Курсовая работа (т): Разработка алгоритма обнаружения закладных устройств в железнодорожном транспорте тепловым методом

В основе аналитического решения задач активного теплового контроля лежит уравнение теплопроводности.

Для решения уравнения используют граничные условия, а при конвективном теплообмене - условие непрерывности потока и сохранения массы. Граничные условия задают, например, в виде известного распределения температур или тепловых потоков.

Существуют следующие способы активного теплового контроля изделий:

1. По истечении некоторого времени (чтобы зона контроля успела остыть) переходят к следующей точке и т.д. Так будет пройдена вся поверхность, причем измеренная температура областей с минами будет существенно отличаться от температуры участков без мин.

2. С использованием сканирующей системы, состоящей из жестко закрепленных друг относительно друга источника нагрева и регистрирующего прибора (например, радиометра), перемещающихся с постоянной скоростью вдоль поверхности образца.

. Одновременный нагрев поверхности образца вдоль некоторой линии с последующей регистрацией температуры вдоль этой же линии (при одностороннем контроле) или вдоль аналогичной линии с противоположной поверхности образца (при двустороннем контроле). Подобная регистрация может быть осуществлена, например, прибором термопрофиль.

. Одновременный нагрев всей поверхности образца и последующая регистрация температурного распределения на этой же или на противоположной поверхности. Подобный способ контроля может быть осуществлен при помощи тепловизора.

Эффективность каждого из описанных способов теплового контроля уменьшается (от первого к четвертому), а производительность возрастает.

Бесконтактные методы теплового контроля основаны на использовании ИК-излучения, испускаемого всеми нагретыми телами. ИК-излучение занимает широкий диапазон длин волн 0,76... 1000 мкм. Спектр, мощность и пространственные характеристики этого излучения зависят от температуры тела и его излучаемой способности, обусловленной, в основном, его материалом и микроструктурными характеристиками излучающей поверхности. Например, шероховатые поверхности излучают сильнее, чем зеркальные. При повышении температуры мощность излучения быстро растет, а ее максимум сдвигается в область более коротких длин волн. Спектр излучения может быть непрерывным или дискретным.

Характер спектра зависит, в основном, от агрегатного состояния вещества. Для твердых и жидких тел, как правило, характерны непрерывные спектры излучения, а для газообразных - линейные, которые при больших давлениях или больших толщинах чаще переходят в непрерывный.

Объекты ТМОМ весьма многообразны. Они различаются по физической сущности, положению в пространстве, связи с антропогенной деятельностью и другим свойствам. Основной признак, определяющий возможности ТМОМ - характер формирования регистрируемого теплового контраста.

Принципиально возможно существование двух видов объектов, которые условно можно назвать температурно- и радиационно-контрастными. Первые выделяются из-за различия термодинамических температур объекта и фона, а вторые - различием коэффициентов излучения. Естественно, что в первом случае контраст может быть зарегистрирован как дистанционно, так и при непосредственном измерении. Во втором случае возможна только дистанционная регистрация.

Формирование теплового поля температурно-контрастных объектов в первую очередь определяется основным источником нагрева. По этому признаку можно выделять объект с внешним источником и с внутренним. Внешним источником теплоты является Солнце, за счет излучения которого происходит нагрев земной поверхности, а внутренними (не связанными с солнечным нагревом) могут быть как природные (например, очаги возгорания), так и антропогенные (например, подземные теплопроводы) источники. Хотя солнечное излучение определяет распределение температур земной поверхности, для тепловой диагностики главную роль в формировании тепловой аномалии играют внутренние источники.

В целом температура почвы и образований на ее поверхности (руины зданий, обломки других техногенных сооружений, следы селевых потоков и т.д.) определяется как свойствами этих объектов и активного слоя почвы (тепловая инерция, геотермальный поток, альбедо, экспозиция), так и соотношением между составляющими теплового баланса (радиационный баланс, турбулентный обмен, испарение).

Заметно понижает температуру объектов ветер. В частности, в местах, защищенных от ветра, наблюдаются ветровые аномалии (локальный перегрев почвы). Это позволяет увереннее проводить поиск.

Методы измерения теплофизических характеристик основаны на анализе температурного отклика объекта Т (х, y, z, t) на тепловое воздействие в специально оговариваемых условиях (х, у, z - декартовы координаты; t - время). Теория теплопроводности позволяет аналитически определять эту функцию. [5]

Контактные средства измерения температуры, главным образом термоэлектрические, применяются только при калибровке инфракрасной аппаратуры дистанционного обнаружения мин для коррекции характеристик излучаемой способности грунтов.

Тепловизионная аппаратура. Преобразователи с оптико-механическим сканированием (ПОМС) используют главным образом на средневолновом участке ИК-спектра (2 ... 15 мкм) для анализа собственного теплового излучения объектов. Принцип действия тепловизора заключается в просмотре по заданному закону движения поверхности объекта узким оптическим лучом, сформированным системой объектив - приемник. Тепловизоры имеют черно-белые или цветные видеомониторы и устройства аналоговой и цифровой обработки изображения. Термограммы регистрируют с помощью фотокамер и аналоговых видеомагнитофонов. В последнее время широко применяют тепловизионные системы с блоками цифровой памяти, имеющие интерфейс и работающие в комплексе с ПЭВМ.

ТМОМ строят на основе трех вариантов тепловой ИК-съемки: воздушной, наземной и водной. При любом варианте выполнения тепловой ИК-съемки, как и при всех видах дистанционных методов исследований, в состав комплекса работ входят непосредственные наземные исследования. Синхронные наземные исследования проводятся на эталонных площадках с целью получения фактических значений параметров среды на момент дистанционной регистрации теплового поля. Эти данные используют при интерпретации тепловых изображений, главным образом при количественной оценке состояния объектов наблюдения.

Основные технологические вопросы - это вопросы, связанные с выбором оптимальных условий, режима и технических параметров съемки. Условия включают время суток (солнечное время), сезонную и отчасти метеорологическую обстановку.

Солнечное излучение является основным фактором, определяющим регистрируемый контраст мин. Для выявления таких объектов необходима двукратная съемка, выполняемая в дневное и ночное время.

