Лазером по городу

Моя подруга нашла новую работу. «Я, — сказала она, — сижу в высокой башне и смотрю на город, а если вижу дым, то стреляю в него лазером». Зная, что Вика — любительница фантастики, я не поверила. Однако это оказалось чистой правдой.

Вика — оператор стационарного поста №2 АСДМ (автоматизированной системы дистанционного мониторинга) «Лидар». Обслуживанием и модернизацией этой системы занимается центр «Лидар», который является подразделением Московского государственного технического университета радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА).

«Сведения, получаемые с помощью этой системы, передаются в центр мониторинга и прогнозирования (ЦМП).

Lidar (английская аббревиатура Light Identification, Detection and Ranging) - это система, позволяющая с помощью лазерного излучения получать информацию об удаленных объектах и их свойствах. Принцип его работы схож с принципом работы радара. Лазерный луч выстреливает, встретив препятствие, он рассеивается и возвращается, а специальные датчики определяют расстояние до объекта и его свойства. В отличие от радиоволн, которые используется в радарах, лазерный луч позволяет определять не только наличие препятствия (например, стены или здания) но и наличие аэрозолей в атмосфере. Луч проникает вглубь выброса, что позволяет определить концентрацию газа или взвешенных частиц (дыма).

МИРЭА взаимодействует с центром мониторинга и прогнозирования МЧС более десяти лет, а центр «Лидар» при МИРЭА был образован год назад.

В системе «Лидар» два стационарных поста наблюдения – СП–1 и СП–2 (СП — стационарный пост). Установка СП–1 разрабатывалась в начале 90–х, а работает она с конца того же десятилетия. А СП–2, на которой побывала я, — с 2005 года. Радиус постов составляет в среднем 12 км — таким образом мониторинг охватывает 2/3 Москвы. Центр «Лидар» предоставляет студентам МИРЭА и других технических вузов возможность работать с этой системой. Начать можно с должности оператора, чтобы как следует вникнуть в суть техники и ее функционирования.

О лидарных технологиях и их применении в мониторинге чрезвычайных ситуаций рассказывают ответственный исполнитель по мониторингу Дмитрий Громов и инженер–программист и исполняющий обязанности инженера по мониторингу Сергей Сергеев.

Дмитрий Громов. Мы наблюдаем за выбросами аэрозолей в атмосферу, следим за смещением выбросов и пытаемся предсказать их дальнейшее поведение. Это нельзя назвать прогнозированием пожаров. Прогноз делается до того, как что–то случилось.

Сергей Сергеев. Наша задача — ранняя диагностика.

Д.Г. Зажженную спичку потушить гораздо проще, чем зажженную квартиру — здесь то же самое, только в более крупном масштабе.

С.С. уникальность нашей системы в том, что она имеет три канала мониторинга атмосферы: телевизионный — посредством видеокамер, которые осуществляют панорамную съемку (здесь, на СП–2 их 13, а на СП–1 — 10). Второй канал обнаружения — тепловизионная система, которая позволяет наблюдать нагретые объекты. Третий канал — лидарный. Все эти каналы соединены в единую систему, что позволяет обнаруживать дымы, наблюдать за изменениями в атмосфере и предоставлять информацию МЧС.

Д.Г. D телевизионном канале обнаружения мы используем обычные аналоговые телекамеры, но их характеристики позволяют четко и уверенно фиксировать изменения в атмосфере на расстоянии не дальше четырех километров — это так называемая ближняя зона. Поэтому мы сканируем дальнюю зону отдельной визирующей камерой на большом зуме. Планировалась, что система будет полностью автоматической, но пока это еще не совсем так, поэтому картинка с камер подается на дисплей, за которым наблюдает оператор. Если оператор видит дым, он берет управление системой в свои руки, проводит лидарное сканирование (т.е. производит выстрел лазером и обработку сигнала), определяя таким образом точное местоположение дыма, затем делает стоп–кадры и отправляет всю информацию в центр мониторинга и прогнозирования (ЦМП), а в ЦМП принимают решение — высылать или не высылать пожарных. Здесь, на СП–2, работают два оператора, которые по очереди находятся на позиции непосредственного мониторинга. В случае возникновения нештатной ситуации они вместе отрабатывают ее. Аналогов нашей системы на территории Москвы не существует.

