ледовых образований и средствами защиты от воздействия ледовых образований. Причем средства защиты от воздействия ледовых образований выполнены способными выдерживать нагрузку, сравнимую с критической нагрузкой, возникающей при ударе ледяного массива. Система контроля состояния кессона включает датчик деформации для измерения ледовых нагрузок на кессон, инклинометр для измерения наклонов кессона, грунтовой динамометр для измерения нагрузки на грунт, преобразователь давления (пьезометр) для измерения и оценки возможного повышения избыточного давления в грунтах от динамических горизонтальных нагрузок. Средства защиты от воздействия ледовых образований выполнены в виде подводных и надводных модулей. При этом подводные модули снабжены холодильными агрегатами. Надводные модули выполнены в виде выдвижных конструкций и беспилотных летательных аппаратов, снабженных устройствами автоматического дозирования химических реагентов, наносимых на ледовое образование, в виде карбида кальция. Технический результат: повышение надежности защиты морских объектов хозяйственной деятельности в периоды льдообразования, дрейфа и торошения ледяных полей, расположенных в условиях как мелкого, так и глубокого морей. 2 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к системам освещения ледовой обстановки и предотвращения воздействия ледовых образований на морские объекты хозяйственной деятельности.
Известен способ разрушения ледяного покрова для морских ледоколов, основанный на использовании архимедовой силы, который заключается в том, что берут автономный подводный аппарат, состоящий из пустой емкости объемом 100 м3, полого треугольного в сечении гаргрота объемом 20 м3 и машинного отделения, которое связывают с ледоколом силовым электрическим кабелем. Опускают аппарат под лед и с помощью пульта управления, расположенного на борту ледокола, водометного двигателя и подводят его к месту разрушения льда. Открывая шибер, наполняют емкость забортной водой. Гаргрот обеспечивает плавучесть всего аппарата, опирающегося гаргротом на нижнюю кромку льда, воздух из гаргрота при заполнении емкости водой выпускают через обратный клапан. Насосом через трубу и обратный клапан откачивают воду из емкости и создают архимедову силу, равную 100 тоннам, с помощью которой в месте соприкосновения острой кромки гаргрота со льдом превышают временное сопротивление льда сдвигу, равное 30 кг/см2, почти в 5 раз. Давление в гаргроте уменьшают до 0,2 атм. После образования во льду трещины ледокол и аппарат продвигают вперед. Устройство состоит из емкости, гаргрота, машинного отделения, силового электрического кабеля, водометного двигателя с поворотным соплом, водяного насоса с электроприводом, обратного клапана, имеющего возможность только выпускать воду из емкости, заборной трубы, шибера, имеющего возможность заполнять емкость забортной водой, и обратного клапана, имеющего возможность выпускать воздух из гаргрота при заполнении емкости забортной водой. Разрушается ледяной покров толщиной 2,5 и более метров (патент RU №2326785 С1, 20.06.2008 [1]).
Известен также способ разрушения ледового покрова и приставка к судну для его осуществления (патент RU №2213675 С2, 10.10.2003 [2]).
Разрушение ледового покрова с надрезкой ограниченного участка ледового покрова осуществляют струями воды, пароводяной смеси или пара, нагреваемыми в теплогенераторе. Струи направляют под углом к поверхности воды, чтобы при надрезании образовывались куски льда с гранями под углом к поверхности воды, а струям придают вращательное движение. Под ледовый покров подается сжатый воздух, предназначенный для предварительного напряжения ледового покрова перед разрушением. После надрезки ледового покрова через лед по щели надрезки пропускают электрический ток в воду. Ледокольная приставка к судну содержит клинообразный каркас, обшивка которого образует вогнутые скулы в виде двухстороннего плуга с верхним ледоразводящим гребнем. Она снабжена одним соединенным через теплогенератор коллектором с соплами. Одно из сопел имеет завихритель, предназначенный для придания потоку рабочего тела вращательного движения. Приставка к судну снабжена включенным в электрическую цепь скользящим контактом под коллектором с соплами, предназначенным для разрушения ледового покрова воздействием электрического тока через ледяной покров и воду. Приставка к судну снабжена механическим или гидравлическим приводом, предназначенным для ее подъема и опускания. Достигается снижение затрат мощности, энергоресурсов и денежных средств для доставки грузов водным путем в условиях ледового покрова водной поверхности.
Известен также способ разрушения ледяного покрова для всплытия подводной лодки (патент RU №2085432 С1, 27.07.1997 [3]). Сущность изобретения: способ разрушения льда для всплытия подводной лодки (ПЛ), включающий подачу струи нагретой жидкости к поверхности льда. Процесс разрушения льда происходит при всплытии ПЛ на перископную глубину и корректировки ее положения. С помощью штанг с насадками, с обеспечением минимального зазора между ними и нижней поверхностью льда подают теплую воду и таким образом протапливают лед по всему периметру ПЛ, образуя прорези. Затем подводят ПЛ под участок протопленных в толще льда прорезей, создают положительную плавучесть, взламывают корпусом ослабленный прорезями лед и всплывают в надводное положение. В качестве нагретой жидкости используется вода из циркуляционной трассы, выбрасываемая на штатных режимах за борт, что исключает необходимость размещения на ПЛ громоздкого оборудования (теплообменных аппаратов, насосов и т.п.) и дополнительные расходы энергии на нагрев и перекачку воды.
Известны также способы разрушения ледяного покрова путем выполнения взрывов.
Известный способ разрушения ледяного покрова включает установку под лед на расстоянии друг от друга зарядов взрывчатого вещества и их подрыв. Для повышения эффективности разрушения льда взрывами подрыв зарядов производят поочередно, причем каждый из последующих зарядов подрывают с интервалом времени, равным времени прохождения вершины изгибно-гравитационной волны (ИГВ) от места взрыва предыдущего заряда (авторское свидетельство SU №1820188 [4]).
Недостатком данного способа является то, что при проведении взрывных работ для увеличения ледоразрушающей способности ИГВ накапливается только энергия прямого движения воды и ледяного покрова, т.е. колебательного движения, направленного вверх против силы гравитации. Накопление энергии обратного движения вниз в направлении силы тяжести при известном способе не происходит, т.е. возможность увеличения энергии ИГВ используется не в полной мере. Кроме того, после взрыва образуются малые и средние ледяные поля, которые при соответствующих гидрометеорологических условиях будут продолжать движение в сторону, например, морского нефтегазового терминала, создавая угрозу его повреждения или разрушения.
Известен также способ разрушения ледяного покрова, который заключается в том, что под лед устанавливают несколько зарядов, которые подрывают с интервалом времени, равным времени прохождения изгибно-гравитационной волны от места подрыва предыдущего до места подрыва последующего зарядов. При этом дополнительно на лед устанавливают заряды взрывчатых веществ, которые подрывают одновременно с подрывом зарядов, установленных под ледяным покровом. При этом каждый заряд, расположенный над ледяным покровом, устанавливается на расстоянии от каждого заряда, расположенного под ледяным покровом, равном половине длины изгибно-гравитационной волны, что позволяет увеличить амплитуду изгибно-гравитационной волны и тем самым повысить эффективность разрушения ледяного покрова взрывами (патент RU №2124178 [5]). Сущность изобретения заключается в повышении эффективности разрушения ледяного покрова взрывами.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в увеличении амплитуды ИГВ, возбуждаемых подрывом зарядов взрывчатого вещества.