Для объектов с внутренним источником нагрева (теплотрассы вдоль минных полей и т.д.) наиболее информативна ночная съемка. Время суток мало влияет на величину регистрируемых контрастов, однако им определяются неоднородности теплового поля фоновой поверхности. В светлое время суток распределение температур, обусловленное различиями в составе верхнего слоя грунта и его влажности, в состоянии земной поверхности (особенно ее покрытия) и в рельефе, маскирует тепловые аномалии, связанные с большинством объектов наблюдения с выходом нагретого вещества на дневную поверхность (например, аварийные утечки из тепловых сетей, неглубокие очаги возгорания).

Сезонное время для проведения ТМОМ выбирают с учетом как времени возникновения объектов наблюдения (или критического изменения их состояния), так и оптимальных условий проявления объектов. Важен учет факторов с изменением влажности почв, грунтов, оптимальный период приходится на июнь-сентябрь. В наибольшей степени на условия съемки влияют такие параметры метеорологической обстановки, как температура воздуха, скорость ветра, осадки, облачность и состояние атмосферы.

Выделение объектов наблюдения на тепловых изображениях производится по совокупности дешифрованных признаков, основные из которых - яркостный контраст, пространственная характеристика и конфигурация тепловой аномалии.

Анализ тепловых динамических изображений (хронотермограмм) позволяет точнее выявлять подповерхностные аномалии теплофизических характеристик объектов, обнаруживать изменения плотности пород, зоны повышенного влагосодержания, наличие пустот и т.д.

ИК-изображения могут регистрироваться (даже при отсутствии температурных перепадов на объекте) только за счет различий в излучаемой способности его деталей. Например, в предрассветные часы, когда температурные различия на почве практически выравниваются, тепловизор четко выделяет металлические предметы в силу их малой, по сравнению с фоном, излучаемой способности.

2.3 Область применения тепловидения

Тепловидение - получение видимого изображения объектов по их собственному, либо отражённому от них тепловому (инфракрасному) излучению. Тепловизор служит для определения местоположения и формы объектов, находящихся в темноте или в оптически непрозрачных средах, а также для изучения степени нагретости отдельных участков сложных поверхностей и внутренней структуры тел, непрозрачных в видимом свете [6].

Каждое нагретое тело испускает тепловое излучение, интенсивность и спектр которого зависят от свойств тела и его температуры. Для тел с температурой несколько десятков градусов характерно излучение в инфракрасной области спектра электромагнитных колебаний. Инфракрасное излучение невидимо для человеческого глаза, но может быть обнаружено различными приёмниками теплового излучения и тем или иным способом преобразовано в видимое изображение.

Анализ источников информации позволяет привести краткий перечень областей применения и объектов контроля для тепловидения, приведенный в таблице 1 [3].

Таблица 1 - Области применения тепловидения

.4 Анализ развитой модели ТК ( на примере обнаружения заглубленных мин)

Анализ развитой модели ТК рассмотрен ниже на примере обнаружения противопехотных и противотанковых мин в грунте (см. рисунок 2.2). Номенклатура таких мин весьма широка, однако в теоретических моделях чаще всего их имитируют однородным диском, расположенным в почве на глубинах от 1 до 15 см. Почва нагревается солнечным излучением, суточный ход которого моделируют функцией: , где циклическая частота связана с суточным изменением солнечной освещенности .

Большинство исследователей полагают, что обнаружение мины с помощью тепловизора возможно благодаря локальному возмущению ТФХ почвы, которое возникает при внесении мины в почву. Это доказывается четко фиксируемым в экспериментах суточным ходом , что хорошо согласуется с простейшей моделью ТК. Однако, термографический контраст в месте расположения мины зависит не только от температуры, но и от изменения коэффициента излучения почвы, обусловленного ее разрыхлением и изменением влажности. Дополнительным фактором является наличие растительности, которая затеняет истинную температуру поверхности почвы.

) Классическая модель обнаружения мин в грунте. Пусть требуется обнаружить в почве противопехотные безоболочные мины на основе тринитротолуола. Классическая двухмерная модель ТК в цилиндрических координатах позволяет получить зависимости сигнала  от времени, глубины залегания, размеров мины, ТФХ и неровностей почвы (рисунок 2.2). Вследствие более низкой интегральной теплопроводности тринитротолуола по сравнению с типичными почвами, в дневное время над миной имеет место локальное повышение температуры, т.е.  > 0, достигая почти  ~ 5 °С в середине дня (рисунок 2.3). Для неглубоко залегающих мин в ночное время может иметь место инверсия , когда участок почвы над миной характеризуется пониженной температурой. В простейшей модели обнаружения мин наиболее сильным фактором, влияющим на , является глубина залегания мины l.

Рисунок 2.2 - Модель ТК мин, заглубленных в почве: а - схема контроля и граничные условия на поверхности почвы; б - дискретизация пространственной сетки на поверхности (моделирование шероховатости)

2) Развитая модель ТК (на примере обнаружения заглубленных мин). Пусть безоболочная мина из тринитротолуола диаметром 20 см находится в почве на двух глубинах: 1 и 5 см. Различные виды типов и профилей нагрева изображены на рисунке 2.4. Отсчет времени ведется от 6-00 ч утра (соответствует 0 ч на рисунке 2.4); максимум солнечной инсоляции приходится на 12-00 ч дня. Для численного анализа использована программа Thermo Heat-3D Pro (фирма "Инновация", Россия), в которой все параметры модели можно задавать в табличной форме как функцию времени. Результаты моделирования приведены в таблице 2.

