Геотехнологии XXI века: новые перспективы

Надёжная и безопасная эксплуатация протяжённых инфраструктурных сооружений невозможна без обеспечения их периодического мониторинга.

В особенности это касается линий электропередач – промышленность и стабильность государства в целом зависят от стабильности поставок электроэнергии и, соответственно, от безотказной работы единой национальной электрической сети (ЕНЭС).

Мониторинг линий электропередач (ЛЭП), проходящих зачастую на протяжении многих сотен, а то и тысяч, километров по труднодоступным районам, представляет собой нетривиальную задачу.

Необходимо обеспечить контроль не только за элементами самой ЛЭП, но и за метеообстановкой, состоянием местности, растительности.

Мониторинг ЛЭП должен сводиться не просто к их контролю обслуживающим техническим персоналом. Необходим централизованный доступ к таким данным, что подразумевает для начала полное, высокоточное и достоверное отображение их на местности.

Эта непростая задача была решена лишь недавно.

География ЛЭП: съёмка из космоса

Вплоть до недавнего времени мониторинг ЛЭП осуществлялся инженерами и техниками с использованием предельно упрощённых географических схем – так называемых поопорных планов (рис. 1).

Они позволяли специалистам конкретного предприятия осуществлять мониторинг и при необходимости отыскать «проблемный» участок. Однако обеспечить централизованный доступ к подобной информации было практически невозможно.

Ситуация доходила до абсурда. Даже энергосистема Московской области вошла в XXI век, не имея достоверной схемы прохождения ЛЭП на местности – особенно линий электропередач низкого напряжения (от 0,4 кВ до 10 кВ).

Каждый участок был из личного опыта известен «своему» персоналу. Однако обобщить и свести воедино такую информацию, очевидно, было невозможно.

Быстро выправить ситуацию помогли данные дистанционного зондирования – космические снимки высокого разрешения.

Одним из первых проектов по восстановлению географически достоверной картины прохождения ЛЭП на местности был выполнен в «Мосэнерго» в 2001 – 2002 гг. Использование космических снимков высокого разрешения позволило радикально упростить и удешевить работу по выявлению и точной локализации объектов энергосистемы.

Первый этап создания инфраструктуры дистанционного мониторинга энергосистем с использованием космическим систем дистанционного зондирования был пройден.

Спутники позволили не только восстановить достоверную картину прохождения ЛЭП, без которой централизованное управление пространственно распределенными ресурсами энергосистем было бы невозможным. Их использование сделало возможным контроль, и даже прогнозирование метеообстановки и угроз функционированию ЛЭП.

Комплексная система мониторинга, введённая в эксплуатацию ЗАО «Центр Инфраструктурных Проектов», позволяет на основе поступающей каждые три часа метеоинформации контролировать текущую погоду и давать достоверный прогноз метеоэлементов на период до 3 суток вперёд, с ежедневным обновлением данных. (рис. 2).

Однако у космических систем дистанционного зондирования Земли есть и свои недостатки. Они имеют ограниченную точность – разрешающая способность представленных на рынке космических снимков едва достигла полуметра на пиксель.

Точность измерения высот по стереопарам недостаточна для того, чтобы контролировать такие параметры ЛЭП, как стрела провиса проводов и профиль линии вообще с требуемой энергетиками точностью.

Космические системы (за исключением орбитальных радаров) не всепогодны, и к тому же обеспечивают лишь периодический контроль – движущийся по орбите спутник лишь в течение считанных минут способен вести съёмку заданного объекта. Следующий «сеанс» может состояться в лучшем случае через несколько суток.

Благодаря спутниковой съёмке стало возможным получение полной информации о географическом контексте (топографии) местности, по которой проходит ЛЭП. Для мониторинга её технического состояния нужны иные подходы.

Наилучшие условия для мониторинга ЛЭП обеспечивают авиационные платформы. Они способны вести наблюдение в гораздо более широком диапазоне метеоусловий. Малая высота позволяет обеспечить существенно более высокое пространственное разрешение снимков, возможность наблюдения с различных ракурсов и с использованием разнообразной аппаратуры – в частности, работающей в ультрафиолетовой области спектра.

Особую роль в мониторинге линий электропередач заняли лидары.

Лазерная локация

Лидар (от английской аббревиатуры LIDAR - Light Detection and Ranging) представляет собой прибор, собирающий информацию об удалённых объектах с помощью активных оптических систем. Сканирующие лидары с системой развёртки луча, используемые в геодезии, позволяют с высокой точностью восстановить трёхмерную картину местности и объектов на ней.

Установленные на летающих платформах сканирующие лидары отлично зарекомендовали себя при комплексном обследовании и паспортизации ЛЭП (рис. 3).

Как правило, современный авиационный лидар представляет собой импульсный лазер с системой развертки луча, обеспечивающей сканирование перпендикулярно направлению полета с частотой до 160 кГц. По времени задержки прихода отраженных световых импульсов определяется расстояние до отразившего свет объекта. Он представляется в виде точки в трехмерном пространстве.

Совокупность таких 3D-точек (так называемое «облако точек») позволяет с очень высокой точностью восстановить геометрические характеристики объектов – даже таких малоразмерных, как провода линий электропередач (рис. 4).

В сочетании с камерами различных спектральных диапазонов лидар становится источником комплексной информации о самих объектах ЛЭП, а также о состоянии коридора, по которому они проходят.

