Новости науки
Сигналы во спасение. Новые технологии связи повысят безопасность работ в шахтах
Газета «Поиск» (г. Москва), 18.12.2021
Дата публикации: 25.01.2022
Недавняя трагедия на шахте в Кузбассе, приведшая к гибели десятков людей, заставила содрогнуться. В беде обвинили руководство шахты, президент ужаснулся зарплатам шахтёров, дикторы в новостях возмущённо перечисляли, чего в шахте не хватало, чтобы обеспечить безопасность. Всплыл в памяти один разговор во время давней – лет пятнадцать назад – командировки в Кемеровский госуниверситет. Человек, который видел больше, чем многие, но не чувствовал себя в силах изменить ситуацию, сказал примерно следующее: оборудование в угольных шахтах устарело, но на их модернизацию нет средств, многие шахты убыточны, однако закрыть их означает оставить без средств к существованию тысячи шахтёров. Никто в этом не заинтересован, в том числе и сами шахтёры, которые предпочитают ради заработка рисковать жизнью. «Остаётся только ждать, когда рванёт в очередной раз, и это будет, к сожалению, происходить постоянно», — горько заключил мой собеседник.
Безопасность людей под землёй – огромная проблема, решение которой зависит от многих сторон. Немалый вклад делают учёные. Правда, в нашей стране внедрить результаты их труда в практику оказывается порой непросто, хотя в мире такие исследования очень востребованы.
Опасность, грозящая людям, которые работают под землёй, исходит не только от возможных завалов или воспламенений газа. Существует ещё такая проблема, как наезды и столкновения подземного транспорта (это локомотивы, вагонетки, трактора, буровая техника). В открытой литературе приводятся данные о травматизме, реже – о гибели шахтёров по этой причине. В 2018 году в одной угольной шахте Кузбасса травмы, несовместимые с жизнью, получил 21 человек, в 2017-м – 13. Только в одной шахте! Но подобные случаи обычно не поражают количеством людей, пострадавших одновременно, и поэтому проходят незамеченными, не вызывая общественного резонанса. Тем не менее такое случается, и такого быть не должно.
На помощь приходят современные технологии интернета вещей.
Проект, о котором пойдёт речь, победил в конкурсе междисциплинарных фундаментальных исследований, проводимом Российским фондом фундаментальных исследований совместно с регионом (в данном случае – с Красноярским краем), и выполнялся в 2018-2020 годах. Название – «Исследование распространения сверхширокополосных радиосигналов в закрытых пространствах с неоднородными параметрами отражающих поверхностей и разработка программно-аппаратных средств для обеспечения точного позиционирования подвижных объектов». О том, что стоит за этими словами, рассказал руководитель проекта, кандидат технических наук, доцент кафедры радиоэлектронных систем Института инженерной физики и радиоэлектроники Сибирского федерального университета Тимур Краснов.
Целей у этого проекта, собственно, две. Первая, как было сказано выше, – обеспечение безопасности, снижение травматизма и смертности рабочих из-за столкновений и наездов подземного транспорта. Вторая – автоматизация менеджмента. Сеть датчиков (радиометок), установленных на движущихся объектах, предоставляет информацию об их положении в пространстве на базовые станции, оттуда данные идут на сервер навигационной системы. Сервер и базовые станции имеют один канал информационного общения, а базовые станции и радиометки другой – сверхширокополосные сигналы. Такая система позиционирования объектов позволяет менеджерам грамотно этими объектами распоряжаться, принимать более взвешенные решения, в автоматическом режиме предотвращать наезды и столкновения. Датчики-радиометки пока недешёвы: один стоит примерно как дешёвый смартфон. В идеале такая метка должна быть у каждого рабочего и на каждой активной (то есть движущейся) единице техники.
Казалось бы, технология известная. Это знают, например, москвичи, переболевшие ковидом или побывавшие на карантине: система социального мониторинга, к которой они подключались, автоматически отслеживала их передвижение за пределами дома.
Однако в шахтах существующие системы позиционирования работают плохо – их показания неточные и ненадёжные.
— В замкнутом пространстве под землёй среда распространения широкополосных сигналов иная, чем на поверхности, — объясняет Краснов. — Проводимость пород, ограничивающих шахту, настолько высока, что стены можно сравнить с металлическими полотнами. За рубежом много публикаций и большое финансирование исследовательских работ в этом направлении. Но опубликованные исследования отталкиваются от модели замкнутого помещения с ровными металлическими стенами, а на самом-то деле проблема гораздо сложнее. В шахте стены неровные, всегда есть направляющие линии для сигналов – арки, линии связи, рельсы, штреки, оборудование и т. п. – которые влияют на точность решения навигационной задачи, и все это необходимо учитывать при проектировании системы позиционирования. Сигналы отражаются от неровностей, возникают копии сигналов, и мы уже не можем достоверно определить расстояние между радиометкой и базовой станцией. Появляются линии распространения сигналов вне прямой видимости, что создаёт помехи. Можно, конечно, увеличить мощность сигнала, но это, во-первых, снизит автономное время работы всех датчиков. Во-вторых, мощность не должна превышать разрешённую – есть санитарные нормы. А в-третьих, это просто не поможет, ведь помехи тоже возрастут. Без исследований тут не обойтись. Хорошо, что РФФИ выделил грант для решения этих вопросов: мы, Россия, хотя бы не отстанем в этом направлении.
