САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ГОСУДАРСТВЕННОЙ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СЛУЖБЫМЧС РОССИИ
Контрольная работа
По предмету: Основы применения авиационной техники при тушении пожаров
Тема: Применение беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) при решении задач охраны лесов
Выполнил:
Митин И.И.
Зачетная книжка ДВ №13009
Группа 713
Руководитель:
Санкт-Петербург
2017 г.
Содержание
Введение. 3
1. Предпосылки к применению БПЛА в лесном хозяйстве. 4
2. Анализ вариантов технологического сценария использования БПЛА в лесном хозяйстве. 8
Заключение. 15
Список литературы.. 16
Введение
Россия обладает самыми обширными лесными богатствами, требующими постоянных мероприятий по охране и защите, проведение которых невозможно без авиации. Еще 20 лет назад федеральный орган управления лесным хозяйством ежегодно привлекал до 700 воздушных судов (налет составлял более 150 тыс. ч). Можно констатировать, что лесное хозяйство являлось крупнейшим в стране государственным потребителем авиауслуг.
Еще Н.П. Курбатский отмечал: «Пожар - явление географическое». Около 90 % налета воздушных судов (ВС) приходится именно на борьбу с лесными пожарами.
К сожалению, сегодня из-за финансовых и административных трудностей ежегодный налет ВС в лесном хозяйстве составляет не более 20 тыс. часов, привлекается менее 250 ВС, что явно недостаточно. Поэтому чрезвычайно важным становится поиск новых технологий, способных изменить негативную ситуацию.
Цель данной работы – рассмотреть применение беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) при решении задач охраны лесов.
Предпосылки к применению БПЛА в лесном хозяйстве
Одним из направлений является космический мониторинг. Создание Информационной системы дистанционного мониторинга и ее промышленная эксплуатация, начавшаяся в 2006 г., позволили снизить остроту проблемы, но в силу технических особенностей космический мониторинг всегда останется лишь дополнительным инструментом в авиационной охране лесов.
Другое направление - применение малой авиации с относительно низкой стоимостью лётного часа. Однако российские авиакомпании пока не в состоянии удовлетворить потребности в воздушных судах со взлетной массой 1 – 2,5 т. Новейшим направлением в авиации считается беспилотная авиация.
Беспилотные технологии существуют давно. Сначала они были сложными и дорогостоящими комплексами, имевшими только военное применение. Но в течение последнего десятилетия в этой области произошел настоящий прорыв. Миниатюризация вычислительных систем и развитие спутниковой навигации (GPS/ГЛОНАСС) позволили создавать беспилотные летательные аппараты (БПЛА), у которых габариты, масса, а главное, стоимость на порядки меньше прежних. По доступности беспилотные технологии приближаются к уровню бытовых технологий. Сейчас прогресс в развитии гражданских беспилотных систем имеет высочайший темп, сформировалась новая индустрия услуг.
БПЛА считаются весьма перспективными средствами для гражданских задач, связанных с однообразной, грязной или опасной деятельностью; т.е. выполнение которых связано с монотонностью или опасностью для пилота пилотируемого воздушное судно (ВС). Pост потребности в БПЛА в разных странах вполне закономерен. Практический опыт применения БПЛА ведущими странами выявил широкий набор гражданских задач, при решении которых беспилотники показывают высокую эффективность.
Многолетняя практика авиалесоохранных работ показывает, что только в 65-70 % случаев полеты сочетаются с транспортной задачей. Третья часть полетов проводится с одной целью - «око в небе». Это потенциальная ниша для БПЛА, которая всегда будет лишь дополнительным (вспомогательным) инструментом при авиационных работах по охране лесов. Именно адресный характер применения БПЛА обеспечивает положительный эффект, а часть классических задач решается на качественно ином, более высоком уровне.
Уже на начальном этапе исследований определено, что главным критерием внедрения БПЛА в лесном хозяйстве является экономическая целесообразность. Это значит, что для решения лесохозяйственных задач целесообразно применение БПЛА малых классов (менее 20 кг). Более крупные и дорогие системы не могут конкурировать с классической авиацией при обслуживании значительных площадей из-за низкой производительности и высокой стоимости содержания. Накопленный в лесном хозяйстве опыт позволяет делать вывод о том, что использование беспилотных комплексов самостоятельно, исключительно для решения задач поиска пожаров, мало результативно.