Существенным недостатком известных способов является то, что они позволяют достичь технического эффекта на акваториях, свободных от объектов хозяйственной деятельности, расположенных на акваториях морей, и практически не пригодны в районах расположения таких объектов хозяйственной деятельности, как морские добычные газонефтяные комплексы.
Широко известные способы разрушения льда, основанные на гидравлическом и тепловом методах, также не нашли широкой промышленной применимости из-за их существенных недостатков.
Гидравлический метод разрушения льда в практике известен уже давно. В частности, такой метод применяют при гидротехническом строительстве, когда в зимнее время подготавливают фронт работы для земснарядов. При этом используют мощные гидромониторы, которые струей воды под большим давлением разрушают лед. Применение такого метода требует обеспечения большого давления воды. Для обеспечения большого давления струи воды необходимы мощные установки, что экономически не оправдано.
Тепловой метод включает в себя резание льда с помощью газовых, бензиновых или иных горелок (бензиновый резак). В начальный момент лед начинает быстро таять, но в дальнейшем вода, образующаяся в результате таяния верхнего слоя льда, препятствует интенсивному таянию нижних слоев льда. При этом процесс таяния льда резко замедляется. Результаты проведенных работ не подтвердили мнения о целесообразности использования данного способа.
Как известно, основными динамическими факторами, формирующими ледяной покров, являются ветер, течения и колебания уровня. Существенное влияние на характер процессов торошения оказывают также мелководность, извилистость береговой черты и довольно сложный рельеф дна с большим количеством банок, кос и островов. Все это обусловливает особенности динамики льдов, происходящих на ледовитых морях России. В начальный период формирования ледяного покрова на морском мелководье, когда граница молодых льдов распространяется от берега до глубин 2-3 м, наряду с характерными для всех ледовитых морей зубчато-наслоенными льдами во время подвижек и торошения льда образуются торосы, сидящие на мели, - стамухи.
Перечисленные выше факторы существенно влияют на размеры и места их расположения, поэтому различают стамухи по времени и месту их появления, а также по виду льда, из которого они образуются. Характерной особенностью неподвижных стамух, позволяющей отличать их от движущихся вместе с дрейфующим льдом торосов, является образование т.н. «водяной тени» с их подветренной стороны во время ледовых подвижек.
Ввиду того, что зимой наряду с процессами льдообразования постоянно происходят противоположные процессы разрушения льда, для зоны контакта припая с дрейфующими льдами характерны ее сезонные смещения. Образованию торосов на границе припая и дрейфующего льда помимо тангенциального напряжения ветра способствуют подъемы уровня при нагонах. При этом образуются мощные гряды торосов длиной в несколько километров и высотой 2 м и более, расположенные перпендикулярно направлению господствующих ветров. При очередном смещении границы припая и дрейфующих льдов возникает новая гряда торосов, параллельная образовавшимся ранее, в результате чего образуется пояс торосов, наблюдаемый на дрейфовых разделах арктических морей. Сжимающие и касательные усилия, возникающие во время контакта льдин, приводят к ломке льда и образованию на их краях торосов. Различают приливное, термическое и ветровое торошение. Приливное торошение, например на Северном Каспии, незначительно, т.к. приливно-отливные колебания уровня здесь не превышают точности измерения. Термическое торошение имеет место в суровые зимы в зоне припая, однако существенного влияния на общую картину торосистости оно не оказывает. Наиболее характерным для большинства морей является ветровое торошение, которому способствуют подледные течения и сгонно-нагонные колебания уровня моря.
Максимальная торосистость, при всех типах зим, отмечается в зоне контакта припая и дрейфующего льда.
Для прибрежных мелководий с ровным и пологим дном характерна такая форма донного рельефа, как следы выпахивания или борозды. Они имеют вид длинных, часто прямолинейных борозд протяженностью от нескольких десятков метров до нескольких километров. Борозды образуются при воздействии на дно торосистых дрейфующих льдов, они ориентированы в направлении преобладающих в эти периоды ветров и представляют собой как бы проведенные по дну векторы дрейфа льда. Ширина борозд колеблется от нескольких до 50-100 м и более. Все борозды оканчиваются валами, образованными выпаханным грунтом. Высота некоторых превышает глубину моря, и они выходят на дневную поверхность в виде островков.
Продолжительность существования борозд в илистых грунтах составляет 2-3 года, в песчаном грунте борозды замываются волнением в течение одного сезона.
Поскольку ледовому выпахиванию (взаимодействию дрейфующих льдов с морским дном) подвержены мелководные участки морского дна на большой площади, можно утверждать, что эти процессы имеют массовый (хотя и сезонный) характер и потому играют важную роль в экологии данного водоема. Наряду с чисто механическим перемещением огромных масс донного грунта происходит угнетение донной, островной и прибрежной растительности и организмов.
Большинство морей Арктического бассейна отличается большим разнообразием ледовых процессов. Являясь серьезным естественным препятствием в осуществлении хозяйственной деятельности человека на море, ледяной покров значительно ограничивает деятельность, создает реальную угрозу безопасности.
Проводимые в последнее время в шельфовой зоне работы по поиску углеводородов диктуют необходимость поиска более совершенных и не отягощенных серьезными материальными затратами и трудоемкостью средств защиты морских сооружений.
В источнике информации (Расенко А. «Кайсар» - это ледовый защитник // газета «Астраханские известия», 22.01.2004 [6]), в качестве средств защиты морских нефтегазовых терминалов на Каспийском море рассматривается возможность использования для этих целей затопленных на мелководье старых кораблей, которые раньше использовались в качестве мишеней для ракет.
Корабли располагаются в море на глубинах 5-6 м и на расстоянии от берега от 10 до 50 км. Эпизодические подвижки и интенсивный дрейф льда под воздействием штормовых ветров, преобладающих в это время года, западного и восточного направлений, а также сгонно-нагонные колебания уровня моря способствуют образованию мощных торосов. Вокруг затопленных кораблей образуются сплошные торосистые поля, а вдоль их бортов - гигантские многослойные навалы из обломков льдин, высота которых составляла от 3-6 до 15 метров над уровнем моря, а их подводные основания достигали дна, образуя торосистые образования, сидящие на грунте - стамухи.
Полученные результаты ледовых исследований были использованы в 1999 г. в Астрахани, где для нужд казахской компании ОКИОК (Оффшор Казахстан Интернешнл Оперейтинг Компани), была осуществлена реконструкция типовой погружной буровой баржи, которая была специально адаптирована для работы в условиях дрейфующих льдов Северо-Восточного Каспия.
