Человеку в современном мире жить становится все опасней. Если природные катаклизмы - землетрясения, наводнения, лесные пожары угрожали во все времена, то в последнее время к ним прибавились техногенные катастрофы. Каждый день мы слышим о прорывах плотин и дамб, авариях на АЭС, газо- и нефтепроводах, приводящих к выбросам в атмосферу ядовитых газов и разливу тонн нефти. Все это может происходить даже из-за малейших нарушений технологии и техники безопасности, небрежности, недосмотра, наконец, из-за пресловутого "человеческого фактора".

По заказу МЧС России разработана специализированная, не имеющая аналогов в мире геоинформационная система (ГИС) "Экстремум". Ее задачи - прогнозировать вероятность возникновения чрезвычайных ситуаций и, по возможности, предотвращать их, а в случае аварий или стихийных бедствий - планировать работу по ликвидации последствий с таким расчетом, чтобы свести к минимуму причиненный ими ущерб.

Для решения этих задач в ГИС имеется несколько блоков. В блоке базы данных соединены картографические и семантические данные в виде различных карт. Кроме блока базы данных у "Экстремума" есть и еще очень важный блок - математические модели. Именно с их помощью прогнозируют обстановку, оценивают опасности природного или техногенного воздействия, рассчитывают поля этого воздействия, ущерб от него, наконец, вырабатывают план конкретных действий, позволяющий с наименьшими затратами добиваться наибольшего эффекта при ликвидации последствий различных аварий и стихийных бедствий.

Помимо блоков базы данных и математических моделей в системе присутствуют блоки оценки последствий, предназначенные для оптимизации мероприятий по эффективному реагированию, и блок выходных данных и документирования. Проще говоря, один блок дает рекомендации, а другой - делает их понятными. Наличие именно третьего блока - блока реагирования - в большинстве случаев и определяет неповторимость этой системы.

Возможности геоинформационной системы "Экстремум" практически безграничны. Например, после землетрясения, произошедшего в какой-либо точке мира, она может менее чем за два часа определить возможные человеческие потери, число находящихся под завалами людей, необходимое количество техники и спасателей для оказания той или иной помощи. Землетрясение в Турции показало, что именно ГИС "Экстремум" дала самую точную оценку случившегося, и в МЧС России узнали о масштабе бедствия раньше, чем турецкое правительство. Поэтому российские спасатели быстрее всех в мире были готовы оказать необходимую помощь. За последние пять лет эту систему применяли при землетрясениях в Нефтегорске, Иране, Афганистане, при последнем землетрясении в Китае. Во всех случаях она выдавала результаты, поразительно близкие к реальности. С ее помощью можно решать не только задачи глобального масштаба, но и частные, касающиеся отдельной области, города, предприятия. Она объяснит, какие меры принять в случае пожара, наводнения, урагана, наконец, террористического акта.

Для решения самых разных проблем, которые возникают во время экстремальных ситуаций, сотрудники Центра разработали на базе ГИС "Экстремум" конкретные приложения к ней. Созданные ими модели позволяют оценить последствия землетрясений, наводнений, лесных пожаров, аварий на АЭС, выбросов химически и радиационно опасных, а также загрязняющих веществ, разрушения плотин и прорывов нефтепроводов. Часть этих моделей уже прошла проверку на практике. Например, в 1979 году в штате Миннесота (США) вблизи населенного пункта Бимиджи при аварии на местности разлилось 10 700 баррелей (1712 м³) нефти. Аэрофото-снимок показал, что площадь загрязнения составила 19 150 м². Про эту аварию известно практически все - местоположение, количество нефти и время, за которое набралось это "нефтяное озеро". Ситуация просто идеальная, чтобы проверить, насколько совпадает с реальностью предсказание, сделанное аналитиками ЦИЭКСа. Результат подтвердил адекватность модели, разработанной на основе ГИС-технологии. Границы нефтяного пятна фактического и расчетного разлива практически совпали. Что касается площади разлива, то при ее расчете исследователи ошиблись всего на 12%.

Убедившись в том, что модель "работает", ученые спрогнозировали, как будет развиваться ситуация в случае аварии на нефтепроводах Тенгиз (Казахстан) - Новороссийск и Сахалин-1. Теперь известны наиболее вероятные места прорывов на этих нефтепроводах. Остается только заблаговременно "соломку подстелить"...