Современные тенденции развития систем управления и информирования позволяют реализовать принцип «Ситуационной осведомленности» в режиме близком к реальному времени. Именно по этому, современные автоматизированные системы, включая беспилотные летательные системы, должны рассматриваться как элементы единой информационной системы, формируемой различными техническими средствами наземного, авиационного и космического вида.
Основные решаемые задачи на новом, качественно более высоком уровне.
1. Борьба с лесными пожарами:
- проведение воздушной разведки кромки действующего крупного пожара самостоятельно силами наземных и аэромобильных команд тушения. Легкие БПЛА, запускаемые с руки, решают задачу «разведки за холмом», способны осуществлять оперативную информационную поддержку пожарной бригады по необходимости. Сейчас подобная задача решается эпизодически, при наличии воздушного судна;
- использование БПЛА в качестве географически привязанного воздушного пункта наблюдения («летающей вышки») для обнаружения пожаров в районах возникновения высокой (чрезвычайной) пожарной опасности лесов, прежде всего в целях защиты населенных пунктов;
- патрулирование локальных площадных (сельскохозяйственных угодий, участков ценных насаждений, молодняков, мест массового посещения людьми и т. п.) или линейных объектов (ЛЭП, железных дорог, автомагистралей и т. п);
- осмотр действующих пожаров (в т.ч. с использованием инфракрасных камер) в чрезвычайные периоды, когда применение классической авиации невозможно из-за задымленности района; использование БПЛА в качестве ретранслятора УКВ-связи при организации радиосвязи на лесных пожарах, в том числе при полетах нескольких малых БЛА на значительное удаление (более 50 км) от точки запуска; мониторинг состояния торфяных пожаров.
2. Мониторинг лесопользования оперативное инспектирование мест проведения рубок и иных хозяйственных мероприятий в лесах (в режиме фото- или видеодокументирования). Осуществление этих работ возможно силами лесничеств или арендаторами самостоятельно в любое время. противодействие незаконным рубкам в лесах, выявление правонарушений и информирование компетентных органов.
3. Лесозащита оперативный осмотр (в режиме фото- или видеодокументирования) незначительных по площади лесных участков.
4. Лесоустройство плановая аэрофотосъемка крупных участков насаждений лесничеств или оперативная небольших участков по заказу лесопользователя.
Необходимо помнить, что БПЛА всегда будет лишь дополнительным (вспомогательным) инструментом при авиационных работах по охране лесов.
Широкое развитие БПЛА связано с рядом проблем:
1. использование видеорежима в реальном времени требует надежного канала радиосвязи. Несмотря на огромную дальность полета, у большинства образцов их радиус действия ограничен 10-50 км, увеличить который можно путем усложнения и удорожания комплекса. Это значит, что на определенном этапе стоимость лётного часа БПЛА может превысить стоимость часа работы классического ВС.
2. отсутствие оборудования для автоматического фиксирования пожаров при авиапатрулировании. К тому же человеческий глаз способен охватить большую площадь, чем камера БПЛА, он лучше воспринимает обстановку, что важно для анализа ситуации и прогноза развития. Следовательно, в отношении авиапатрулирования говорить о замене пилотируемой авиации беспилотными системами пока преждевременно.
3. В третьих, главная проблема - отсутствие нормативной базы для организации полетов БПЛА в воздушном пространстве страны. Ни в одной стране она пока не решена. Принятие необходимых поправок в Воздушный кодекс РФ произошло в 2011 г. Сейчас это главная причина, сдерживающая массовое внедрение беспилотных технологий в различные отрасли.
В настоящее время ФГУ «Авиалесоохрана» накоплен опыт согласования с региональным управлением воздушного движения зон и режимов выполнения полетов БПЛА. Использование БПЛА в европейской части страны, где имеется высокая активность воздушного движения, затруднено. Но в значительных количествах возможно применение БПЛА в азиатской части страны. В любом случае данная проблема рано или поздно будет решена положительно. Один из важных выводов: беспилотные системы нельзя рассматривать как авиационные комплексы, решающие авиационные задачи.