Подводное основание и борта баржи типа «Кайсар» были модифицированы таким образом, чтобы противостоять ледовым нагрузкам, которые изучались и анализировались на протяжении пяти лет. В результате расчетов площадь баржи была увеличена вдвое, добавлены специальные ледовые отражатели с обеих сторон баржи. На месте постановки баржи в море, с обеих сторон от баржи, предусмотрена установка системы мощных металлических свай (глубина заглубления в морское дно до 20 м), назначение которых - сдерживание натиска дрейфующих льдов и активизация процессов торосового образования вокруг платформы. Также известно аналогичное устройство для защиты буровой платформы от воздействия дрейфующих льдов (Karl-Ulrich Evers, Walter Spring Ice mjdel testing of an exploration platform for shallow waters in the North Caspian sea // 16th International Conference on Port and Ocean Engineering under Frctic Conditions "Ice Engineering Applied to Offshore Regions" (Fugust 12-17, 2001, Ottawa, Ontario, Canada), 2001, pp. 255-264 [7]), при использовании которого также достигается защита буровых объектов от разрушения при движении ледяных полей созданием перед буровым объектом в ледовый период торосов, сидящих на грунте, посредством ледостойких сооружений, которые специально затапливаются по периметру вокруг буровой платформы.
Однако при всех многочисленных достоинствах барж типа «Кайсар», использование данного устройства все-таки не гарантирует абсолютной защиты буровых объектов от воздействия дрейфующих льдов.
Так, в феврале 2002 г., под воздействием штормовых ветров преимущественно западных румбов происходило увеличение сплоченности плавучих льдов в районе Гурьевской бороздины, их интенсивная подвижка, торошение и образование стамух, которое сопровождалось повышением уровня моря, вызванного ветровым нагоном. Это опасное природное явление едва не стало причиной серьезной аварии на казахской буровой платформе «Сункар». Одна из четырех барж типа «Ледовый защитник», специально построенных и затопленных вокруг буровой платформы с целью ее защиты от опасного воздействия дрейфующих льдов, была сдвинута движущимся льдом с места и переместилась по дну на расстояние 120 м.
Известна также полезная модель, которая относится к области нефтяной и газовой промышленности, в частности к защите буровых объектов от разрушения при эксплуатации в море, на Северном Каспии, в ледовых условиях - Устройство для защиты буровых объектов от разрушения при движении ледяных полей (патент на полезную модель RU №79611 [8]).
Техническим результатом устройства [8] является дальнейшее усовершенствование устройств защиты от разрушения буровых объектов морской разведки и добычи. Известное устройство [8] решает задачу защиты от разрушения буровых объектов морской разведки и добычи и содержит защитный барьер, состоящий из металлических щитов, установленных на дне водоема и винтовые сваи. При этом устройство работает следующим образом. Вокруг бурового объекта устанавливают защитный барьер, обеспечивающий торошение ледяных полей, и закрепляют его четырьмя-шестью винтовыми сваями, которые обеспечивают надежную фиксацию защитного барьера на дне. Винтовые сваи углубляют в грунт на 10 м или более и инициируют образование кольцевой стамухи вокруг бурового объекта. Дрейфующие под действием ветра ледяные поля встречают на своем пути защитный барьер, расположенный вокруг бурового объекта, и ломаются. Заявленный технический результат получают в предположении, что из-за частой смены направлений ветра при всех типах зим, применительно к условиям северной части Каспийского моря, направление и скорость дрейфа льда в море также часто меняется, до 2-5 раз в сутки. Происходит торошение льда, при этом в результате многократной смены направлений ветра с учетом их повторяемости вокруг бурового объекта образуется кольцевой торос, сидящий на грунте, который в дальнейшем защищает его от сдвига и разрушения.
При этом одновременно решается еще одна очень важная проблема - обеспечение экологической безопасности вод в результате возможных аварийных разливов нефти, поскольку кольцевая стамуха, образовавшаяся вокруг бурового объекта, обеспечивает надежную локализацию источника нефтяного (и любого другого) загрязнения, ограниченного внутренними размерами кольцевой стамухи. Ликвидировать же последствия загрязнения внутри кольцевой стамухи значительно проще, дешевле и безопаснее, чем в открытом море, покрытом дрейфующим, торосистым льдом.
Однако технический результат от использования данного технического решения достигается только при условии, что «направление и скорость дрейфа льда в море также часто меняется, до 2-5 раз в сутки». Кроме того, надежная установка винтовых свай сопряжена с дополнительными трудностями, в первую очередь обусловленными типом грунта и глубинами моря в районе расположения морского нефтегазового терминала.
Известен также способ разрушения ледяного покрова (патент RU №2452812 С1, 10.06.2012 [9]). Изобретение относится к области защиты буровых объектов при движении ледяных полей и может быть применено для разрушения ледяного покрова. Способ включает установку под лед зарядов взрывчатого вещества и их поочередный подрыв с интервалом времени, равным времени прохождения изгибно-гравитационной волны от места подрыва предыдущего до места подрыва последующего зарядов. Над ледяным покровом устанавливают заряды взрывчатых веществ и подрывают их одновременно с подрывом зарядов, установленных под ледяным покровом. Перед установкой зарядов взрывчатого вещества измеряют скорость и направление ветра, подводных течений и дрейфа ледовых полей, определяют толщину льда. Заряды взрывчатого вещества размещают с формированием направления распространения взрывной волны в противоположные стороны от места нахождения морского объекта хозяйственной деятельности. Технический результат заключается в повышении надежности защиты морского объекта хозяйственной деятельности от воздействия ледовых образований. Новые отличительные признаки известного способа, заключающиеся в том, что перед установкой зарядов взрывчатого вещества измеряют скорость и направление ветра, подводных течений и дрейфа ледовых полей, определяют толщину льда, а заряды взрывчатого вещества размещают с формированием направления распространения взрывной волны в противоположные стороны от места нахождения морского объекта хозяйственной деятельности, позволяют исключить нежелательное распространение ледовых образований в направлении размещения морского объекта хозяйственной деятельности. Однако установка зарядов на определенном расстоянии друг от друга представляет собой трудоемкую операцию и не является полностью безопасной.
Известно также устройство для разрушения ледового покрытия, которое содержит воздействующее на покрытие плавсредство, снабженное источником газа и системой подачи его под ледовое покрытие. Система подачи газа снабжена коллектором, размещенным под покрытием, и механизмом установки коллектора в подводное положение для создания газовой прослойки в зоне разрушения. Изобретение направлено на расширение арсенала технических средств (патент RU №2314963 С2, 20.01.2008 [10]).
Для приведения в действие устройства механизмом установки газового коллектора в подводное положение, газовый коллектор устанавливают в подводное положение. Включают в работу систему подачи и регулирования газа в зону разрушения. Газ от источника газа по магистралям подачи через органы регулирования поступает в газовый коллектор, а из него - под ледовое покрытие, где и создается газовая прослойка. Газовая прослойка разделяет ледовое покрытие от жидкости, тем самым исключает влияние жидкости на процесс разрушения покрытия. При воздействии сверху нет необходимости преодолевать усилия, вызванные влиянием жидкости как упругой подложки, а при воздействии снизу нет необходимости преодолевать усилия прилипания покрытия к жидкости. Следовательно, в значительной мере снижаются усилия для разрушения ледового покрытия. Однако создание равномерной газовой прослойки не всегда может быть обеспечено, например, при наличие килей ледового покрытия или при наличии подводных течений.
Известны также способы борьбы с ледообразованием, основанные на применении антигололедных реагентов, таких как хлориды натрия, кальция и магния в чистом виде или с добавками соответственно фосфата, песка, цеолита и триэтаноламина или в сочетании с несколькими перечисленными добавками (патент RU №2294352 С1, 27.07.2007 [11]), путем их нанесения на ледовую поверхность посредством устройств автоматического дозирования химических реагентов (патент RU №2487971 С1, 20.07.2013 [12]), которые позволяют достичь положительного эффекта при толщине льда не более 10 мм, что позволяет использовать их для борьбы с ледообразованием преимущественно на автомагистралях.