Рисунок 2.3 - Изменение температурных сигналов при обнаружении дискообразной безоболочной мины в почве на глубине 1 см ( Q_m = 500 Вт/м²; r_d = 10 см; d = 10см; l = 1 см)

Таблица 2 - Результаты численного моделирования ситуаций, возникающих при обнаружении мин в почве

Рисунок 2.4 - Профили нагрева при обнаружении мин в почве: а - нагрев лучистым потоком (солнечная инсоляция в безоблачный день; максимум инсоляции в 12-00 ч дня); б - моделирования возрастания скорости ветра, начиная с 12-00 ч; в - совместный нагрев лучистым потоком и изменяющейся температурой среды; г - совместный нагрев лучистым потоком и изменяющейся температурой среды (солнце за облаками, лучистый поток равен нулю с 13-00 до 14-00ч ); д - совместный нагрев лучистым потоком и изменяющейся температурой среды (включение дополнительного источника, лучистый поток увеличен на 500 Вт/м² с 15-00 до 16-00 ч)

Профиль I моделирует нагрев косинусоидальным импульсом (полная поглощенная энергия в течение 12 часов равна 3 кВтч/м²). Сравнивая данные видно, что оптимальные параметры обнаружения весьма близки (различия объясняются отклонениями ступенчатого профиля нагрева от гладкого и тем, что в программе Thermo-Heat-3DPro возможно моделировать дефекты прямоугольной формы в отличие от дискообразных дефектов в программе Thermo Calc-2D).

Влияние ветра. В рамках принятой модели изменение скорости ветра может быть сведено к изменениям коэффициента теплообмена . Пример временного профиля II коэффициента теплообмена изображен на рисунке 2.4, б: смоделировано увеличение интенсивности теплоотдачи, начиная с 12-00 ч, с 10 до 30 Вт/м²К , это может быть следствием увеличения скорости ветра с 2 до 11 м/с. Очевидно, что усиление теплоотдачи с поверхности снижает сигнал от заглубленных мин. В особенности, этот эффект характерен для мины, расположенной на глубине 5 см, поскольку увеличение  произошло в период ее оптимального проявления.

Совместный нагрев солнечным излучением и средой. До сих пор рассматривали нагрев объекта контроля тепловым потоком мощностью , причем начальная температура  была равна температуре окружающей среды _amb, а граничное условие имело вид уравнения:[4]

 (2.4.1)

Нетрудно показать, что если температура среды изменяется, то это эквивалентно поступлению дополнительной энергии, которая будет нагревать тело, если T_amb > Т₀ и охлаждать его, если T_amb < T₀. В частности, при тепловом обнаружении мин температура воздуха подвержена суточным колебаниям, а солнечный поток существенно зависит от облачности. В таком случае следует рассматривать произвольную функцию нагрева солнцем и средой в виде:

 (2.4.2)

Профиль III моделирует такой комбинированный способ нагрева, причем рост температуры среды _amb происходит относительно начального момента, за который принято 6-00 ч утра. Поскольку даже в момент максимальной температуры среды (рост на 8 °С в период с 13-00 до 14-00) эквивалентный дополнительный поток равен только _amb = 80 Вт/м², т.е. существенно меньше основного лучистого потока, приращение температурного сигнала вследствие дополнительного подогрева окружающей средой незначительно

Уход солнца за облака. Пример суточной функции нагрева, моделирующей кратковременный уход солнца за облака (с 13-00 до 14-00 ч), показан на рисунке 2.4, г (профиль IV). Из данных таблицы 2 видно, что даже столь существенный спад инсоляции слабо влияет на температурные сигналы над заглубленными минами, поскольку основная мощность этих сигналов обусловлена солнечной энергией, поглощенной в течение первой половины дня.

Нагрев с помощью дополнительного источника. В рамках модели с произвольным нагревом возможен анализ возможности улучшения выявляемости мин путем использования искусственного источника нагрева: функция нагрева для этого случая изображена на рисунке 2.4, д (профиль V, мощность лучистого потока с 15-00 до 16-00 ч увеличена на 500 Вт/м²). Как и следовало ожидать, улучшение выявляемости заглубленного объекта наступает спустя некоторое время после включения источника, что в рассмотренном случае приводит к возрастанию временной задержки. Величина стимулированного  зависит от мощности источника и в случае профиля V возрастает на 3 ... 5 %. Очевидно, что столь малое повышение сигнала связано с неоптимальным временем включения дополнительного источника, использование которого более эффективно при малых .

Неровности почвы. При обнаружении температурных отпечатков заглубленных мин существенную помощь оператору в идентификации мины оказывает ее правильная геометрическая форма, которая в идеальном случае однородного фона может искажаться только, если тепловизор ионизирует поверхность под углом, отличным от нормального (рисунок 2.4, а). Однако в реальных ситуациях неровности почвы изменяют как глубину залегания дефекта, так и количество поглощаемой энергии, причем последняя изменяется по мере перемещения солнца по небосклону; например, многочисленные впадины сопоставимых с миной размеров создают на термограммах многочисленные температурные сигналы, которые могут быть интерпретированы как сигналы от мин.

Влажность почвы. Влияние изменившейся влажности почвы на выявляемость заглубленных в почву предметов существенно, но не изучено исчерпывающим образом, поскольку зависит от комбинации нескольких факторов, которые могут действовать на  противоположным образом, а именно: 1) как правило, осадки имеют температуру ниже температуры поверхности почвы, что приводит к снижению и выравниванию температуры поверхности после их выпадения; 2) наличие в почве влаги изменяет ее ТФХ; 3) испарение влаги на поверхности почвы изменяет баланс тепловых потоков; 4) влажная почва изменяет свой коэффициент поглощения (излучения).

Приблизительно можно считать, что в первые моменты времени после начала дождя, температура поверхностного слоя почвы становится близкой к температуре выпавшей воды, и температурные отпечатки заглубленных предметов полностью "смазываются".

Во многих случаях наличие влаги увеличивает теплопроводность пористой среды, тогда как зависимость температуропроводности почвы от влажности может иметь выраженный экстремум. Влияние влажности почвы на величину температурных контрастов зависит от того, как она влияет на отношение ТФХ заглубленного предмета и почвы. Так, для тринитротолуола во влажном песке температурный сигнал, по сравнению с сухим песком, изменяет знак (точнее, последовательность наступления сигналов обоих знаков), и возрастает по модулю в несколько раз благодаря существенному увеличению теплопроводности песка при его увлажнении.