Как правило, данные лидарной съёмки позволяют регистрировать сигналы отражённые как от растительности, так и от поверхности земли. Это позволяет строить точные трёхмерные модели и рельефа, и растительности. Такие модели, в частности, позволяют заблаговременно выявлять угрозу чрезвычайных ситуаций на ЛЭП.

Широкое использование систем дистанционного зондирования позволило российским энергетикам в 2007 году впервые перейти от планово-предупредительного метода проведения ремонтных работ к реальному ТОиР «по состоянию» для линейных объектов.

Комплексность, многоаспектность и точность получаемой информации дает возможность использовать её для решения широкого круга инженерных задач – мониторинга ЛЭП и энергообъектов, трубопроводов, проектирования автотранспортной инфраструктуры, составления высокоточных моделей местности.

Так, в апреле 2008 года специалисты ЗАО «ЦИП» выполнили комплекс топографо-геодезических и аэросъёмочных работ для изыскания под строительство автодороги вокруг Екатеринбурга. Использовалось воздушное лазерное сканирование и цифровая аэросъёмка коридора маршрута. Общий объем работ по дистанционному обследованию проектируемой автомобильной дороги составил 37 погонных километров, при общей ширине полосы съёмки 500 метров.

Рост требований к точности, производительности и экономичности систем дистанционного мониторинга ЛЭП поставил задачу выбора наиболее предпочтительного типа воздушной платформы. Исследовались различные платформы – самолёты, вертолёты, сверхлёгкая авиация, автожиры, беспилотные аппараты, аппараты легче воздуха (дирижабли). Выяснилось, что у дирижаблей есть целый ряд преимуществ по сравнению с аналогами.

Дирижабли XXI века

Пионером разработки технологий обследования инфраструктуры с помощью дирижаблей стала российская компания ЗАО «Центр инфраструктурных проектов».

Проведенный специалистами анализ показал, что наиболее рациональным носителем средств мониторинга энергетических объектов является пилотируемый дирижабль, обладающий, при соизмеримой с другими платформами стоимости, значительно меньшими эксплуатационными затратами на 1 км обследуемых ЛЭП и на 1 час полета, лучшей эргономикой кабины.

Только дирижабли обеспечивают полет на таких режимах высоты и скорости, которые недоступны другим типам летательных аппаратов, но являются оптимальными для проведения авиационной лазерной съёмки длительность полёта 12-16 часов, скорость – около 40 км\ч, отсутствие вибрации.

Аппаратов такого класса ни в России, ни в мире не производилось. Создавать их пришлось «с нуля». Первые патрульные дирижабли, предназначенные специально для мониторинга протяжённых инфраструктурных объектов, проектировались и создавались совместно ЗАО «ЦИП» и Воздухоплавательным центром «Авгуръ».

Дирижабль Au-30 (класса ПД-360), выпускаемый НПО “РосАэроСистемы”, является крупнейшим в России и одним из крупнейших в мире серийно производимых дирижаблей.

Он cпроектирован на базе предыдущих разработок и новейших достижений в области дирижаблестроения. Аппарат способен садиться и взлетать как вертикально, так и с укороченным разбегом (пробегом), совершать полет без расходования подъёмного газа. Возможно управление вектором тяги воздушного винта в вертикальной плоскости (рис. 5).

При создании Au-30 длиной 54 м, шириной 13,5 м, высотой 17,5 м и объёмом оболочки 5200 м³ были применены современные материалы и бортовое оборудование. Оболочка выполнена из тканепленочного материала. Для поддержания избыточного давления в оболочке и статической балансировки аппарата используются носовой и кормовой баллонеты. Хвостовое оперение - "X"-образное (рис. 6).

Масса конструкции дирижабля – 3350 кг, максимальный взлетный вес – 4850 кг, максимальная подъёмная сила – 1500 кг. Максимальная скорость – 110 км/ч, крейсерская – от 0 до90 км/ч. Аппарат полностью управляем во всем диапазоне скоростей. Время кругового разворота в режиме зависания – 180 с. Практический потолок – 2500 м.

Экипаж дирижабля Au-30 составляет 2 человека, стартовая команда, обеспечивающая на земле взлет и посадку дирижабля – 4-6 человек.

Возможности Au-30 продемонстрировал рекордный перелет , совершенный 12–14 сентября 2008 года по маршруту Киржач – Боровичи (Новгородская обл.) - Манушкино (Санкт-Петербург) – Киржач общей протяжённостью около 1300 км. В ходе перелёта был дважды установлен мировой рекорд дальности полёта для воздушных судов такого класса.

Дирижабли над ЛЭП: первые итоги

Рубеж веков стал периодом активного возрождения авиации легче воздуха, стимулированного практическими потребностями мониторинга инфраструктуры. Россия занимает в этом процессе лидирующие позиции. Эксплуатация разветвлённой национальной энергосети, особенно в малодоступных районах Сибири и Крайнего Севера, невозможна без использования для её мониторинга экономичных, эффективных и мощных платформ – дирижаблей нового поколения.

Очевидно, процесс создания облика нового дирижабля, ориентированного на решение задач патрулирования и мониторинга, находится на начальном этапе. Каким он станет, станет ясно уже в скором будущем.

ЗАО «ЦИП» / R&D.CNews