Первоначальной составляющей задачи защиты морских объектов хозяйственной деятельности в период льдообразования, дрейфа и в период торошения ледяных полей, расположенных как в условиях мелкого, так и глубокого морей является задача определения структуры торосов и стамух, свойств льда и границы льда и грунта.
Решение данной задачи осуществляется посредством известных технических решений, например посредством способа определения структуры торосов и стамух, свойств льда и границы льда и грунта, который характеризуется тем, что осуществляют тепловое электрическое или водяное бурение скважин во льду, производят измерение и одновременную запись на компьютер времени бурения и глубины скважины, температуры и давления воды в скважине вблизи забоя и подаваемой на бур тепловой мощности, определяемой путем измерения напряжения и тока при электрическом бурении и температуры и расхода воды при бурении горячей водой, при бурении стамух делают ряд подъемов и опусканий бура на забой для продолжения бурения загрязненного льда и достижения донного грунта, которое определяется по резкому повышению температуры воды вблизи забоя и уменьшению скорости бурения до полной остановки, по данным глубины скважины и давления воды вблизи забоя определяют глубину расположения границы льда и грунта, определяют скорость бурения и строят график зависимости скорости бурения от глубины скважины и по нему оценивают расположение и размеры пустот, по скорости бурения, подаваемой мощности и измеренной температуре льда и воды в забое определяют плотность льда, а по измеренному давлению воды в скважине вблизи забоя определяют уровень воды в скважине, по изменению которого определяют границы консолидированного льда, а при тепловом электрическом бурении производят постоянную откачку из забоя талой воды, образующейся при бурении, и пропускают ее через измеритель солености, при этом измеренные данные записывают на компьютер одновременно с другими параметрами и учитывают их при определении плотности льда, а по полученным значениям величин солености и плотности льда определяют его пористость (патент RU №2153070 С1, 20.07.2000 [13]) или посредством способа определения толщины льда замерзающих акваторий в интервале от пленки до 100-120 см с дискретностью, ограниченной чувствительностью метода, и выше 120 см - без дискретности, осредненной на локальном элементе разрешения, по данным спутниковых изображений в тепловом канале ИК диапазона частот при безоблачной атмосфере, метеорологических данных осредненной скорости приземного ветра V в период зондирования и значений теплопроводности и глубины снежного покрова (патент RU №2319205 С1, 10.03.2008 [14]).
Известно также устройство для обеспечения возможности определения геометрических характеристик (профиля и толщины) ледового тороса путем непрерывного измерения во времени ординат профиля ледового тороса (патент RU №2189006 С1, 10.09.2002 [15]).
Для этого в устройстве для определения геометрических характеристик ледового тороса, включающем передвижную каретку, по крайней мере, два измерительных узла, соответственно верхний и нижний, каждый из которых имеет направляющую с подвижным штоком, на конце которого установлен измерительный наконечник, и датчик-преобразователь механических перемещений в электрический сигнал, выход которого соединен с регистрирующей аппаратурой, причем нижний измерительный наконечник со штоком имеет положительную плавучесть, каретка выполнена в виде передвижной платформы с вертикально расположенной под ней штангой, установленной с возможностью перемещения поперек платформы. На штанге горизонтально друг над другом с просветом консольно закреплены обе направляющие, на свободных концах которых установлены датчики, представляющие собой датчики-преобразователи угла поворота в электрический сигнал, при этом оси упомянутых датчиков-преобразователей жестко связаны со штеками измерительных наконечников, а передвижная платформа снабжена датчиком перемещения платформы вдоль ледового тороса, электрически соединенным с регистрирующей аппаратурой.
Наличие вертикальной штанги, прикрепленной к платформе, на которой расположены обе направляющие с подвижными штоками и измерительными наконечниками, позволяет перемещать одновременно оба (верхнее и нижнее) измерительных узла для обеспечения непрерывной регистрации параметров льда и ледового тороса сверху и снизу.
Установка вертикальной штанги с возможностью ее перемещения поперек платформы дает возможность проводить измерения в любой выбранной точке по площади ледового поля.
Снабжение платформы датчиком перемещения позволяет определять координату измеряемой точки и получить картину профиля ледового тороса в процессе проведения измерений.
Известна конструкция основания морской платформы (патент RU №2030503 С1, 10.03.95 [16]), содержащая бетонный монолитный кессон, состоящий из верхней плиты, донной плиты, из двух соосных защитных стенок - внутренней и внешней, спроектированных для выдерживания ударов айсберга. Эти стенки расположены вертикально между плитами и жестко соединены с ними. Внешняя стенка кессона состоит из защитных элементов сложной формы, способных взломать поверхность айсберга, ударяющегося в кессон.
Недостаток этой стационарной конструкции состоит в том, что она является технологически сложной, громоздкой, и возведение подобной конструкции не всегда оправдано с точки зрения экономии и технологии при разработке месторождений в ледовых районах Арктики.
Известна конструкция технологического комплекса для освоения подводных месторождений полезных ископаемых на шельфе, позволяющего обеспечить защиту технологического (устьевого) оборудования от столкновения с айсбергами (патент RU №2215847 С1, 10.11.03 [17]), содержащего морскую платформу, подводные сателлиты и береговую технологическую базу, связанные между собой коммуникациями. Морская платформа включает основание, жестко связанное с грунтом с помощью свай. На основании установлена горизонтальная платформа с технологическим оборудованием, а подводные сателлиты включают эксплуатационные скважины с устьевым оборудованием. Основание морской платформы состоит, по крайней мере, из двух частей: нижней, жестко связанной с грунтом, и верхней, на которой расположена горизонтальная платформа с технологическим оборудованием. Основание снабжено фиксирующими элементами для последовательной фиксации относительного положения нижней части основания, верхней части основания и горизонтальной платформы между собой, а также элементами быстроразъемных соединений технологических коммуникаций, обеспечивающих возможность относительного перемещения частей основания. Предложенная конструкция позволяет повысить эксплуатационную безопасность за счет обеспечения возможности исключения взаимодействия морской платформы с ледовым массивом, в частности айсбергами посредством управления частями (изменения положения) основания в аварийной ситуации.
Недостатком конструкции является ее сложность, громоздкость и стационарность. Нецелесообразным является ее возведение при разработке мелких подводных месторождений полезных ископаемых.
Известна конструкция морской ледостойкой платформы с системой защиты от воздействия подвижных ледяных массивов (патент RU №2130526 С1, 20.05.99 [18]), содержащая ледостойкий кессон, выполненный с донной и верхней опорными плитами, жестко связывающими между собой внутреннюю и наружную профилированную с защитными от воздействия льда элементами стенки, установленными с зазором относительно друг друга, и верхнее строение, установленное на верхней опорной плите и выполненное из технологических функциональных блоков. Кессон выполняет функцию защитного контейнера, не заполняемого водой. Платформа дополнительно снабжена вспомогательным ледоломным козырьком. Защитные элементы выполнены в виде сегментов цилиндров вращения с коническим профилем в верхней части. При этом с учетом глубины моря в месте установки морской ледостойкой платформы наружную профилированную стенку с защитными элементами выполняют с конической частью в зоне воздействия льда.