Автоматизированная система дистанционного контроля за состоянием плотины и прогнозирования последствий чрезвычайных ситуаций (АСДК "Плотина") - уникальная система для мониторинга состояния гидротехнических сооружений, а по статистике их в России более 65 тысяч. Государственный надзор, осуществляемый Министерством природных ресурсов, распространяется менее чем на половину из них - на 28 500 объектов. В результате происходит много аварий. Последствия наводнений - это не только ежегодное затопление около 50 000 км² территорий, приводящее к разрушению мостов, автомобильных и железных дорог, жилых домов и наносящее государству ощутимый ущерб. Но самое страшное - гибель людей.

АСДК "Плотина" разработана специально для шламохранилища ОАО "Западно-Сибирский металлургический комбинат" (ЗСМК), находящегося в г. Новокузнецке. Шламохранилище представляет собой водоем площадью 229 га с насыпной дамбой длиной около 6 км. В 1978 году из-за ливней вода прорвала дамбу и затопила деревню Мокроусово. Прорыв был сравнительно небольшим, но с тех пор проблема гидроотвалов всегда находится под контролем. Именно поэтому руководство комбината попросило ЦИЭКС решить проблему. В сотрудничестве с коллегами Западно-Сибирского металлургического комбината и работниками из отдела новокузнецкого Госгортехнадзора специалисты ЦИЭКСа создали АСДК "Плотина". Система основана на двух базовых элементах. Первый - автоматизирован ный контроль уровня фильтрационных вод в теле плотины. Второй - компьютерная обработка этих данных с помощью технологии геоинформационной системы оценки риска и промышленной безопасности, разработанной специально для этого комбината, но которую можно использовать, введя соответствующие изменения, для любого другого гидротехнического сооружения. Именно ГИС позволяет анализировать полученную информацию и на ее основе моделировать развитие ситуации: идентифицировать возможное место прорыва плотины, определить, с какой скоростью, сколько и куда выльется воды, какой будет нанесен ущерб, какие меры необходимо принять. Иными словами, ГИС обеспечивает полный цикл: измерение параметров, получение сигнала об опасности и реагирование на него.

Опытная эксплуатация этой системы на шламохранилище ЗСМК началась в октябре 2002 года. В теле плотины 128 скважин с телеметрическими зондами на базе датчиков давления. Они контролируют уровень грунтовых вод по 32 сечениям плотины на глубине от 0 до 25 м, причем, в зависимости от ситуации, можно проводить измерения раз в сутки, а можно - каждый час. Информация со всех датчиков поступает в терминал сбора данных, а оттуда - в компьютер диспетчерского пункта, где происходит первичная обработка. Эта информация интерпретируется - строятся кривые депрессии. Результаты интерпретации заносят в память компьютера удаленного терминала. При приближении кривой депрессии к критическому уровню АДСК "Плотина" должна, во-первых, автоматически оповестить об этом и сообщить координаты "слабого места" плотины. А во-вторых, оценить с помощью ГИС степень риска, выдать прогноз о зоне возможного затопления и передать эти данные на пульт центра управления гидротехническим сооружением.

Кривые депрессии - не единственный (хотя и наиболее информативный) показатель, позволяющий судить об устойчивости плотины. Система учитывает и такие параметры контроля состояния, как наклон и смещение реперных знаков (специальных опорных знаков, по перемещению которых определяют подвижки в теле плотины), химический состав грунтовых вод, температура и некоторые другие.

С началом эксплуатации АСДК "Плотина" в России впервые появилась система, позволяющая не только постоянно контролировать уровень фильтрационных вод в теле плотины. Открывается возможность сохранять эту информацию в памяти компьютера и формировать базу данных об уровнях воды в скважинах в зависимости от гидрометеорологических условий и состояния плотины (или любого другого гидротехнического сооружения). В базу можно вводить информацию из материалов прошлых лет, и тогда возможен анализ динамики состояния плотины за большие промежутки времени.

На промышленных предприятиях России в настоящий момент эксплуатируется более трех тысяч железобетонных труб различной конструкции. Дымовая труба - сложное инженерное сооружение высотой до 420 м. Чем выше труба, тем, с одной стороны, шире зона рассеивания вредных веществ и меньше их воздействие на окружающую среду, а с другой - выше стоимость ее строительства, которая сопоставима со стоимостью постройки большого жилого дома. На тепловых электростанциях (ТЭС) к одной дымовой трубе обычно подключено от четырех до восьми энергоагрегатов. Для проведения диагностики или в случае аварии дымовой трубы необходима одновременная остановка энергоагрегатов, что снижает энергетическую мощность станции на 40-70%. Поэтому ТЭС только в случае крайней необходимости выключают трубы из технологического процесса. На металлургических же комбинатах это сделать практически невозможно, так как ресурс работы мартеновских и коксовых печей в непрерывном режиме - 25 лет.