3. Описание теплового метода обнаружения закладок

Всякое физическое явление, в том числе и процесс теплопередачи, происходит в пространстве и времени. Поэтому аналитическое исследование теплопроводности сводится к изучению пространственно-временного изменения основной физической величины - температуры, характерной для данного явления, т.е. к нахождению зависимости

 (3.1)

где - пространственные координаты в декартовой системе,  - время.

Для решения задач, связанных с нахождением температурного поля, необходимо иметь дифференциальное уравнение теплопроводности. Под дифференциальным уравнением обычно понимают математическую зависимость, выражаемую дифференциальным уравнением, между физическими величинами, характеризующими изучаемое явление, причем эти физические величины являются функциями пространства и времени. Такое уравнение характеризует протекание физического явления в любой момент времени.

Дифференциальное уравнение теплопроводности дает зависимость между температурой, временем и координатами элементарного объема. Уравнение теплопроводности имеет вид:

,  (3.2)

где  - оператор Лапласа [3].

Дифференциальное уравнение теплопроводности устанавливает связь между временными и пространственными изменениями температуры тела. Оно математически описывает перенос тепла внутри тела. Для того чтобы найти температурное поле внутри тела в любой момент времени, т.е. чтобы решить дифференциальное уравнение, надо знать распределение температуры внутри тела в начальные момент времени (начальное условие), геометрическую форму тела и закон взаимодействия между окружающей средой и поверхностью тела (граничное условие).

Совокупность начального и граничного условий называется краевыми условиями. Начальное условие называется временным краевым условием, а граничное условие - пространственным краевым условием [5].

Начальное условие определяется заданием закона распределения температуры внутри тела в начальные момент времени:

 (3.3)

где  - известная функция.

Граничные условия определяются методом расчета температурного поля в почве, когда на ее поверхности теплопередача происходит одновременно несколькими способами. В качестве исходных данных заданы функции, описывающие временные изменения параметров, характеризующих термическую обстановку над поверхностью почвы (температура воздуха, солнечное излучение, скорость ветра и др.)

Тепловой поток через поверхность почвы можно выразить с помощью уравнения теплового баланса [7]:

, (3.4)

где  - солнечная радиация,

 - результирующий поток теплового излучения,

 - тепловой поток конвекций,

 - затраты тепла на испарение.

Дан массив со следующими теплофизическими характеристиками: λ₁, c₁ и ρ₁, теплоемкость и плотность можно заменить на коэффициент температуропроводности (₁), исходя из формулы [1]:

 (3.5)

В массиве имеется неоднородность, ограниченная границей ∂Ω с другими теплофизическими характеристиками: λ₂, c₂ и ρ₂ или λ₂ и ₂, схема представлена на рисунке 3.1. С одной стороны массив взаимодействует с воздухом, температура которого не изменяется во времени, на противоположенную сторону массива действуют солнечная радиация, потоки воздуха (ветер), для всех других поверхностей массива тепловой поток принимается равным нулю.

Рисунок 3.1 - Схема массива с неоднородностью

Дифференциальное уравнение теплопроводности устанавливает связь между временными и пространственными изменениями температуры тела, оно математически описывает перенос тепла внутри тела. Для того чтобы найти температурное поле внутри тела в любой момент времени необходимо решить уравнение теплопроводности с начальными и граничными условиями.

1.  Уравнение теплопроводности:

 (3.6)

2. Начальное условие определяет закон распределения тепла в начальный момент времени:

 (3.7)

3. Граничные условия.

Граничное условие третьего рода заключается в задании температуры окружающей среды и закона теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой. Принимаем тепловой поток, обусловленный испарением  равным нулю.

, (3.8)

где  - температура в точке  в момент времени ;

 - коэффициент температуропроводности в точке ,

 - начальная температура массива,

 - уровень солнечной радиации в момент времени ,

 - коэффициент теплообмена конвекцией для воздуха со стороны поверхности массива для  в момент времени ,

 - влажность воздуха в момент времени ,

 - относительный коэффициент излучения,

 - константа, ,

 - постоянная Стефана-Больцмана,

 - температура воздуха со стороны поверхности массива для  в момент времени ,

Уравнение (3.8) описывает закон взаимодействия поверхности массива  с окружающей средой, где условия нестационарны (воздействие температуры воздуха, солнечного излучения, ветра).

 (3.9)

 (3.10)

Уравнения (3.9) и (3.10) описывают нулевой поток тепла через оставшиеся пять поверхностей.

Граничное условие четвертого рода соответствует теплообмену соприкасающихся тел:

(3.11)

где  - нормаль.

(3.12)

Уравнения (3.11) и (3.12) описывают закон теплообмена в месте соприкосновения массива с неоднородностью, т.е. на границе .

.2 Описание численного метода

Аналитическое решение уравнений (3.6) - (3.12) представляется крайне затруднительным, поэтому предлагается прибегнуть к численному методу (конечно-разностному (сеточному) методу). Применение численных методов связано с необходимостью проведения последовательных вычислений.

Метод конечных разностей основан на замене производных их приближенным значением, выраженным через разности значений функции в отдельных дискретных точках - узлах сетки. Дифференциальное уравнение в результате таких преобразований заменяется эквивалентным соотношением в конечных разностях, решение которого сводится к выполнению несложных алгебраических операций.

Метод численного интегрирования базируется на возможности аппроксимации непрерывного поля функции дискретным, т.е. на возможности дискретизации пространства и времени. Для получения расчетной формулы необходимо заменить дифференциальное уравнение теплопроводности соответствующим уравнением в конечных разностях.

Для решения поставленной задачи покроем массив трехмерной сеткой с шагами , ,  по осям , ,  соответственно. Они выбираются из субъективных соображений, руководствуясь размером массива и полости в нем, ее геометрической формой и положением. В [8] рекомендуется выбирать шаг так, чтобы по каждой из оси не встречалось менее 10 подряд идущих точек с одинаковыми теплофизическими характеристиками. Ось времени разбивается на шаги (см. рисунок 3.2):

, (3.13)

где  - максимальное значение (x, y, z).

Рисунок 3.2 - Схема разбиения массива на сетку.

Введем обозначения: .