Данная стационарная конструкция обеспечивает защиту устьевого оборудования, однако при освоении мелких и средних месторождений возведение подобной платформы является неоправданным в силу технологической сложности ее установки, громоздкости и нерентабельности, так же, как и аналогичных технических решений (патент RU №2151842 С1, 27.06.2000 [19], патент RU №2030503 С1, 10.03.1995 [16], патент US №5186581 А, 16.02.1993 [21], патент US №4963058 А, 16.10.1990 [22], авторское свидетельство SU №1708160 А3, 23.01.1992 [23].
Технический результат известного технического решения (патент RU №2344226 С1, 20.01.2009 [24]) состоит в обеспечении мобильности, повышении технологичности, рентабельности и надежности конструкции, обеспечивающей защиту устьевого оборудования в условиях риска столкновения с подвижными ледяными массивами, в частности айсбергами и торосами.
Заявленный результат достигается за счет того, что в отличие от известных систем защиты скважины (устьевого оборудования) от воздействия ледяных массивов [16-23], в том числе торосов, в условиях освоения подводных месторождений углеводородов, содержащих возводимый над устьем защитный контейнер, в предлагаемой системе контейнер выполнен в форме прочной оболочки, выдерживающей нагрузку, сравнимую с возникающей при ударе ледяного массива критической нагрузкой, оболочка оснащена рядом датчиков, характеризующихся возможностью их срабатывания при нагрузке, превышающей критическую, и электрически связанных с системой автоматического включения по сигналу с датчиков средства герметизации устья скважины. Кроме того, в системе, в частности, в качестве датчика может быть выбран тензодатчик или датчик перемещений.
Выполнение контейнера в форме прочной, исходя из заявляемого условия оболочки, позволяет существенно облегчить технологию установки конструкции на донном основании в силу ее мобильности и исключить необходимость по сравнению с прототипом проведения сложных и громоздких экономически и технологически затратных манипуляций по установке стационарной платформы. Оснащение оболочки рядом датчиков с возможностью их срабатывания при нагрузке, превышающей критическую, позволяет контролировать окружающую обстановку, что при наличии электрической связи датчиков с системой автоматического включения по сигналу с датчиков средства герметизации устьевого оборудования обеспечит надежную защиту технологического оборудования.
Предлагаемые к конкретному выбору датчики - тензодатчик или датчик перемещений являются наиболее доступными с точки зрения их возможностей по реагированию на критическую нагрузку.
Известная система защиты представляет собой устанавливаемую в подводном положении на глубинах возможного прохождения торосов над устьевым оборудованием предварительно рассчитанную на прочность цилиндрическую оболочку, выдерживающую нагрузку, сравнимую с возникающей при ударе ледяного массива критической нагрузкой, например, стальную. В оболочку встраивают систему тензодатчиков. Датчики подключены к системе автоматического включения в аварийной ситуации (приближение тороса) средства перекрытия (герметизации) устья, в частности, клапана.
Система защиты работает следующим образом. При приближении тороса тензодатчик подает сигнал на систему аварийного автоматического включения. Сигнал датчика является управляющим для средства перекрытия (клапана) устья скважины.
Выбор формы контейнера и свойств материала, из которого он выполнен, в сочетании с встроенной в контейнер системой аварийного реагирования и автоматической герметизации устья скважины способствуют мобильности, повышению технологичности, рентабельности и надежности конструкции, обеспечивающей защиту устьевого оборудования скважины в условиях риска столкновения с подвижными ледяными массивами, в частности айсбергами и торосами.
Однако срабатывание датчиков при фиксации нагрузки, превышающей критическую нагрузку, происходит в момент воздействия ледяного образования на конструктивные элементы контейнера, т.е. последующие перекрытие устья скважины может оказаться бесполезным. Кроме того, торос по своим габаритам и массе может быть не опасен для платформы, а система аварийного реагирования сработает.
Кроме того, платформы для добычи углеводородов на шельфе арктических морей, как правило, состоят из устройств отгрузки углеводородов, жилого модуля, вспомогательного модуля, промежуточной палубы и опорного основания (кессона), объединенных в единую сборную конструкцию, при этом кессон установлен на каменной берме, размещенной на морском грунте на глубине 19-20 м, например, такую конструкцию имеет добычная платформа «Приразломная», установленная в Печерской губе Баренцева моря, которая представляет собой сложную техническую конструкцию, и которую посредством известного устройства [24] защитить от ледовых воздействий практически невозможно.
Контроль состояния кессона осуществляется системой контроля состояния кессона, включающей датчик деформации для измерения ледовых нагрузок на кессон, инклинометр для измерения наклонов кессона, грунтовой динамометр для измерения нагрузки на грунт, преобразователь давления (пьезометр) для измерения и оценки возможного повышения избыточного давления в грунтах от динамических горизонтальных нагрузок.
Задачей настоящего технического решения является повышение надежности защиты морских объектов хозяйственной деятельности в период льдообразования, дрейфа и в период торошения ледяных полей, расположенных как в условиях мелкого, так и глубокого морей.
Поставленная задача решается за счет того, что система освещения ледовой обстановки и предотвращения воздействия ледовых образований на морские объекты хозяйственной деятельности, в том числе торосов, в условиях освоения подводных месторождений, включающая средства мониторинга гидрометеорологической обстановки в регионе размещения морских объектов хозяйственной деятельности, средства определения характеристик ледовых образований, средства защиты от воздействия ледовых образований, выдерживающих нагрузку, сравнимую с возникающей при ударе ледяного массива критической нагрузкой, средства отображения ледовых образований, систему контроля состояния кессона, включающую датчик деформации для измерения ледовых нагрузок на кессон, инклинометр для измерения наклонов кессона, грунтовой динамометр для измерения нагрузки на грунт, преобразователь давления (пьезометр) для измерения и оценки возможного повышения избыточного давления в грунтах от динамических горизонтальных нагрузок, дополнительно содержит командно-управляющий комплекс, соединенный со средствами мониторинга гидрометеорологической обстановки в регионе размещения морских объектов хозяйственной деятельности, средствами определения характеристик ледовых образований, средствами защиты от воздействия ледовых образований, средства защиты от воздействия ледовых образований выполнены в виде подводных и надводных модулей, при этом подводные модули снабжены холодильными агрегатами, надводные модули выполнены в виде выдвижных конструкций и беспилотных летательных аппаратов, снабженных устройствами автоматического дозирования химических реагентов в виде карбида кальция, при нанесении их на ледовое образование. При этом командно-управляющий комплекс содержит функционально-логический блок определения критических параметров воздействия ледовых образований на морской объект хозяйственной деятельности с учетом его прочностных характеристик, средства отображения ледовых образований, выполнены с возможностью выделения границ ледовых образований, включая неконсолидированные части килей торосов, посредством масок операторов Канни (С John Canny. A Computation Approach to Edge Detection.// IEEE Transaction Analysis and Machine Intelligence. N6. vol. pami-8, November, 1986, pp. 679) и возможностью построения ситуационных моделей траектории движения относительно рельефа шельфа, береговой линии и морского объекта хозяйственной деятельности. Посредством командно-управляющего комплекса формируют команды на функционирование того или иного средства защиты.
