CC BY
153
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010
УДК 681.883.074 : 681.883.45
Д. Н. КЛЫПИН А. К. ЧЕРНЫШЕВ
Омский государственный технический университет
СИСТЕМА КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ПОДВОДНЫХ ПЛОВЦОВ____________________________________________
В статье рассмотрены существующие системы технической поддержки и контроля подводных пловцов, основные параметры таких систем и методы улучшения этих параметров. Предложена система, позволяющая отслеживать перемещение группы пловцов, а также их состояние с автоматическим формированием сигнала тревоги. Ключевые слова: подводный пловец, группа, контроль физиологического состояния.
Введение
В настоящее время, в связи с активной разработкой шельфовых зон и подводных мест залегания полезных ископаемых подводные работы с участием человека становятся одной из основ эффективного освоения морских богатств, а безопасность и необходимость сохранения жизни и здоровья человека в условиях выполнения этих работ требует эффективного средства обнаружения местонахождения и непрерывного контроля за состоянием людей. Даже на небольшой глубине погружения человек испытывает психофизиологический стресс, одним из результатов которого может стать внезапная потеря сознания, ориентации и т.д. Вероятность такого хода событий, как правило, весьма высока и часто приводит к летальному исходу даже опытных водолазов, не говоря уже о неподготовленных подводных туристах- дайверах.
Системы контроля подводных работ и дайвинга должны сочетать в себе возможности точного обнаружения конкретного подводного объекта, а также мониторинга его параметров, причем все это должно производится в процессе движения объекта.
Обзор открытых источников показал, что научнотехнические разработки в этой области у зарубежных частных и государственных компаний единичны и находятся в стадии опытной эксплуатации, серийные варианты исполнения подобных систем отсутствуют.
В частности, оборудование для дайвинга нацелено на обеспечение безопасности пловца путем предоставления ему данных об уровне декомпрессии, остатке дыхательной смеси в баллонах, времени дайвинга и т.д., при этом все полученные данные передаются только на компьютер дайвера, без извещения станции контроля. Самые дорогие и технически оснащенные приборы оснащены только функцией измерения частоты сердечных сокращений и уровня азота в выдыхаемом воздухе [1], причем эти параметры отображаются опять же только на дисплее дайв-компьютера. Существуют системы для симплексной голосовой связи между дайверами или между дайвером и базой [2], но даже с такими системами остается значительная вероятность гибели человека, попавшего в опасную ситуацию.
В нашей стране, по состоянию на данный момент, не ведется даже поисковых исследований в данной области, а близкие по назначению устройства имеются только у военных организаций и силовых структур
и при этом имеют функциональность еще ниже, чем иностранные образцы [3].
Единственным источником информации в данной области являются патенты.
Обзор патентной литературы
Исследуемая система относится к области водолазного оборудования и должна использоваться для контроля состояния группы мобильных подводных пловцов с целью обеспечения безопасности жизнедеятельности в ходе подводных работ, спортивного плавания, лечебной физкультуры и т.д.
Параметры безопасности человека при движении под водой, подлежащие постоянному контролю, делятся на две группы: физические и физиологические параметры. К физическим параметрам относят координаты пловца (косвенные или абсолютные), глубину погружения, температуру, плотность и скорость течения воды, время нахождения в воде и т.д., к физиологическим — состояние сердечно-сосудистой системы, уровень азота в крови и т.д.
В патенте US 7,257,517 B2, МПК G06F 17/40, от 14.08.2007 «Détection apparatus, détection system, portable device, and machine readable medium» система, размещаемая на пловце, производит измерение пройденного пути, скорости движения, времени нахождения в воде, температуры, плотности и скорости течения воды, на основе этих данных вычисляет количество потраченных человеком калорий и отображает на наручном дисплее пловца. Подобные системы используются только для спортивных или восстановительных тренировок и имеют низкую функциональность с точки зрения обеспечения безопасности человека.
Система, описанная в патенте US 7,144,198 B2, МПК B63C 11/02, от 05.12.2006 «Diver information processing apparatus and method of controlling same», помимо измерения глубины погружения и температуры воды, содержит датчик азота в выдыхаемом человеком воздухе, что позволяет вовремя сигнализировать пловцу об опасности декомпрессии и замедлить подъем на поверхность воды.
Для определения координат подводных объектов существуют различные методы [3, 4]. Например, в патенте US 7,512,036 B2, МПК G01S 3/80, от 31.03.2009 «Underwater acoustic positioning system and method» координаты пловца определяются с помощью известной акустической системы навигации с длинной базой [4, с. 49], основанной на использовании трех буев, оснащенных приемниками глобальной системы
Рис. 1. Вид программы контроля пловцов
позиционирования (Global Positioning System, GPS). Расположение буев ограничивает район подводных работ.
Основным недостатком всех рассмотренных выше систем является то, что вся информация о состоянии подводного пловца отображается только на дисплее самого пловца, без передачи на наземную станцию контроля, что в случае опасности не позволяет принять мер по спасению человека.
Кроме того, ни одна из рассмотренных систем не обладает функциональностью, необходимой для полного контроля координат и состояния подводного пловца.