2. Анализ вариантов технологического сценария использования БПЛА в лесном хозяйстве
Для проведения анализа целесообразности и эффективности применения беспилотных летательных аппаратов в лесном хозяйстве в первую очередь необходимо найти корректное определение, что же такое БПЛА. Согласно определению в Федеральных авиационных правилах № 138 (ФАП-138), утвержденных постановлением Правительства Российской Федерации 11.03.2010 г.: «беспилотный летательный аппарат» - летательный аппарат, выполняющий полет без пилота (экипажа) на борту и управляемый в полете автоматически, оператором с пункта управления или сочетанием указанных способов. Конструктивно БПЛА состоит из:
- летающей платформы, способной перемещаться в пространстве;
- системы управления, обеспечивающей управление в дистанционном или в автономном режиме;
- полезной целевой нагрузки.
Размеры и типы платформ могут быт разнообразные:
- классическая самолетная схема в разных вариациях – когда полет основан на принципе использования подъемной силы крыльев возникающей при движении самолета в воздушной массе;
- различные вертолетные схемы – когда используется подъемная сила при вращении винтов;
- воздухоплавательные платформы – когда используется подъемная сила газов;
- иные схемы, например, когда подъем основан на силе реактивной струи турбореактивного или ракетного двигателя.
Системы управления могут быть: дистанционные по радиоканалам, автономные и комбинированные за счет программного обеспечения, с использованием спутниковой, инерционной, магнитной навигации и средств ориентировки по сопоставлению рельефа местности и карты (снимков) и прочие. Полезная целевая нагрузка также может быть различной:
- в основном это видеокамеры оптического и инфракрасного диапазонов, фотоаппаратура;
- в меньшей степени сканирующие устройства (радары, лидары, лазерные сканеры) различного назначения;
- системы определения координат наземных объектов и целеуказания;
- газоанализаторы, магнитные датчики, устройства ретрансляции сигналов радиосвязи, высокоскоростной передачи цифровых данных и прочее.
Беспилотные аппараты могут иметь различные характеристики, например, вес БПЛА варьируется от нескольких граммов до нескольких тонн. Именное целевое предназначение определяет облик БПЛА. Конструктивное разнообразие не позволяет определить технологии БПЛА как часть авиационных технологий. Наиболее точным определением представляется:
Беспилотный летательный аппарат – техническое решение обеспечивающее подъем без присутствия пилота оборудования над земной поверхностью (на высоту) и доставку его в заданную точку пространства с целью получения информации.
Для проведения анализа необходимо очертить основные технологические задачи, решаемые службами лесного хозяйства. Определить задачи, в которых одновременно присутствуют два условия: подъем над земной поверхностью и перемещение оборудования в точку пространства.
Необходимо провести сопоставление вариантов реализации технологического сценария при решении лесохозяйственной задачи существующими методами и технологиями и с применением БПЛА.
Критериями оценки будут:
- экономическая эффективность;
- технологическая эффективность.
Традиционно для государственных организаций в лесном хозяйстве сложилось четыре основных направления деятельности:
1. Охрана лесов от пожаров.
2. Лесозащита.
3. Лесоустройство.
4. Мониторинг состояния лесопользования.
В соответствии с заданными условиями мероприятия, реализуемые в области охраны лесов от пожаров, разделяются на две условные группы:
1. Мероприятия по обнаружению лесных пожаров:
- Наземное патрулирование лесного фонда.
- Обнаружение с помощью пожарно-наблюдательных пунктов и вышек (ПНП, ПНВ).
- Авиационное патрулирование (авиапатрулирование) лесного фонда.
2. Мероприятия по тушению лесных пожаров:
- Информационное обеспечение работ.
- Авиационное тушение.
- Транспортные работы.
- Мониторинг состояния лесопользования.
В соответствии с видами мероприятий произведем отбор типовых сценариев.