Средства мониторинга гидрометеорологической обстановки в регионе размещения морских объектов хозяйственной деятельности размещены на расстояниях L от платформы, а средства определения характеристик ледовых образований размещены на расстояниях l от платформы, определяемом по формуле l=tкр√gH, где tкр - нормированное время на защиту охраняемого района, g - ускорение свободного падения, H - средняя глубина моря между берегом и устройством.
Система освещения ледовой обстановки и предотвращения воздействия ледовых образований на морские объекты хозяйственной деятельности содержит командно-управляющий комплекс, включающий функционально-логический блок определения критических параметров воздействия ледовых образований на морской объект хозяйственной деятельности с учетом его прочностных характеристик, средства защиты от воздействия ледовых образований выполнены в виде подводных и надводных модулей, при этом подводные модули снабжены холодильными агрегатами, надводные модули выполнены в виде выдвижных конструкций и беспилотных летательных аппаратов, снабженных устройствами автоматического дозирования химических реагентов в виде карбида кальция, при нанесении их на ледовое образование.
Функционально-логический блок определения критических параметров воздействия ледовых образований на морской объект хозяйственной деятельности с учетом его прочностных характеристик содержит: блоки памяти, сумматоры, регистры, блоки сравнения группы, коммутаторы группы, блоки элементов И/ИЛИ, дешифраторы, счетчики, блоки задержки, генератор тактовых импульсов, триггер, логический блок подготовки яркостных эталонов, включающий блок преобразования исходных картографических данных, аэрофотоснимков и снимков, полученных от ИСЗ, формирователь одноканального или многоканального поля информативности, блок поиска экстремумов поля информативности, блок сопоставления экстремумов поля информативности каждого из каналов, блок расчета эталонных изображений, блок буферной памяти и связи между указанными элементами.
Исходные данные - электронные топографические карты, модели рельефа, фото- и видеоинформация (в зависимости от решаемой задачи могут присутствовать все либо только часть данных) - поступают от технических средств мониторинга гидрометеорологической обстановки в регионе размещения морских объектов хозяйственной деятельности, технических средств определения характеристик ледовых образований, а также ударно-нагрузочные критические параметры морского объекта хозяйственной деятельности (МОХД) - поступают на вход функционально-логического блока, где осуществляется их преобразование, как в двумерные растровые изображения с помощью известных стандартных алгоритмов, так и в форматы двухмерного и трехмерного изображения. Для каждого изображения ледового образования и рельефа дна в функционально-логическом блоке формируется массив данных координатной привязки, определяющий, каким координатам на местности соответствует каждое дискретное изображение.
Далее изображения формируют в поля информативности и производят выявление экстремумов поля информативности ледовых образований и рельефа дна, посредством анализа частных производных многоканального поля информативности, например, методом Ньютона (см., например, А.А. Амосов, Ю.А. Дубинский, Н.П. Копченова. Вычислительные методы для инженеров. М.: Мир, 1998 г., стр. 279-284).
Координаты найденных экстремумов пересчитываются в координаты на местности (на основании массивов данных координатной привязки) и сопоставляются с учетом надежности исходных картографических данных, например, методом эллипсоидов (см., например, «Ориентация и навигация подвижных объектов: современные информационные технологии», под ред. Б.С. Алешина, К.К. Веремеенко, А.И.Черноморского. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006 г., стр. 123-128). В результате сопоставления координат экстремумов формируется ранжированный массив координат участков местности, в котором наиболее высокий ранг имеют участки, соответствующие экстремумам на нескольких изображениях одновременно. Далее в зависимости от направления и скорости ветра и течения строятся ситуационные модели возможного перемещения конкретных ледовых полей (моделируется траектория движения ледового образования).
Для этого посредством, например, РЛС определяют дистанции кратчайшего сближения с ледовым образованием, представляющим потенциальную опасность для МОХД, в зависимости от скорости и курса движения ледового образования.
При этом получают количественные оценки движения ледового образования в той или иной области относительно МОХД. В результате получают численные значения кратчайших расстояний до ледового образования. Моделирование выполняют методами математической статистики, с нахождением погрешностей аппроксимации и определением доверительных областей нахождения ледового образования относительно МОХД. Выполнение измерений кратчайших расстояний от оси «судового хода» ледового образования в направлении движения на МОХД выполняют с обеих сторон «судового хода» производят с помощью статистического пакета «Statistica» (В.П. Боровиков, И.П. Боровиков. Статистический анализ и обработка данных в среде Windows. М., 998 - 592 с.). Исходя из прочностных характеристик МОХД и возможных неблагоприятных последствий принимают решение по его защите.
Средства защиты от воздействия ледовых образований выполнены в виде подводных и надводных модулей, при этом подводные модули снабжены холодильными агрегатами, надводные модули выполнены в виде выдвижных конструкций и беспилотных летательных аппаратов, и снабженных устройствами автоматического дозирования химических реагентов в виде карбида кальция, при нанесении их на ледовое образование.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
Посредством средств измерения скорости и направление ветра средств измерения скорости и направления подводных течений и возможного дрейфа ледовых полей, средства измерения толщины льда определяют скорость и направление ветра, скорость и направление подводных течений и дрейфа ледовых полей, толщину льда. В качестве средств измерения скорости и направления ветра могут быть использованы акустические измерители скорости и направления ветра или стационарный гидрометеорологический комплекс типа «Касметео», которые могут быть установлены непосредственно на платформе или на носителях (летательные аппараты, надводные и подводные плавательные средства). В качестве средства измерения скорости и направления подводных течений и дрейфа ледовых полей может быть использован гидроакустический параметрический преобразователь, представляющий собой гидроакустический подводный зонд. Для определения дрейфа ледовых полей также может быть использована информация, получаемая стационарным гидрометеорологическим комплексам типа «Касметео» с искусственных спутников Земли или непосредственно с искусственных спутников, оснащенных инфракрасными (ИК)-радиометрами, обеспечивающими измерение сигналов теплового излучения местности. ИК-изображение формируется за счет поступательного движения объекта вдоль траектории движения и вращения зеркала антенны (сканирования) в перпендикулярном направлении. ИК - радиометр может быть построен аналогично радиометру системы RAC (Radiometric Area Correlator) фирмы Lockhead, (И.Н. Белоглазов, Г.И. Джанджгава, Г.П. Чигин. Основы навигации по физическим полям, Москва, «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1985, с. 28).
Кроме того, также может быть использована РЛС, которая может быть построена аналогично РЛС «Обзор» (Авиация ВВС России и научно-технический прогресс. Боевые комплексы и системы вчера, сегодня, завтра. Под редакцией Е.А. Федосова. Дрофа. Москва, 2005, с. 633-639).
Коммутация и преобразование в цифровую форму выходных сигналов ИК-радиометра и РЛС может проводиться на основе принципов обработки телевизионных изображений, изложенных, например, в (Телевидение. Под редакцией П.В. Шмакова. Москва, «Связь» 1979, с. 394-410).