Теперь запишем уравнения (3.6 - 3.8) в конечных разностях, после преобразований получим:

Уравнение (3.11) и (3.12) записывается в конечных разностях в зависимости от направления нормали .

Полученные уравнения позволяют получить значение температуры в любом узле сетки для следующего шага по времени, зная значения температуры в узлах сетки на предыдущем шаге. Для расчета температуры в каждой точке массива задаются следующие параметры:

. Начальная температура на поверхности массива

. Температура окружающей среды задается распределением по синусоиде, косинусоиде, а также в виде константы.

. Скорость ветра задается распределением по синусоиде, косинусоиде, а также в виде константы.

. Поток солнечной радиации задается распределением по синусоиде, косинусоиде, а также в виде константы.

. Влажность воздуха задается распределением по синусоиде, косинусоиде, а также в виде константы.

. Шаги интегрирования , ,  по осям , ,  соответственно.

. Тепловые характеристики почвы: коэффициент теплопроводности, теплоемкость и плотность грунта.

. Размеры массива и подкопа, расположение полости в исследуемом массиве.

К недостаткам математической модели можно отнести:

время расчета (если расчет проводить на компьютере Pentium4 c ОЗУ 1 Гб, то при =14400 с на расчет затрачивается 1 час, а при =21600 с - 2 часа);

накапливающуюся погрешность (при увеличении времени расчета  накапливается погрешность вычислений, связанная с использованием констант);

идеализацию модели (начальная температура берется одинаковой во всех точках, скорость ветра берется одинаковой во всех точках массива, не учитывается облачность при задании солнечной радиации).

4. Метеоусловия, влияющие на проведения исследования

Солнечная радиация, особенно в весенне - летний период, может нагревать поверхность. Сильный ветер способен существенно увеличивать теплоотдачу с поверхностей и снижать температуру. Рекомендуется проводить исследования при скорости ветра не более 5-7 м/с. Так, превышение температуры, измеренное при скорости ветра 5 м/с будет примерно в 2 раза ниже, чем измеренное при скорости ветра 1 м/с. В диапазоне скоростей 1 - 7 м/с справедлива формула [9]:

 , (4.1)

где  - превышение температуры при скорости ветра ;

 - превышение температуры при скорости ветра .

Измерение при скорости ветра выше 8 м/с проводить не рекомендуется. При пересчетах полученных значений превышения температуры можно помимо формулы пользоваться коэффициентами коррекции, приведенными в таблице 3.

Таблица 3 - Значения коэффициента коррекции

Дождь, туман, мокрый снег в значительной степени охлаждают поверхность объекта, измеряемого с помощью теплового прибора и в определенной мере рассеивают инфракрасное излучение каплями воды. Инфракрасный контроль допускается проводить при небольшом снегопаде с сухим снегом или легком моросящем дожде.

При определении теплопотерь и сопротивления теплопередаче следует принимать во внимание суточный ход температуры окружающего воздуха.

4.1 Приборы, используемые для проведения исследований

Значения параметров окружающей среды фиксировались с помощью следующих приборов:

) Метеометр МЭС - 200А - температура окружающей среды, влажность воздуха и скорость потока воздуха.

Метеометр электронный предназначен для контроля параметров воздушной среды в вентиляционных системах (воздуховодах, каналах, коробах) промышленных и гражданских зданий, в тоннелях метрополитенов, системах контроля вентиляции промышленных предприятий и предприятий атомной энергетики, в шахтах и рудниках всех категорий. В стандартный комплект поставки электронного метеометра МЭС-200А входят:

− универсальный электронный измерительный щуп;

− щуп измерительный базовый;

− зарядное устройство;

− удобный кейс;

− паспорт и руководство по эксплуатации.

В базовой комплектации метеометр может измерять атмосферное давление, относительную влажность, температуру и скорость воздушных потоков внутри помещений и вентиляционных трубопроводов.

С дополнительными датчиками метеометр позволяет измерять освещенность (с расчетом индекса тепловой нагрузки среды) и содержание токсичных газов в воздухе рабочей зоны. Модульная конструкция позволяет поэтапно наращивать его возможности.

Диапазон измерения параметров, фиксируемых базовым измерительным щупом, приведен в таблице 4.

Таблица 4 - Параметры, фиксируемые измерительным щупом

где V_x - измеренное значение скорости воздушного потока, м/с.

Предел допускаемого значения дополнительной погрешности:

− измерения относительной влажности на каждые 10 °С в диапазоне температур от 10 °С до 40 °С не превышает 1 %;

− скорости воздушного потока на каждые 10 °С в диапазоне температур от минус 40 °С до 60 °С не превышает значения основной абсолютной погрешности.

Составные части МЭС-200А предназначены для эксплуатации в следующих условиях:

− блок электроники при температуре от минус 20 °С до 60 °С и относительной влажности окружающего воздуха до 95 % при температуре 35 °С;

− щуп измерительный для измерения давления, относительной влажности, температуры и скорости воздушного потока при температуре от минус 40 °С до 85 °С и относительной влажности окружающего воздуха до 98 % при температуре 35 °С.

МЭС-200А может использоваться как в качестве портативного прибора, так и в составе систем сбора данных в качестве датчика величин со стандартными каналами связи RS-232C и RS-485.

Питание метеометра осуществляется от блока аккумуляторов типа VH AA 1700 напряжением 4,8 В или от источника электропитания ИЭС7-1203 ШУВК.436230.003 ТУ напряжением 12 В и током 0,25 А. Время прогрева МЭС-200А не превышает 5 мин. Время непрерывной работы метеометра от блока аккумуляторов не менее:

− 12 часов (во всех режимах, кроме режима измерения скорости воздушного потока);

− 5 часов (в режиме измерения скорости воздушного потока).

2) Радиометр Аргус 03 − солнечная радиация.

Радиометр неселективный Аргус 03 - малогабаритны переносной цифровой прибор для измерения световых и энергетических характеристик оптического излучения в инфракрасной области спектра. В качестве преобразователя используется термоэлемент, который преобразует поток теплового излучения в электрический сигнал, пропорциональный энергетической освещенности. Радиометр может быть использован в организациях охраны труда, медицине, сельском хозяйстве, для измерения плотности потока излучения от нагретых объектов, тепловых потерь в теплоэнергетике, машиностроении и т.д. Технические характеристики прибора приведены в таблице 5.