Сценарий 1. Наземное патрулирование лесного фонда. В целях эффективного обнаружения лесных пожаров в наземной зоне маршруты наземного патрулирования прокладывают через участки лесного фонда с высоким классом природной пожарной опасности и возвышенные открытые места рельефа. Проблемой является незначительная дальность осмотра из-за высокого плотного древостоя (обычно до 30 метров высотой). При обнаружении дым-точки, определяется направление на нее. Направляется команда, которая уже на месте идентифицирует загорание и его точное местоположение. В плотно заселенной территории и высокой горимости, повышается частота «ложных» выездов. Использование передвижных мачт с камерами видеонаблюдения способно увеличить просматриваемость, но не позволяет решить проблему идентификации загорания и его точного местоположения. Решение: использование БПЛА микрокласса на отдельных участках маршрута. Повышается просматриваемость территории и дальность обнаружения пожаров, возможность идентифицировать загорание без направления команды, определения точных координат пожара. Повышается технологическая эффективность работ.
Сценарий 2. Обнаружение с помощью пожарно-наблюдательных вышек. Эффективное обнаружение пожаров и определение их координат при наличии не менее 2 вышек на определенном участке. Устойчивое обнаружение на дистанциях до 24 км. При ухудшении прозрачности атмосферы, как правило, после 12 часов дня, дальность обнаружения снижается до 10-12 км, а в условиях задымления еще меньше. Стоимость постройки вышек в современных условиях высокая (более 1 млн. руб.). Для лесничеств с традиционно низкой горимости, когда пожары возможны в отделенные засушливые годы, например, это характерно для темнохвойных и смешанных типов лесов во влажных условиях местопроизрастания, строительство вышек может быть экономически не рентабельно. При этом в данных типах сохраняется вероятность при наступлении экстремальных погодных условий сильных верховых пожаров, угрозы населенным пунктам и ценным насаждениям. Возможно оснащение вышек современными средствами видеонаблюдения, стоимость одного комплекса до 2 млн. рублей. Что также имеет определенные границы экономической целесообразности. Подобные решения целесообразны при организации сети вышек.
Решение: использование БПЛА малых классов в отдельные периоды пожароопасного сезона. При этом при возникновении угрозы верховых пожаров БПЛА может обеспечить мониторинг динамики пожаров, развития кромки, достигается экономическая и технологическая эффективность.
Сценарий 3. Авиационное патрулирование оперативной зоны (территории лесничества, авиаотделения). Нормативная нагрузка на воздушное судно от 1,5 до 3 млн. га, в зависимости от режима авиапатрулирования. Радиус полета ВС составляет в среднем 100 км от точки старта (аэродрома), на отдельных участках маршрута более 150-200 км. Летчик-наблюдатель при стандартной прозрачности атмосферы способен обнаружить пожар площадью 0,1 га на дистанции 30 км. Профиль полета от 200 до 1000 метров. Сравнение решений: БПЛА большинства классов способны обеспечить радиус действий не более 100 км при обеспечении на максимальном удалении профиля полета не ниже 1000 метров. При этом стандартная видеосистема этих БПЛА обеспечивает устойчивую идентификацию дым-точки с дистанции до 10 км. С увеличением радиуса требуется использование более сложной целевой нагрузки: оптических систем высокого разрешения, позволяющих рассматривать объекты на земле с больших высот (2-6 км) и мощных передатчиков радиосигналов. Следовательно, с ростом заданного радиуса происходит увеличение массы БПЛА и его стоимости. Большинство имеющихся на отечественном рынке БПЛА не способны производить авиапатрулирование территорий площадью более 200 тыс.га. Для выполнения Сценария 3 требуется БПЛА по характеристикам и стоимости, приближенными к классическим пилотируемым ВС. Экономическая и технологическая эффективность выполнения данной задачи с помощью БПЛА недостаточная.
Сценарий 4. Проведение авиапатрулирования локального участка лесного фонда. Наличие ценных участков и участков лесных арендаторов. Организация авиапатрулирования небольших по размерам территорий затруднительно. Высокая стоимость летного часа работы ВС и удаленность базового аэродрома сделает это мероприятие исключительно затратным. Также одной из проблем станет нехватка ВС для всех заказчиков. Авиакомпании всегда отдают приоритет крупным по объему заказам. Решение: При использовании БПЛА малых классов повышается гибкость организации осмотров участка, снижаются удельные затраты, осмотры могут быть проведены по потребности в любое время. В мероприятиях по тушению лесных пожаров можно выделить следующие сценарии, где в современных условиях возможно применение БПЛА с высокой технологической и экономической эффективностью.
Сценарий 5. Мониторинг развития пожара.