Формирование комплексного текущего изображения (ТИ) для совмещения цифровых изображений ИК-радиометра и РЛС может быть реализовано на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС), на базе которых последовательно осуществляются следующие операции:
- подавление шумов на каждом изображении (ИК-радиометра и РЛС);
- улучшение каждого изображения путем усиления его контрастов;
- калибровка и изменение размеров изображений с целью приведения их к попиксельному совпадению;
- совмещение изображений методом смешивания цветов пикселей;
- сглаживание для устранения эффекта расфокусирования комплексного изображения;
- фильтрация комплексного изображения для повышения его резкости.
В качестве ПЛИС можно использовать микросхемы серии Kintex-7 фирмы Xilinx (Xilinx Redefines Power, Performance, and Design Productivity with Three Innovative 28 nm FPGA Families: Virtex-7, Kintex-7, and Artix-7 Devices. Xilinx WP373 (v1.4) October 15, 2012). Выбранная микросхема совместима по выводам с другими микросхемами фирмы Xilinx и при необходимости может быть заменена на более дешевый или более мощный вариант.
Подавление шумов может быть выполнено по типу медианного фильтра (Р. Гонсалес, Р. Вудс. Цифровая обработка изображений. Техносфера, М., 2006, с. 194-195). Фильтр осуществляет замену значения пикселя на значение медианы распределения яркостей всех пикселей в его окрестности (включая и исходный). Чтобы выполнить медианную фильтрацию, например, для окрестности 3×3 элементов элемента изображения, необходимо сначала упорядочить по возрастанию значения яркостей пикселей внутри окрестности и затем присвоить компоненты цвета пятого значения медианы обрабатываемому элементу.
Для монохромных изображений яркость пикселя эквивалентна коду компоненты G, а для цветных изображений яркость пикселя может определяться, например, выражением:
Y=(0.3*R+0.59*0+0.11*B),
где: R, G, В - значения цветовых компонент.
Принцип улучшения изображения путем усиления его контрастов основан на анализе гистограммы яркостей входного изображения (эквализации гисторгамм) (Р. Гонсалес, Р. Вудс. Цифровая обработка изображений. Техносфера, М., 2006, стр. 150-166).
Сущность преобразования состоит в построении такой передаточной функции, в которой пикселю входного изображения с минимальной яркостью присваивается нулевое значение яркости, пикселю изображения, имеющего максимальную яркость, присваивается сто процентная яркость, а пикселям с промежуточными значениями яркости присваиваются значения, интерполированные по крутизне полученной функции. Функция преобразования может быть линейной, но в некоторых случаях улучшение изображения, основанное на линейной функции преобразования, не является наилучшим подходом. В частности, иногда полезно получить иную форму гистограммы для обрабатываемого изображения.
Эквализация гистограмм изображений также позволяет выровнять яркости разно спектральных изображений, что очень важно для дальнейшей обработки.
Калибровка и изменение размеров изображения с целью приведения их к по пиксельному совпадению изображений от ИК-радиометра и РЛС проводится следующим образом.
Для проведения калибровки необходимо выделить на изображениях реперные точки (наиболее яркие и темные элементы изображения). Для этого можно воспользоваться методами пороговой обработки (Р. Гонсалес, Р. Вудс. Цифровая обработка изображений. Техносфера, М., 2006, с. 850-874).
Совмещение реперных точек осуществляется за счет применения аффинных преобразований (масштабирование, смещение, поворот) к координатам реперных точек одного из изображений. Целесообразно в качестве обрабатываемого (первого) изображения выбрать то, в котором выделилось меньшее количество опорных точек.
Оптимальный вариант совмещения выбирается по методу наименьших квадратов. Порядок расчетов следующий. Для каждого из возможных вариантов аффинных преобразований перебираются все реперные точки первого изображения. Для каждой из этих точек ищется ближайшая точка на втором изображении и запоминается расстояние между ними. Далее рассчитывается и запоминается сумма квадратов разностей расстояний между реперными точками двух изображений для данного варианта аффинных преобразований. Оптимальным параметрам масштабирования, смещения и поворота соответствует минимальная сумма квадратов разностей расстояний между реперными точками двух изображений.
Соответствующие найденному оптимальному варианту аффинные преобразования применяют ко всему первому изображению. При этом используется метод билинейной интерполяции значения цветовых компонент изображения в ближайших соседних точках (Р. Гонсалес, Р. Вудс. Цифровая обработка изображений. Техносфера, М., 2006, с. 114-116).
Совмещение изображений методом смешивания цветов пикселей описано в (Мейсон Ву, Джеки Нейдер, Том Девис, Дейв Шрайнер. OpenGL. Официальное руководство программиста. Издание DiaSoft. М., СПб., Киев. 2002, с. 206-211).
Сглаживание для устранения эффекта расфокусирования комплексного изображения может быть реализовано сглаживающими пространственными фильтрами, описанными в (Р. Гонсалес, Р. Вудс. Цифровая обработка изображений. Техносфера, М., 2006, с. 189-196).
Фильтрация комплексного изображения для повышения его резкости осуществляется пространственной фильтрацией повышения резкости, описанной в (Р. Гонсалес, Р. Вудс. Цифровая обработка изображений. Техносфера, М., 2006, с. 196-213).
Для выделения контуров на комплексном изображении с целью приведения к бинарному виду осуществляется посредством пороговой обработки ТИ. Представленное в таком виде ТИ имеет меньшую зависимость от различного рода искажений, метеорологических или сезонных условий. Реализация пороговой обработки ТИ может быть выполнена также на ПЛИС, в которых реализуются операторы градиента (Р. Гонсалес, Р. Вудс. Цифровая обработка изображений. Техносфера, М., 2006, с. 825-836). Наиболее широко используется для выделения границ маски операторов Канни, Собела и Превитта. Наиболее предпочтителен метод Канни (Canny), представляющий собой совокупность других методов. Он состоит из следующих этапов:
1) Изображение сглаживается (обычно с помощью фильтра Гаусса).
2) Находятся края на изображении (обычно используется метод Собеля или Робертса).
3) Находится направление градиента в каждой точке.
4) Значения углов округляются.
5) Проверяется, является ли значение градиента локальным максимумом в этом направлении, если точка не на краю, то ее значение устанавливается в 0, эту фазу также называют тонкими краями "thin edges" или не максимальным подавлением «non-maximum suppression».
6) Изображение обрабатывается двумя порогами. Если значение градиента в точке выше некоторого порога Т1, то эта точка считается границей. Далее смотрятся точки вокруг найденной границы и, если значения их градиентов выше некоторого порога Т2, то они также считаются границей.
За основу эталонной информации берется цифровая карта местности (ЦКМ) векторного формата, например, SXF (Storage and eXchange Format). Помимо ЦКМ при подготовке эталонной информации используются фотоснимки той же местности. Первоначально проводится процедура выделения границ на фотоснимках, например методом Канни. После чего выполняется процедура сравнения контуров ЦКМ и полученных границ на фотоснимках. Координаты пикселов границ на фотоснимках в «коридоре» шириной Dpix вдоль контуров ЦКМ заносятся в эталонную информацию.
Посредством функционально-логического блока определяют критические параметры воздействия ледовых образований на морской объект хозяйственной деятельности с учетом их прочностных характеристик. Для оценки прочностных характеристик льда устанавливают регрессионные зависимости, связывающие пределы прочности льда при сжатии и изгибе, его температуру, соленость и плотность. Физико-механические свойства льда могут быть измерены с помощью скважинного прессиометра со сферическим индентором, при этом измеряют прочности неконсолидированной части килей торосов.