Таблица 5 - Технические характеристики "Аргус-03"

При проведении измерений приборы устанавливаются так, чтобы поверхность грунта находилась в прямой зависимости под углом зрения не менее 60º.

5. Описание расчетов

Теплофизические характеристики грунта:

) коэффициент теплопроводности равен 0,58 Вт/(м*К),

) теплоемкость равна 0,83 кДж/(кг*К),

) плотность почвы равна 2000 кг/м³.

Необходимо проследить изменение температурного контраста в течение суток и найти временной интервал, когда контраст будет максимальным.

Параметры окружающей среды были произведены 17 апреля с помощью приборов метеометра (температура воздуха, влажность воздуха, скорость ветра) и радиометра (солнечная радиация).

Зафиксированные данные окружающей среды приведены в таблице 6.

Таблица 6 - Параметры окружающей среды на 17 апреля

С помощью программы с учетом тепловых характеристик грунта была проведена обработка всех данных. Разница между минимальной и максимальной температурой на поверхности земли представлены на рисунке 5.1

Рисунок 5.1 - Разность между минимальной и максимальной температурой на поверхности земли

Также для нахождения максимального контраста температур в течение суток был произведен расчет разницы минимальной и максимальной температур. Данные температуры, скорости ветра и влажности были взяты за 13 апреля 2008 года из [10]. Солнечная радиация в течении суток изменяется по синусоиде. Параметры окружающей среды представлены в таблице 7.

Таблица 7 - Параметры окружающей среды

Рисунок 5.2 - Разница между минимальной и максимальной температурой на поверхности земли

На рисунке 5.3 показано сопоставление двух графиков температурных контрастов на поверхности земли.

Рисунок 5.3 - Сопоставление контрастов температур в течение суток

В [9] сказано, что тепловизионную съемку рекомендуется проводить в предрассветные или ночные часы, когда тепловое влияние окружающей среды минимально. Построенные графики подтверждают этот факт, а также уточняют время проведения съемок. Из графика (5.3) видно, что наиболее благоприятные часы для проведения съемок с 21.00 до 05.00 часов, а также с 15.00 до 17.00 часов. Для определения того, как ветер влияет на тепловую съемку, были построены графики температур на поверхности земли при скорости ветра 1, 2,5 и 4 м/с. Параметры окружающей среды взяты из таблицы 7. На рисунке 5.4 показано сопоставление графиков разницы температур в зависимости от скорости ветра.

Рисунок 5.4 - Сопоставление контрастов температур в зависимости от скорости ветра

При увеличении скорости ветра разница между минимальной и максимальной температурой уменьшается. С 10.00 до 14.00 часов наиболее сказывается влияние ветра. В 13.00 при скорости ветра 1 м/с температурный контраст равен 0,2 ºС, а при скорости ветра 4 м/с - 0,04 ºС.

Но с 15.00 до 18.00 при увеличении скорости ветра разница между минимальной и максимальной температурой увеличивается. Этот факт подтверждает сделанный вывод о наиболее благоприятных часах для проведения тепловизионной съемки.

6. Экономический расчет

6.1 План проведения

При проведении научно-исследовательских работ необходимо привлекать специалистов различных направлений, либо обязательно учитывать их мнение. К таким специалистам относятся:

)        Старший научный сотрудник;

)        Инженер.

Весь процесс проведения научно-исследовательских работ приведен в таблице 8.

Таблица 8 - Расчет трудоемкости

6.2 Расчет затрат на проведение научно-исследовательских работ

Затраты на проведение научно-исследовательских работ можно выразить следующей формулой:

, (6.1)

где затраты на оплату труда, руб;

 отчисления на социальные нужды, руб;

 затраты по содержанию и эксплуатации оборудования, руб;

 накладные расходы, руб;

Для определения затрат на основную заработную плату рассчитывается трудоемкость работ (таблица. 9). Расчет фонда заработной платы производится на основании объема трудовых затрат и существующих систем должностных окладов. Должностной оклад старшего научного сотрудника составляет - 12150 рублей, а инженера - 8000 рублей. Основная заработная плата на исследовательские работы зависит от величин должностных окладов, премий и доплат из фонда заработной платы.

Таблица - 9

Дополнительная заработная плата устанавливается в процентах к основной. Она зависит от удельного веса отпускного времени и выполнения государственных обязанностей.

Величина дополнительной заработной платы составляет 9 %

, (6.2)

руб.

Отчисления на социальные нужды составляют 26,2%

, (6.3)

руб.

Общий фонд заработной платы на весь объем работ с отчислениями на социальные нужды:

, (6.4)

руб.

Затраты по содержанию и эксплуатации оборудования складываются из затрат, связанных с текущим содержанием и амортизацией оборудования. Для проведения данных научно-исследовательских работ был использован ноутбук фирмы Acer стоимостью 20000 руб. Общая сумма расходов на амортизацию:

, (6.4)

где  вид используемого оборудования;

 первоначальная стоимость го вида оборудования, руб;

 норма амортизационных отчислений го вида оборудования, %;

 время работы го вида оборудования, ч;

 количество рабочих часов в году

 ч.

 руб;

Необходимо также рассчитать расход на электроэнергию и рассчитать активную мощность электроприемника:

, (6.5)

где  активная мощность электроприемника;

 действительный фонд времени работы оборудования,ч;

 0,7  коэффициент загрузки оборудования во времени;

цена за единицу энергии - 2,56 руб/кВт*ч.

Время работы компьютера составляет - 39 часов.

руб;

Теперь рассчитываем затраты по содержанию и эксплуатации оборудования:

, (6.6)

руб;

Величина накладных расходов принимается по данным организации, где выполняется разработка. Величина накладных расходов - 15% от прямых затрат.

, (6.7)

, (6.8)

руб;

 руб;

Итого рассчитываем затраты на проведение научно-исследовательских работ:

руб.