а) Периодический осмотр летчиком-наблюдателем состояния пожара, оценка его развития.
б) Периодический осмотр (облет на вертолете) пожара руководителем тушения.
в) Мониторинг опасных ситуаций на пожаре для обеспечения безопасности сил тушения.
г) Наведение наземных команд тушения на пожаре или его критические участки.
Сценарий 6. Мониторинг лесопожарной ситуации в оперативной зоне для обеспечения работы оперативных штабов.
Сценарий 7. Координирования действия команд тушения на пожаре и обеспечение их взаимодействия с воздуха. Мероприятия, реализуемые в области защиты лесов разделяются на две условные группы:
1. общий лесопатологический мониторинг.
2. адресный лесопатологический мониторинг. В данном направлении возможным будет выполнение.
Сценария 8. Проведение адресного общего лесопатологического мониторинга участка лесного фонда. Мероприятия по проведению лесоустройству можно разделить на две группы:
1. плановая аэрофотосъемка лесного фонда в целях проведения лесоустройства.
2. оперативная аэрофотосъемка участка лесного фонда. Здесь выделяется.
Сценарий 9. Организация аэрофотосъемки локального участка лесного фонда. Проведение авиапатрулирования локального участка лесного фонда. Наличие заказов от арендаторов участков лесных, появления гарей, ветровалов требует оперативных работ по лесоустройству. Привлечение авиации для работы над небольшими по размерам территориями затруднительно. Высокая стоимость летного часа работы ВС и удаленность базового аэродрома сделает это мероприятие исключительно затратным.
Решение: При использовании БПЛА малых классов повышается гибкость организации аэрофотосъемки участка, снижаются удельные затраты, работы могут быть проведены по потребности в любое время.
Мероприятия, проводимые с целью мониторинга состояния лесопользования, где возможно применение систем БПЛА можно разделить две групп:
1. оперативное инспектирование мест проведения рубок и иных хозяйственных мероприятий в лесах (в режиме фото- или видеодокументирования).
2. противодействие незаконным рубкам в лесах
Сценарий 10. Инспектирование места проведения рубок, деятельности арендаторов.
Сценарий 11. Выявление участков с незаконной хозяйственно деятельностью и сбор доказательной базы правонарушений.
Сценарий 12. Оперативное наведение правоохранительных подразделений с целью пресечения нарушений лесного законодательства. В результате оценки выявлены 12 типовых сценариев, где применение БПЛА дают экономическую или технологическую эффективность.
Сценарии, реализация которых возможна с учетом существующих в России беспилотных комплексов.
Заключение
В современных условиях уровень развития беспилотных авиационных технологий в России позволяет четко оценить возможности беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) разных классов.
Направление развития БПЛА идет от «универсальности» в сторону «специализации» беспилотных аппаратов и самих комплексов на «унифицированных» платформах управления, т.е. комплексы, в перспективе, будут создаваться исключительно под целевые требования заказчика. При этом «унификация» платформы управления позволят формировать один комплекс с набором аппаратов разного класса и типа.
Данный подход позволяет снизить стоимость как самого комплекса, так и удельные затраты в период его эксплуатации за счет оптимизации выполнения полетов путем выбора типа аппаратов и полезной нагрузки под конкретные задачи.
Список литературы
1. Положение о Федеральном агентстве лесного хозяйства, утвержденное постановлением Правительства Российской Федерации от 23 сентября 2010 г. № 736/Консультант Плюс
2. Постановление Правительства Российской Федерации от 24 мая 2007 года № 314 «О полномочиях Федерального агентства лесного хозяйства в области лесных отношений» /Консультант Плюс
3. Правила организации и осуществления авиационных работ по охране и защите лесов, утвержденные Постановлением Правительства Российской Федерации от 19 июня 2007 г. N 385. /Консультант Плюс
4. Валендик, Э. Н. Борьба с крупными лесными пожарами / Э. Н. Валендик. – Новосибирск.: Наука, Сиб. отд-ние, 2013. - 193 с.
5. Коршунов Н.А., Котельников Р.В. Борьба с лесными пожарами: проблема информационного обеспечения авиасредствами и ее решение // Пожарная безопасность. – 2012. - №1. – С.125-129