От того, как будет решена проблема высокоточного определения координат подвижной техники и персонала в подземных горных выработках, напрямую зависят безопасность людей, работающих под землёй, и коэффициент эффективности использования техники. Внедрение высокоточной системы позиционирования в шахтах и на горнодобывающих предприятиях позволит эффективнее производить учёт работы персонала и транспорта, предотвращать проникновение работников в опасные зоны, в реальном времени производить мониторинг технического состояния технологического оборудования и транспорта. При угрозе столкновения или наезда подземный транспорт автоматически остановится. А в случае аварии спасатели будут обладать информацией о месте нахождения людей, что спасёт многие жизни.
Упрощённо задачу учёных можно сформулировать так. Существует статистическая модель распространения сигнала при передвижении объекта в помещении с ровными металлическими стенами. Отталкиваясь от неё, путём расчётов, разработки специальных алгоритмов, усовершенствования технической аппаратуры необходимо было прийти к созданию системы как можно более точного позиционирования движущихся в подземном пространстве объектов. Эксперименты проводили на шахте Иртышская в Усть-Каменогорске (Казахстан), где добывается медно-цинковая руда. Там осваивали новое программное обеспечение. Были получены неплохие результаты.
— В коллективе, который исполняет проект, заявлено шесть человек, но на самом деле работает больше, конечно, — рассказал Краснов. — В проведении экспериментов участвуют специалисты со стороны заказчика; учёные, интересующиеся этой проблемой, помогают, консультируют, выступают соавторами публикаций. Большой интерес у молодёжи. Студенты приходят, просятся к нам делать диплом. Спрашиваю: откуда узнали? Да вот, говорят, статью прочитали, выступление на конференции услышали… Молодым хочется заниматься чем-то действительно важным, с прицелом на то, чтобы сделать свой вклад, а потом, может, и остаться работать в этом важном направлении. Мы всем даём задачи. Возможно, благодаря своей квалификационной работе они придут к коммерческим заказам. Во всяком случае мы с ними на это нацелены.
Наш партнёр – научно-производственная фирма «Иридий» – одно из предприятий, ориентированных на использование самых современных технологий в горнодобывающей отрасли, – работает с зарубежными компаниями. Понимая всю важность инвестиций на этом этапе, она помогает нам с контактами, проведением экспериментов.
Проект, поддержанный грантом РФФИ, благополучно завершился, прототип системы точного позиционирования создан, учёные успешно отчитались перед Фондом научными статьями. Что дальше?
— Внедрить такую систему в производство можно только при дополнительном коммерческом финансировании. Оно есть. Промышленность не бедна, — считает Краснов. — Основную проблему я вижу в том, что большинство научных исследований живёт только за счёт поддержки фондов, а практический выхлоп для обеспечения технологического рывка – то, ради чего государство вкладывается в науку, – постоянно маячит впереди, проекты же продолжают требовать фондовой поддержки. Мы не хотим так! Благодаря мощному гранту РФФИ, который нам удалось получить, мы можем делать шаги и для практического продвижения нашей разработки. Научная задача решена в срок, но в коммерции же никаких конкретных сроков не существует. Пока нет заказа и договора, сказать, когда новое оборудование появится на российских горно-обрабатывающих предприятиях, мы не можем. Отмечу только, что переговоры по поводу внедрения ведём и надеемся на успех.
Тут можно было бы и закончить статью. Но осталось добавить, что Тимур Валерьевич уже пятую неделю в командировке, работает в Казахстане, где на горно-обогатительном комбинате в городе Балхаш внедряется разработанная под его руководством система точного позиционирования. Специалисты из бывшей братской республики вышли на красноярских учёных сами. К концу этого месяца система будет запущена.
— В худшем для нашего Отечества случае казахстанская компания предложит свои услуги, конкурируя на российском рынке, — огорчённо говорит Краснов. — А ведь, увы, так и будет. Недавно на большой конференции по нашей тематике эксперт из компании «ЭР-Телеком» с сожалением сообщил, что в ближней Азии в распространении интернета вещей с использованием их сетей быстрее всех развивается Киргизия. Не Россия и не Казахстан. Но особенно прискорбно, что наши шахтёры поставлены в такие условия, что из опасения уменьшить выработку они блокируют приборы, которые в случае опасности останавливают производство. Так, оказалось, что на шахте в Кузбассе, где недавно произошёл взрыв, на некоторые датчики были одеты бумажные пакеты. Очень боюсь, что технологии безопасности, в которых мы так продвинулись благодаря РФФИ, в российских шахтах могут оказаться неприменимыми. Хотя это уже не ответственность учёных.
Наталия Булгакова
Источник: Газета «Поиск»
Фото: Taton Moïse / Unsplash