При этом выполняют построение вертикальных профилей по поверхности ледяного покрова. При этом координаты опорных точек определяют в единой системе координат. Средства отображения ледовых образований выполнены с возможностью выделения границ ледовых образований, включая неконсолидированные части килей торосов, посредством масок операторов Канни и возможностью построения ситуационных моделей траектории движения относительно рельефа шельфа, береговой линии и морского объекта хозяйственной деятельности.
При неблагоприятном ситуационном развитие ледовой обстановки, а также при фиксации, посредством системы контроля состояния кессона, изменений динамических показателей, посредством командно-управляющего комплекса формируют команды на функционирование того или иного средства защиты.
Для защиты от ледяных полей с торосами используют беспилотный летательный аппарат, снабженный устройствами автоматического дозирования химических реагентов в виде карбида кальция.
Технический карбид кальция представляет собой твердое кристаллическое вещество, весьма тугоплавкое, темно-серого цвета с удельным весом 2,2 и характерным резким чесночным запахом, обусловленным взаимодействием карбида с парами воды в атмосферном воздухе. Карбид кальция CaC2 бурно реагирует с водой, также и с парами воды, выделяя ацетилен и оставляя гидрат окиси кальция. На воздухе карбид кальция разлагается, взаимодействуя с парами воды, всегда имеющимися в воздухе, выделяя ацетилен. Товарный карбид выпускается семи грануляций от 2-4 до 80-100 мм.
Подводные модули могут быть выполнены в виде металлических конструкций различной формы (сваи, понтоны, гребенки, предназначенные на металлолом суда и подводные лодки и т.п.).
Подводные модули, снабженные холодильными агрегатами, устанавливают на расстояниях S (l<S<L), на возвышенностях рельефа морского дна, для создания искусственных ледовых подводных образований для снижения скорости движения ледяных полей за счет механического контакта килей ледового образования с искусственными ледовыми образованиями.
Разрушение ледяного образования путем уменьшения высоты паруса в мористой части способно привести к уменьшению осадки ледяного образования, что является эффективной защитой от контакта киля ледяного образования с грунтом. В результате, возможно не только уменьшение надводной части образования в зоне воздействия, но и дополнительное появление опрокидывающего (под действием архимедовых сил) момента, способного вызвать откол мористой части ледяного образования.
Предлагаемый способ позволяют исключить нежелательное распространение ледовых образований в направлении размещения морского объекта хозяйственной деятельности. Использование предложенного способа позволит преодолевать более мощные ледовые покрытия, увеличить скорость проводки судов и в конечном счете расширить сроки навигации не только на морях, но и на судоходных реках и озерах, а также обеспечить безопасную эксплуатацию морских объектов хозяйственной деятельности.
Источники информации
1. Патент RU №2326785 С1, 20.06.2008.
2. Патент RU №2213675 С2, 10.10.2003.
3. Патент RU №2085432 С1, 27.07.1997.
4. Авторское свидетельство SU №1820188 А1, 07.06.1993.
5. Патент RU №2124178 С1, 27.12.1998.
6. Расенко А. «Кайсар» - это ледовый защитник // газета «Астраханские известия», 22.01.2004.
7. Karl-Ulrich Evers, Walter Spring Ice mjdel testing of an exploration platform for shallow waters in the North Caspian sea // 16th International Conference on Port and Ocean Engineering under Frctic Conditions "Ice Engineering Applied to Offshore Regions" (Fugust 12-17, 2001 Ottawa, Ontario, Canada) 2001, pp. 255-264.
8. Патент на полезную модель RU №79611.
9. Патент RU №2452812 С1, 10.06.2012.
10. Патент RU №2314963 С2, 20.01.2008.
11. Патент RU №2294352 С1, 27.07.2007.
12. Патент RU №2487971 С1, 20.07.2013.
13. Патент RU №2153070 С1, 20.07.2000.
14. Патент RU №2319205 С1, 10.03.2008.
15. Патент RU №2189006 С1, 10.09.2002.
16. Патент RU №2030503, 10.03.1995.
17. Патент RU №2215847, 10.11.2003.
18. Патент RU №2130526, 20.05.1999.
19. Патент RU №2151842 С1, 27.06.2000.
21. Патент US №5186581 А, 16.02.1993.
22. Патент US №4963058 А, 16.10.1990.
23. Авторское свидетельство SU №1708160 А3, 23.01.1992.
24. Патент RU №2344226 С1, 20.01.2009.
Формула изобретения
1. Система освещения ледовой обстановки и предотвращения воздействия ледовых образований на морские объекты хозяйственной деятельности, в том числе торосов, в условиях освоения подводных месторождений, включающая средства мониторинга гидрометеорологической обстановки в регионе размещения морских объектов хозяйственной деятельности, средства определения характеристик ледовых образований, средства защиты от воздействия ледовых образований, выдерживающие нагрузку, сравнимую с возникающей при ударе ледяного массива критической нагрузкой, средства отображения ледовых образований, систему контроля состояния кессона, включающую датчик деформации для измерения ледовых нагрузок на кессон, инклинометр для измерения наклонов кессона, грунтовой динамометр для измерения нагрузки на грунт, преобразователь давления (пьезометр) для измерения и оценки возможного повышения избыточного давления в грунтах от динамических горизонтальных нагрузок, отличающаяся тем, что система освещения ледовой обстановки и предотвращения воздействия ледовых образований на морские объекты хозяйственной деятельности, в том числе торосов, в условиях освоения подводных месторождений дополнительно содержит командно-управляющий комплекс, соединенный со средствами мониторинга гидрометеорологической обстановки в регионе размещения морских объектов хозяйственной деятельности, средствами определения характеристик ледовых образований, средствами защиты от воздействия ледовых образований, средства защиты от воздействия ледовых образований выполнены в виде подводных и надводных модулей, при этом подводные модули снабжены холодильными агрегатами, надводные модули выполнены в виде выдвижных конструкций и беспилотных летательных аппаратов, снабженных устройствами автоматического дозирования химических реагентов в виде карбида кальция при нанесении их на ледовое образование.
2. Система освещения ледовой обстановки и предотвращения воздействия ледовых образований на морские объекты хозяйственной деятельности по п.1, отличающаяся тем, что командно-управляющий комплекс содержит функционально-логический блок определения критических параметров воздействия ледовых образований на морской объект хозяйственной деятельности с учетом его прочностных характеристик.
3. Система освещения ледовой обстановки и предотвращения воздействия ледовых образований на морские объекты хозяйственной деятельности по п.1, отличающаяся тем, что средства отображения ледовых образований выполнены с возможностью выделения границ ледовых образований, включая неконсолидированные части килей торосов, посредством масок операторов Канни и с возможностью построения ситуационных моделей траектории движения относительно рельефа шельфа, береговой линии и морского объекта хозяйственной деятельности.
ИЗВЕЩЕНИЯ
MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 01.01.2018
Дата внесения записи в Государственный реестр: 19.10.2018
Дата публикации и номер бюллетеня: 19.10.2018 Бюл. №29