В последние годы участились аварии дымовых труб промышленных предприятий. Большинство из них построено в 50-70-х годах прошлого века и имеют расчетный срок службы 50 лет. Дымовая труба, как показывает практика, начинает разрушаться изнутри. Со временем в футеровке (облицовке внутренней поверхности трубы кислотоупорным кирпичом, металлом, полимербетоном и другими устойчивыми к агрессивной среде материалами) образуются дефекты. Поэтому своевременная диагностика и контроль состояния труб очень важны. Раньше диагностику проводили традиционным способом: останавливали технологический процесс, на трубу подвешивали люльку и с нее специалисты определяли состояние футеровки. На это уходило три-пять дней, а простой обходился предприятию в астрономические суммы. Аварии поставили на повестку дня активизацию надзора за безопасностью эксплуатации дымовых труб, что в свою очередь потребовало создания специального диагностического оборудования для обследования внутренних поверхностей труб без их остановки. Результатом почти девятилетнего труда стал диагностический комплекс "Сканлайнер" - не имеющая аналогов в мире технология и оборудование для неразрушающего контроля дымовых труб изнутри без выключения оборудования предприятия, на территории которого работают трубы. В процессе работы был решен широкий круг научных проблем, которые оказались не под силу иностранным специалистам. В частности, удалось добиться аэродинамической устойчивости в условиях сильно закрученного турбулентного потока дымовых газов и найти оптимальную форму для аппарата. "Сканлайнер" оснащен бортовым компьютером, системами подсветки оптической развертки и приема лазерного луча, видеокамерами, системой термостабилизации и защиты от агрессивных воздействий высокотемпературных кислотосодержащих газов, истекающих из трубы.

Сканирующий аппарат доставляется к устью трубы специальным подъемно-транспортным механизмом, состоящим из крана-манипулятора и лебедки. Включение видеокамер аппарата производится с помощью магнита запуска у оголовка дымовой трубы. Кран-манипулятор, который монтируется на оголовке трубы и может перемещаться во всех направлениях, опускает "Сканлайнер" в действующую трубу. Система подсветки видеокамер освещает футеровку трубы для формирования ее изображения. Ввод информации в бортовой компьютер осуществляется по участкам. Уникальная технология лазерного сканирования футеровки позволяет измерить ширину, высоту и глубину дефектов внутренней поверхности трубы.

За последние три года специалисты ЦИЭКСа обследовали более 90 действующих дымовых труб на промышленных объектах как в России, так и за рубежом. По результатам обследования составлены заключения экспертизы (технические отчеты) с рекомендациями по эксплуатации и ремонту труб, в том числе для ряда металлургических комбинатов Урала и Сибири, Астраханского газоперерабатывающего завода, ГМК "Норильский никель", ОАО "КОКС" (г. Кемерово) и агломерационной фабрики в г. Эрегли (Турция).

В настоящее время экспертиза промышленных зданий и сооружений и техническое обследование жилых зданий очень важны. Существует много способов проведения экспертизы различных сооружений на устойчивость. Один из них - элементарный осмотр здания. Трещины, разломы, отвалившаяся штукатурка могут быть признаком серьезных дефектов конструкции, увидеть которые иногда просто невозможно. Существуют, разумеется, и современные инструментальные методы, позволяющие, как рентгеном, просветить те или иные участки конструкций и оценить их состояние, определить прочность материалов, из которых они сделаны. Есть мобильные компактные приборы, основанные на применении электромагнитных и ультразвуковых методов. Они предназначены для тщательного инструментального обследования всего здания в целом. Процесс длительный, сложный, трудоемкий, а самое главное, не всегда выполнимый. Состояние конструкции редко, но проверяют и по старинке - методом статического нагружения, не только опасным и малоинформативным, но, как и в предыдущем случае, очень трудоемким и длительным. Еще существует и так называемый динамический метод. Для проведения экспертизы этим методом есть специальные датчики, но их чувствительность невелика.

