Трагические события на японской атомной станции «Фукусима-1» в очередной раз показали миру, что техногенные катастрофы не страшилка голливудских сценаристов, а реальная опасность, которую надо предусматривать сегодня, если человечество хочет, чтобы будущее не было окрашено в трагические тона.

Гораздо менее резонансные аварии происходят с печальной регулярностью: это и железнодорожные аварии, и внезапные обрушения крыш зданий, и падающие в реки мосты, и многое другое. Для их предотвращения необходимо оснащать потенциально опасные объекты системами контроля, которые будут сигнализировать о начале их деформации. Такими системами уже три десятка лет по личной инициативе занимаются на кафедре оптико-электронных приборов и систем СПбГУ ИТМО.

Только в последние годы в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы появилось финансирование – относительно небольшое для такой масштабной проблемы.

Для справки: На проекты СПбГУ ИТМО в области систем безопасности в федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы выделено 10,25 миллиона рублей, в том числе:

1. «Исследование оптико-электронных систем предупреждения техногенных катастроф». Государственный контракт № П1112 от 26 августа 2009 года (г.р. 01200960576, объём – 3 850 000 руб.).
2. «Исследование и разработка многофункциональной оптико-электронной системы высокоточного позиционирования элементов крупногабаритных конструкций в промышленных системах управления технологическими процессами». Государственный контракт № П695 от 12 августа 2009 года (г.р. 01200960577, объём – 4 400 000 руб.).
3. «Исследование структур распределённых оптико-электронных систем долговременного контроля состояния сооружений по пространственному положению их элементов». ГК221 Государственный контракт № П1383 от 02 сентября 2009 года (19.10.2009 И091006154041 г.р. 01200960574, объём – 2 000 000 руб.) Сроки завершения работ – конец 2011 года.

Для железной дороги

Рис. 1. Измерительная машина с системой контроля
деформаций идёт по железнодорожному полотну.
Датчики генерируют оптическое излучение и
определяют смещение полотна от проектного
положения.

«Задача техносферной безопасности в философском смысле нами раньше не формулировалась, но, по сути, именно её решением мы занимаемся всё это время», – объясняет заведующий кафедрой Валерий Коротаев.

Первоначально на кафедре создавали системы контроля качества железнодорожных путей на прямолинейных участках. Теперь занялись и участками сложного профиля. Совместно с Научно-исследовательским институтом железнодорожного транспорта учёные изготовили оптико-электронную систему контроля положения железнодорожного пути (патент РФ №2387561 Оптико-электронная система для контроля пространственного положения железнодорожного пути опубл. 27.04.2010. Бюл. №12.).

Принцип действия системы основан на том, что она позволяет определять пространственное положение пути относительно неподвижных меток геодезической сети железной дороги.

Система содержит несколько оптико-электронных датчиков положения, которые объединены в локальную сеть. Датчики генерируют оптическое излучение, уровень которого незначителен и не оказывает вредного воздействия на окружающую среду. В то же время

система позволяет достаточно надёжно определять положение железнодорожного полотна и его смещение от проектного уровня.

Во время проверки измерительная машина с установленной системой проходит выбранный участок железнодорожного пути.

Система делает замеры в двух взаимно перпендикулярных направлениях (в продольном профиле и плане) и по уровню (наклону). Если замечена деформация рельсов, путевую машину пускают ещё раз и выправляют пути. Испытания, проводившиеся на Карельском перешейке, прошли успешно.

Если бы эти системы использовались повсеместно, возможно, многих аварий удалось бы избежать. Так, ещё памятно событие 15 июня 2005 года, когда в Тверской области, в 18 километрах от Ржева, на перегоне Зубцов-Аристово, произошло крушение грузового поезда: сошли с рельсов 24 цистерны с мазутом, который вытек в местную речку, впадавшую в Москву-реку. Выводы о причинах катастрофы делались разные, но есть две основные версии: машинист превысил скорость или изменился наклон железнодорожного пути. По словам Валерия Коротаева, поскольку их система контроля отслеживает наклон путей, её применение сокращает риск подобных аварий.

Для доков и крыш зданий

Рис. 2. Оптико-электронный доковый прогибомер
третьего поколения основан на обработке
видеоизображений меток, расположенных на
элементах конструкции.

«Мурманский судоремонтный завод обеспечивает ремонт судов, которые ходят по Северному морскому пути. Это атомные ледоколы и другие суда с водоизмещением около 20 тысяч тонн, – рассказывает профессор Коротаев. – Там большие доки: один – 185 метров, другой – 225 метров. Когда док всплывает со стоящим в нём судном, он деформируется, причём деформации могут достигать недопустимых величин. Разлом дока со стоящим в нём судном может привести к гибели людей. Особенно это чревато в случае ремонта экологически опасных объектов, так как разлом дока влечёт за собой существенные повреждения расположенных в нём для ремонта объектов – атомных ледоколов, танкеров или подводных лодок».

В 1989 году на кафедру поступил первый заказ на систему контроля плавающих доков – прогибомер. Тогда в Херсоне строилось два дока. Вскоре пришёл заказ ещё на две системы для доков Мурманского судоремонтного завода. В тяжелейших финансовых условиях 1993 года, когда из-за инфляции сотрудникам невозможно было выплачивать сколько-нибудь значимую зарплату, кафедра сделала три прогибомера для заказчиков.

Принцип работы тот же самый, что и при контроле деформации рельсов, хотя, разумеется, сама система другая.

В настоящее время сотрудники кафедры разрабатывают оптико-электронный доковый прогибомер третьего поколения, обрабатывающий видеоизображения меток, расположенных на элементах конструкции.

Рис. 3. Принципиальная схема работы прогибомера.

Такие прогибомеры можно применять и для контроля за состоянием крыш зданий. Задача очень актуальная – вспомним происшествие в петербургском супермаркете «О’Кей» в январе 2011 года, когда из-за рухнувшей под тяжестью снега крыши пострадали несколько человек. Если бы в супермаркетах применялись системы контроля за прогибами крыш, относительно недорогие для владельцев крупной сети, трагедии, по мнению профессора Коротаева, можно было бы избежать: «Тут два аспекта: разработка средств технического контроля, в которой у нас уже есть большой опыт, и вопрос их применения. На доках применять эти средства контроля положено по нормативам. В области строительства и эксплуатации зданий таких норм, к сожалению, нет». Но даже сейчас, когда на кафедре делаются единичные экземпляры, система вполне по карману крупному и среднему бизнесу, а в случае серийного производства её цена снизится.

Фотографии предоставлены кафедрой оптико-электронных приборов и систем СПбГУ ИТМО.