7. Безопасность жизнедеятельности

.1 Организационная структура СУОТ на предприятии

Охрана труда - система сохранения жизни и здоровья работников в процессе трудовой деятельности, включающая в себя правовые, социально-экономические, организационно-технические, санитарно-гигиенические, лечебно-профилактические, реабилитационные и иные мероприятия. [11]

Организация работ по охране труда - система взаимоувязанных мероприятий, направленных на обеспечение охраны труда.

Система управления охраной труда - это часть общей системы управления (менеджмента) организации, обеспечивающая управление рисками в области охраны здоровья и безопасности труда, связанными с деятельностью организации. Обязанности по обеспечению безопасных условий и охраны труда в организации в соответствии с законодательством Российской Федерации возлагают на руководителя организации (работодателя). В организации должен быть назначен руководитель (специальный представитель руководства), который независимо от других возложенных на него обязанностей должен нести ответственность и обладать полномочиями для:

организации разработки, внедрения и обеспечения функционирования системы управления охраной труда в соответствии с настоящим стандартом;

обеспечения выполнения всех нормативных требований охраны труда на всех рабочих местах и во всех областях деятельности организации;

- инициирования проведения мероприятий, направленных на улучшение условий и охраны труда, совершенствование системы управления охраной труда, а также на предупреждение профессиональных заболеваний, несчастных случаев и аварий;

- выявления и регистрации любых проблем, касающихся условий и охраны труда;

выработки рекомендаций и обеспечения выполнения решений по совершенствованию охраны труда;

организации работ по аттестации рабочих мест по охране труда;

проверки выполнения принятых решений;

управления устранением несоответствий;

регулярного представления отчетности о функционировании системы управления охраной труда с целью анализа и использования ее руководством организации для совершенствования системы управления охраной труда.

В обязанности представителя руководства может также входить поддержание связи с органами государственного и общественного контроля за охраной труда, другими заинтересованными сторонами по вопросам условий и охраны труда организации.

Для обеспечения соблюдения нормативных требований и эффективного управления охраной труда должны быть определены и документированы обязанности, ответственность, полномочия руководителей разного уровня, лиц, управляющих, выполняющих и проверяющих работы. Руководство организации должно определять требования к ресурсам, необходимым для управления охраной труда, обеспечивать контроль за использованием ресурсов, назначать подготовленный персонал для выполнения работ и проверок, включая внутренние аудиты условий и охраны труда. Под ресурсами подразумевают кадры с их специальными знаниями и опытом, технические и финансовые ресурсы.

В целях обеспечения соблюдения требований охраны труда, осуществления контроля за их выполнением для организации сотрудничества между руководством организации и работниками (персоналом) по охране труда в соответствии с действующим законодательством [2] создают службы охраны труда или назначают работников, на которых (наряду с основной работой) возлагают обязанности по охране труда, а также создают комитеты (комиссии) по охране труда.

Основной целью управления охраной труда на предприятии остается выявление и мобилизация всех технических, экономических, организационных и социальных возможностей предприятия для улучшения условий и безопасности труда, сохранение здоровья и работоспособности человека. На железнодорожном транспорте осуществляются следующие функции управления работой по охране труда. [12]

. Организация и координация работ в области охраны труда. Для реализации этой функции используются общесистемная, отраслевая и организационно - методическая формы управления. Формы управления осуществляют:

общесистемную - руководители Министерства путей сообщения, железных дорог, отделений дорог, предприятий и учреждений;

отраслевую - руководители отраслевых главных управлений (управлений) МПС, отраслевых служб управлений железных дорог, отраслевых отделов отделений дорог;

организационно-методическую - отдел охраны труда и техники безопасности МПС, отделы (секторы) охраны труда и техники безопасности управлений железных дорог, ведущие (старшие) инженеры по техники безопасности в главных управлениях и управлениях МПС, службах управлений железных дорог.

. Стимулирование работы по охране труда. Осуществляется на основе положений, разрабатываемых на предприятиях. На всех уровнях управления и в отраслях (хозяйствах) железнодорожного транспорта решают следующие основные задачи по охране труда.

а) Организация обучения работающих по охране труда. Осуществляют на предприятиях путем обучения, инструктажа и проверки знаний по охране труда при приеме на работу и в ходе работы. В средних специальных и высших учебных заведениях МПС изучают специальный курс по охране труда.

б) Организация пропаганды охраны труда. Осуществляют кабинеты (уголки, вагоны) охраны труда путем проведения смотров, конкурсов, школ передового опыта, выставок, лекций, докладов, вечеров вопросов и ответов, викторин, демонстраций кинофильмов. Для этих целей издают книги, плакаты, выпускают макеты, модели и т. д.

в) Обеспечение безопасности подвижного состава и другого производственного оборудования. Осуществляют путем разработки требований безопасности к оборудованию; включения установленных требований безопасности труда в заявку на разработку и освоение продукции; проведения проверки соответствия требованиям безопасности труда технической документации, опытных образцов и партий; модернизации в соответствии с требованиями безопасности труда подвижного состава и другого производственного оборудования.

г) Обеспечение безопасности производственных процессов. Осуществляют путем соблюдения установленных требований безопасности труда при разработке типовых и местных, технологических процессов (технологической документации).

д) Обеспечения безопасности зданий, сооружений и устройств. Осуществляется путем выполнения при проектировании, контроле за соблюдением этих требований при приемке по окончании строительства, а также в процессе эксплуатации зданий, сооружений и устройств.

е) Обеспечение безопасности труда и нормальных санитарно - гигиенических условий на рабочих местах, в производственных помещениях и на территориях. Осуществляют соблюдением норм и правил охраны труда по содержанию рабочих мест

ж) Обеспечение работающих средствами индивидуальной защиты. Осуществляют путем составления заявок - расчетов потребности в спецодежде, спецобуви и других индивидуальных средствах защиты; выдачи работающим этих средств, их хранения, чистки и ремонта.

з) Обеспечение оптимальных режимов труда и отдыха работающим. Осуществляют путем соблюдения оптимального режима труди, своевременного предоставления дней отдыха, предоставления сокращенного рабочего дня, предоставления дополнительного отпуска лицам, работающим во вредных и опасных условиях.