Д.Г. Предприятия, зачастую, пытаются скрыть возгорание, потушить огонь своими силами, но не могут этого сделать и доводят до того, что пожар меняет категорию сложности.

При таком раскладе может быть нанесен ущерб как самому предприятию, так и государственному имуществу, а также экологии города. Наша задача в том, чтобы пожарный расчет был на месте задымления и в случае необходимости оказал помощь независимо от того, вызывало предприятие пожарных или нет. Если мы засекли задымление или выброс, то сразу сообщаем в ЦМП, и они принимают решение — отправлять или не отправлять пожарных.

С.С. Ложные тревоги бывают. На деле они тоже нередко оказываются реальными нештатными ситуациями. Например, раньше мы очень часто видели над одним из московских заводов дымы желтого и бурого цвета. Отправляли туда пожарных, но никакого пожара не было. Так мы уличили завод в несанкционированных выбросах вредных веществ в атмосферу.

Д.Г. Мы можем, в принципе, следить не только за пожарами, но и за экологией, ведь выбросы газа в атмосферу тоже могут представлять угрозу.

Д.Г. Система, подобная нашей, была бы идеальна для мониторинга лесных пожаров, так как в лесу даже малейший дым сразу видно. Но этому вопросу не уделяется достаточно внимания, и поэтому никто не спешит внедрять новые технологии…Тут важна автоматизация.

С.С. В данном случае — полуавтоматизация, которая позволяет направлять информацию из разных источников на один пульт. Таким образом, один оператор может держать под контролем большую зону. При выводе системы на должный уровень, оператор может почти совсем не принимать участия в ее работе.

Д.Г. Изначально разговор шел об автоматической системе, которая лишь иногда требует техобслуживания — замены ламп у лазера и так далее. Обрабатывает информацию она сама и, при желании, можно привести ее к такому уровню, что она сама будет отправлять запрос в пожарную часть.

С.С. Проблема не в степени автоматизированности системы. В городе мы сообщаем адрес возгорания — район, улицу, дом… Но в лесу, понятное дело, адреса нет. Конечно, мы можем предоставлять GPS–координаты, но, к сожалению, у нас сейчас пожарные части не оснащены GPS–навигаторами. Информация есть, а пользоваться ей они не могут. Мы можем делать гораздо больше, чем сейчас.

Д.Г. С учетом двух постов, у нас погрешность определения координат — в среднем 4–5 метров.

С.С. И это с учетом того, что дым сносит.

Д.Г. Мы можем найти место возгорания не просто с точностью до квартала или до дома — с точностью до нескольких шагов. Но если задача найти адрес возгорания в городе, то такие точные данные, строго говоря, и не очень–то нужны.

Д.Г. Мы используем лазер на алюмо-итриевом гранате, который находится в инфракрасном (невидимом для глаза) диапазоне, но при выстреле виден зеленый луч. Почему? Потому что используется кристалл удвоения частоты. Зачем это нужно? Здесь играет важную роль пропускание атмосферы — так называемые окна прозрачности. Атмосфера плохо пропускает излучение на той длине волны, на которой работает лазер, и поэтому дальность излучения, если не использовать кристалл удвоения частоты, очень сильно урезается, а это нас категорически не устраивает. Поэтому было принято решение поставить кристалл удвоения частоты и попасть таким образом в окно прозрачности. Это позволяет нам увеличить дальность до 10–15 км. Дальностью на которой мы можем получить ответ от приемного модуля лидарного канала и обусловлена зона охвата постов. Оператор наводит луч на дым, производит выстрел и мы, зная азимут и дальность, определяем место предполагаемого пожара. Это работает как обычный радар. В зависимости от времени, через которое пришёл ответ, мы определяем, сколько километров до пожара.