Быстро и эффективно оценить устойчивость практически любого здания, найти его "слабые места" и выяснить, сколько оно еще простоит, какие потрясения способно перенести, а какие будут для него губительны, позволяет диагностический мобильный комплекс "Струна".

Основа диагностического комплекса - датчики, придуманные и запатентованные конструктора ми Центра. Полное название этих замечательно чутких приборов - широкополосные высокоточные преобразователи вибрации акселерометрического типа. Их уникальность в том, что работают они в исключительно широком диапазоне частот - от 0,1 до 300 Гц, имеют небольшие размеры - с диктофон, только толще, и очень легкие - 150 граммов. Датчики крепятся к стене обычной двусторонней клеящейся лентой. С их помощью комплекс легко определяет колебания любых зданий с любой степенью износа - от совсем новых и крепких до готовых обрушиться "инвалидов", от высоток и промышленных дымовых труб до низких монолитных сооружений.

Радиопередатчик, вмонтированный в корпус "умного" прибора, передает усиленные сигналы на базовый модуль, который может находиться на весьма значительном расстоянии от датчиков - вплоть до 1 км. Задача базового модуля - принять сигналы с датчиков (их в комплексе пять), оцифровать (для чего предусмотрен преобразователь) и передать на переносной компьютер. Специальное программное обеспечение позволяет проанализировать поступающие сигналы и в конечном итоге определить устойчивость, сейсмостойкость и физический износ проверяемого здания или сооружения.

Благодаря высокой чувствительности комплекса в распоряжении экспертов оказывается масса полезной информации о реальном состоянии исследуемого здания. С помощью такого мобильного беспроводного диагностического комплекса, который весит всего 9 кг и весь умещается на небольшом столике, оценить устойчивость здания можно всего за два дня.

До этого у создателей был другой вариант комплекса. Он устроен проще, но использовать его сложнее. Датчики соединялись в нем с базовым модулем проводами, что создавало порой массу сложностей. На работающем производстве кабель можно протянуть не везде, да и таскать 20-килограммовые катушки с проводами трудно. Радиофицированный комплекс ("Стрела") в работе оказался гораздо удобнее.

На сегодняшний день в ЦИЭКСе создано пять мобильных комплексов: четыре проводных - "Струна" (два - для МЧС, два - для себя) и один беспроводной - "Стрела". За последние пять лет специалисты Центра провели экспертизу более 100 объектов, в том числе здания Главного вычислительного центра Центрального банка Российской Федерации, высотного здания на проспекте Вернадского в Москве, промышленных зданий Западно-Сибирского металлургического комбината в г. Новокузнецке, а также жилых домов в Москве. Комплексы были успешно использованы специалистами МЧС для оценки устойчивости зданий и сооружений после катастрофических землетрясений и других чрезвычайных ситуаций на юге России и в Европе.

Традиционные методы диагностики не позволяют быстро охватить весь гигантский объем работы. В экспертизе нуждаются тысячи зданий - и промышленные и жилые. Старинные особняки, прекрасные памятники архитектуры сделаны на совесть. Но со времени их постройки прошел не один десяток лет. Поэтому необходимо совершенно точно знать, насколько они постарели, могут ли еще постоять или находятся в аварийном состоянии и нужно ли их усиливать или, несмотря на красоту, сносить.

Диагностический комплекс "Струна" делает эту задачу выполнимой. Он "видит" цель насквозь, скрыть от него недоделки, не говоря уже о серьезных дефектах, невозможно. А еще комплекс позволяет оценить степень реального износа здания.

Беду отведут высокие технологии. - 2002, № 10.

Максименко О. Компьютер против стихии наводнений. - 2003, № 4.

Ларионов В. Геоинформационные системы подсказывают, где "соломку подстелить". - 2003, № 5.

Адеменко И. Диагноз ставит "Струна". - 2003, № 6.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Распределение средних степеней повреждений зданий в городах и населенных пунктах (землетрясение в Турции, 1999 год).

Зонирование территории по степени опасности ее загрязнения вдоль трассы трубопровода: 1 - трубопровод, 2 - ощутимая степень опасности загрязнения, 3 - средняя, 4 - высокая, 5 - очень высокая.

С. П. Сущев с первым (1996) образцом сканирующего аппарата.

Пример полного разрушения ствола дымовой трубы.

Центр исследований экстремальных ситуаций:
Телефон: (095) 916-10-22
e-mail: esrc@online.ru
www.esrc.ru

№9, 2003