и) Организация лечебно - профилактического обслуживания работающих. Осуществляют путем медицинского обслуживания, проведения предварительных при поступлении и периодических в ходе работы медицинских осмотров работающих.

к) Санитарно - бытовое обслуживание работающих. Осуществляют путем обеспечения работающих санитарно - бытовыми помещениями и устройствами, а также содержанием таких помещений и устройств в соответствии с санитарными нормами.

Рисунок 7.1 - Схема организационной структуры управления работой по охране труда на предприятии

3. Планирование работ по охране труда Работы по охране труда на железнодорожном транспорте проводятся в соответствии с пятилетними комплексными планами улучшения условий, охраны труда и санитарно - оздоровительных мероприятий и годовым планом мероприятий по дальнейшему улучшению условий и охраны труда. Пятилетние и годовые планы разрабатывают предприятия, отраслевые отделы отделений дорог и территориальных объединений ПЖТ, отделения дорог, территориальные объединения ПЖТ, отраслевые службы управления дорог, отраслевые главные (управления) МПС. В пятилетние и годовые планы включают прежде всего первоочередные номенклатурные мероприятия по охране труда на железнодорожном транспорте в соответствии с перечнем, утвержденным МПС и ЦК профсоюза, а в годовые планы - также мероприятия по охране труда, предусмотренные коллективными договорами. [13]

. Учет, анализ и оценка состояния охраны труда. Осуществляются на основе информации: о выполнении планов мероприятий по дальнейшему улучшению условий и охраны труда; об освоении средств, ассигнованных на мероприятия по охране труда; о выполнении приказов и указаний по охране труда; о состоянии условий труда на предприятиях, в учреждениях и организациях; о соблюдении режима труда и отдыха и сверхурочных работах; о производственном травматизме и профессиональных заболеваниях.

Оценку результатов работы по охране труда целесообразно проводить: 1) на линейном предприятии - по бригадам, участкам, сменам и другим подразделениям; 2) в отделении дороги - по родственным предприятиям (станциям или локомотивным депо или дистанциям пути и т. п.); 3) в службе управления дороги - по соответствующим отраслевым отделам отделения дороги; 4) в отделе (секторе) охраны труда и техники безопасности управления дороги - по отделениям дороги в целом; 5) в отраслевом главном управлении Министерства путей сообщения - по соответствующим службам дорог; 6) в отделе охраны труда и техники безопасности МПС - по железным дорогам в целом и отраслям хозяйства железнодорожного транспорта.

5. Функция контроля предусматривает контроль за состоянием объекта управления, выявление отклонений от требуемого уровня, проверку выполнения ранее принятых управленческих решений с целью выработки управленческих действий, направленных на устранение выявленных недостатков.

Основными видами контроля являются:

1) Оперативный контроль. Руководители работ - мастера, бригадиры, инструкторы - осуществляют оперативный контроль на рабочих местах за применением работающими безопасных приемов и методов труда, выполнением требований безопасности при эксплуатации оборудования и соблюдением других требований, предусмотренных нормативными документами по охране труда.

) Ведомственный контроль. Осуществляют в форме комплексных и целевых проверок. Комплексные проверки охватывают следующее: выполнение пятилетнего комплексного плана улучшений условий, охраны труда и санитарно - оздоровительных мероприятий; положение с производственным травматизмом; организация работы и контроля по обеспечению установленных режимов труда и отдыха работающих; организация работ по обучению, проверке знаний по охране труда с руководящими и инженерно - техническими работниками. Целевые проверки проводят с целью контроля за выполнением приказов, указаний по охране труда.

) Ступенчатый контроль осуществляют руководители работ и подразделений, администрация предприятий совместно с профсоюзной организацией. На первой ступени - общее состояние и подготовленность исполнителей к работе. На второй - регулярность проведения первой ступени контроля, наличие необходимых записей в журнале. На третьей - организация и результаты проведения первой и второй ступеней контроля.

4) Государственный контроль. За соблюдением законодательства по охране труда, безопасностью работ, состоянием производственной санитарии на железнодорожном транспорте осуществляют технические инспектора.

) Общественный контроль - осуществляют инспектора. Общественный инспектор по охране труда должен добиваться от мастера, бригадира, машиниста устранение обнаруженных нарушений техники безопасности и производственной санитарии.

.2 Анализ и оценка уровня безопасности оборудования и технологических процессов

Производственное оборудование, используемое на железнодорожном транспорте должно быть безопасным. Безопасность оборудования обеспечивается: а) выбором принципов действия, конструктивных схем, безопасность элементов конструкции; б) применение в конструкции оборудования средств механизации, автоматизации и дистанционного управления; в) применение в конструкции оборудования средств защиты; г) выполнение эргономических требований; д) включением требований безопасности в техническую документацию по эксплуатации и ремонту оборудования. Материалы, применяемые в конструкции оборудования должны быть безопасными и безвредными. Составные части производственного оборудования должны быть выполнены с таким расчетом, чтобы исключалась возможность их случайного повреждения, вызывающего опасность. Движущие части оборудования, если они предоставляют опасность, ограждают, за исключением частей, ограждение которых не допускается их функциональным назначением. Элементы конструкции производственного оборудования не должны иметь острых углов и кромок. Конструкция оборудования должна исключать возможность случайного соприкосновения работающих с горячими и переохлажденными частями. Рабочие органы производственного оборудования, а также захватывающие, зажимные и подъемные устройства или их приводы оборудуют средствами, предотвращающими возникновение опасности при полном или частичном прекращении подачи энергоносителя к приводам этих устройств, а также средствами, исключающими самовыключение приводов рабочих органов при восстановлении подачи энергоносителей. В конструкции производственного оборудования предусматривают защиту от поражения электрическим током. Средства защиты, входящие в конструкцию производственного оборудования, должны приводиться в готовность до начала рабочего процесса или быть сблокированы так, чтобы выполнение рабочего процесса было невозможно при отключенных средствах защиты или их неисправности. Для предотвращения об опасности в качестве сигнальных элементов применяют звуковые, световые сигнализаторы.