Д.Г. Из установки выходит пучок лазера диаметром 50 мм с не очень высокой плотностью излучения. Мы добиваемся этого с помощью специального телескопа, который уменьшает плотность лазерного излучения. Это значительно снижает травмоопасность.

С.С. Если мы, например, попадем лазером в окно на расстоянии километра от поста, это будет очень опасно для человека. Но

у нас запрещено стрелять по окнам,

более того, это невозможно — с этой целью работает специальная компьютерная программа обхода городской застройки, которая не позволяет опустить лазерный луч слишком низко. Кроме того, все наши операторы проходят должную подготовку.

Д.Г. Сейчас обсуждается переход на более безопасную длину волны, потому что есть окна прозрачности еще и в инфракрасном диапазоне, но для этого нужен лазер с длиной волны больше микрона, а соответственно и новая установка…

Д.Г. Чтобы нашим мониторингом была охвачена вся Москва, мы хотели установить еще один пост на крыше одного из зданий «Москва–Сити», но оказалось, что это невозможно. На большой высоте слишком высок уровень смога, который ухудшает видимость. Такая затуманенность атмосферы делает лидарный канал бесполезным, поэтому от идеи с небоскребами «Москва–Сити» пришлось отказаться. Крыша 17–ти-этажного здания (как здесь) оказалась лучшим вариантом.

Д.Г. Мой диплом был связана с лидарным каналом. Работа здесь дала понимание того, зачем нужны все те знания, которые я приобрел в процессе учебы.

С.С. У меня диплом, а мы учились вместе, тоже был связан с системой «Лидар», но с телевизионным каналом и системой обнаружения. В процессе работы непосредственно с «железом» ты начинаешь обращаться к тем знаниям, которые получил, понимаешь, зачем они нужны, и начинаешь применять их. Здесь ты получаешь запас практических знаний, который позволяет тебе — инженеру — быть инженером, а не уходить в торговлю или заниматься чем–то другим.

Д.Г. Пока что эти разработки банально никому не нужны. Наша система есть, и едва ли кто–то сможет выделить на нее дополнительные средства, хотя объем работы большой. Одним только программным обеспечением мог бы заняться целый отдел. Кроме того, для того, чтобы все это действительно работало, нужна серьезная техника. Те же самые телекамеры, казалось бы, что тут сложного… Но от них требуется хорошее качество картинки, причем как днем, так и ночью, хороший зум, ведь радиус постов больше 10 км.

С.С. Изначально проект предполагал три поста и систему малогабаритных устройств (так называемую сотовую систему). Малогабаритные устройства были бы установлены в тех местах, которые скрыты от основных постов городской застройкой. Такие устройства не обладают лидарным каналом и имеют радиус обнаружения 2–3 км, чего вполне достаточно при условии существования основных постов.

Д.Г. Еще у нас был выездной комплекс, но сейчас его списали

С.С. Да, он был. К сожалению, сейчас этот проект заморожен из-за нехватки ресурсов. На мобильном комплексе были все три канала обнаружения. Он вообще был очень специфический. Сейчас мы определяем просто наличие в воздухе аэрозоля и его концентрацию, но не можем точно определить, какие это частицы: водяной пар или дым. А МЛК (мобильный лидарный комплекс) был оснащен газоанализатором и мог определять на расстоянии оксид серы, оксид азота, хлор… У него был канал дифференциального поглощения, что позволяло определять различные газы в радиусе 3–4 км.

С.С. Сейчас стоят аналоговые камеры. Они в чем–то лучше цифровых, но вся информация обрабатывается в цифре. Следовательно, рано или поздно придется перейти на цифровую технику, что влечет за собой новые затраты. В то же время мы занимаемся разработкой каких–то своих нововведений, что позволяет где–то сэкономить.

Д.Г. У нас большая текучесть кадров — студенты приходят и уходят, отчего буквально каждые полгода больше половины операторов меняется и бывают моменты — например, в период сессии — когда и нам приходится брать на себя обязанности оператора.

С.С. Потому что система должна функционировать всегда: в выходные, праздники, сессию — 24 часа в сутки. У нас много сотрудников из МЭИ, МИРЭА. Ребята приходят и пишут по нашим системам дипломы, предлагают свои решения, что мы очень приветствуем. На протяжении пяти лет у нас каждый год есть хотя бы одни диплом. Сейчас двое пишут дипломы по телевизионному каналу.

В МЭИ есть такое направление как анализ изображений, и студенты, занимающиеся анализом изображений, рассматривают алгоритмы, которые мы впоследствии можем использовать для повышения эффективности системы: получения более четкого изображения, возможность более точного выделения дымов на фоне штатных выбросов.

Д.Г. Нововведения, придуманные студентами, вводятся не сразу, а после долгих обсуждений.

С.С. Инженеров у нас всего четверо, поэтому нет четкой специализации — если ты программист, то ты не только пишешь программы, но и принимаешь участие в решении самых разных задач. Если надо, то мы с Димой и на крышу лезем. У нас раньше был термограф, который охлаждался жидким азотом, и этот азот нужно было менять каждые шесть часов.

Д.Г. Представляешь — зима, мороз, а у тебя в руках стакан с жидким азотом (температура – 196 градусов), а еще надо тянуться на самый верх установки. Прольешь на руки — и конец твоим рукам — азот моментально впитается в перчатки и ты получишь серьезное обморожение. Хорошо, что сейчас у нас новый тепловизор и азот туда заливать больше не нужно.

С.С. Мы работаем над новой программой для телевизионного канала обнаружения — это программа Alarm, которая занимается обнаружением дымов и выбросов и их анализом. Одновременно с новой программой пишутся обновления для тех программ, которые используются сейчас. Плюс разрабатывается программа управления и анализа для лидарного канала — на СП–1 ее уже почти написали — там недавно поменялось оборудование. Кроме того, сейчас мы пытаемся свести данные с двух постов в единую систему, чтобы добиться более точного анализа.

Д.Г. У нас есть программа для определения координат возможного пожара не только с помощью лазера, но и с помощью видеокамер, потому что бывают ситуации, когда лазер не может быть использован. АСДМ «Лидар» — гибкая модульная система,

выход из строя одного канала не делает нас беспомощными.

Сейчас, собственно говоря, намечается доведение до ума первого поста — окончательное избавление от старого оборудования. Первый шаг к этому сделали года три назад, а сейчас мы продолжаем модернизацию.

С.С. Это так называемый поляризационный канал. В лидарном канале обнаружения у нас находятся два приемника излучения, каждый из которых рассматривает свою поляризацию.

Фиксируемая поляризация при рассеивании излучения на частицах дыма отличается от поляризации рассеивания на парах воды. Соотношение интенсивности поляризаций дает вероятностную оценку характера выброса. Уже по форме частицы можно определить, что именно мы засекли: пары воды или дым. Сейчас мы ведем как раз отработку алгоритмов, которые помогут отличить дым от пара.

Д.Г. Это долгий процесс. Наша система является статистической, и мы не можем, выстрелив по одному дыму, утверждать, что все дымы такие. Нужно накопить много статистических данных, учитывая самые разные факторы: например, время года Летом, поскольку тепло, в парах присутствуют по большей части капельки, зимой – снежинки. На это уйдет как минимум полгода.

С.С. Лидарные технологии в основном предназначены для газоанализа.

Д.Г. Есть труднодоступные места, куда ты не можешь подойти и так вот запросто газоанализатором проверить. Например, зоны стихийных бедствий или техногенных катастроф. Также на лидарных технологиях в принципе могут быть основаны датчики дыма для помещений.

С.С. Лазерные технологии очень перспективны. Взять хотя бы квантовые компьютеры — это технология будущего, которая основана на лазере и оптике.