Улучшенной функциональностью обладает система, описанная в патенте US 6,108,272 B2, МПК H04B 11/00, от 22.08.2000 «Method and apparatus for locating diver(s) from a surface station and alerting the surface station of a diver emergency» (Метод и устройство для определения координат подводного пловца (-ов) с наземной станции и оповещения наземной станции об опасности подводного пловца).
В данном публикации описано устройство, размещаемое на пловце, которое совместно со станцией контроля образуют гидроакустическую систему со сверхкороткой базой для определения пеленга, глубины и дальности погружения пловца, основанную на измерении прямого и обратного времени прохождения акустического сигнала от пловца к станции. Данная информация отображается на дисплее пловца в цифровом виде и на наземной станции в виде карты дна с расположением пловцов.
На рис. 1 показано изображение на экране ЭВМ станции контроля. Текущие параметры пловцов 1 и 2, обозначенных точками на карте моря, — тревожное состояние, дальность, пеленг, глубина могут быть показаны в окне 3 и могут быть выбраны для конкретного пловца переключателем 4. Определение навигационных параметров различных пловцов осуществляется на различных гидроакустических частотах. На устройстве пловца есть кнопка тревоги, при нажатии на которую вырабатывается гидроакустический сигнал на тревожной частоте, различной для каждого пловца. Этот сигнал принимается наземной станцией и вызывает срабатывание светового и звукового тревожного оповещения.
Система имеет следующие достоинства:
1) возможность контроля параметров нескольких пловцов;
2) отображение координат пловца на станции контроля, что позволяет в случае тревоги быстрое нахождение и спасение человека.
Однако данной системе присущи и недостатки:
1) ручная подача сигнала тревоги не позволяет спасти человека при потере сознания, травмах и т.д.;
2) недостаточная функциональность системы — нет контроля состояния физиологических параметров;
3) использование множества гидроакустических частот значительно усложняет систему;
4) невысокая точность определения координат пловца из-за использования навигационной системы со сверхкороткой базой.
Постановка и решение задачи
Технической задачей предлагаемой системы является увеличение надежности и функциональности системы контроля состояния подводных пловцов для обеспечения безопасности нахождения человека под водой путем непрерывного контроля физических и физиологических параметров пловцов с автоматическим формированием сигнала тревоги при выходе этих параметров за заданные пределы и определения точных географических координат пловца с помощью одночастотной навигационной системы с длинной базой и синхронизацией по спутниковой системе GPS.
Известно, что наилучшую точность определения координат подводных объектов обеспечивают гидроакустические системы с длинной измерительной базой [4]. В современных системах измерительную базу образуют три буя с GPS-приемниками, образующие треугольник со стороной 1...5 км. Для определения координат и обеспечения синхронности передач нескольких подводных пловцов в предлагаемой системе оборудование каждого пловца оснащается высокостабильными часами, предварительно синхронизированными по часам GPS. Гидроакустический излучатель (гидрофон) определенного пловца излучает сигнал только в свой, предустановленный момент времени, в зависимости от номера, присвоенного пловцу — гидрофон пловца i излучает свой сигнал в момент времени i-T, гидрофон пловца i+1 — в момент времени (i+1)-T и т.д. Время T (промежуток между передачами пловцов с соседними номерами) в предлагаемой системе складывается из времени передачи и доставки сигнала от одного пловца, и интервала такой же длительности для передачи и доставки тревожных сообщений от любого пловца или команды от станции контроля.
Время передачи и доставки сигнала от одного пловца t складывается из времени передачи tn и времени распространения сигнала по наибольшей длине измерительной базы (между наиболее удаленными буями) tt:
t = > tn + t.
Время T равно удвоенному времени t, следовательно, сигналы от n пловцов будут переданы за время
T = n-2-t.
Во время передачи могут передаваться данные о любых физических и физиологических параметрах пловца, заранее выбранных или изменяемых по команде станции контроля. Для обмена данными между пловцом и станцией существуют известные гидроакустические методы передачи данных со
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010
Рис. 2. Структурная схема системы контроля параметров подводных пловцов
скоростями 4800 бит/с и выше [5], достаточные для передачи любых параметров в реальном времени. Например, известно, что при регистрации электрокардиограммы (одного отведения) в режиме «мониторинг» скорость цифрового потока данных составляет не более 1200 бит/с [6].
Предположим, что от пловца на базу передается информационная посылка, которая содержит данные о глубине погружения (0...40м), температуре воды (0...30 °С), частоте сердечных сокращений (20.200 ударов/минуту), уровне азота в выдыхаемом пловцом воздухе (0.100 %). С учетом дополнительных данных для синхронизации и восстановления информации на приемной стороне объем такой посылки не превысит 10 байт, а длительность посылки при скорости передачи 4800 бит/с, т.е. время передачи от пловца, составит
гп = 10-8-( 1/4800) = 0,017 с.
Время распространения сигнала между буями при средней скорости звука в воде 1500 м/с и максимальном расстоянии между буями 1000 м составит
г, = 1000/1500 = 0,667 с.
Следовательно, интервал Т между передачами пловцов должен быть не менее
Т = 2-г => 2-(0,017 + 0,667) » 1,4 с.
Все буи должны за время г передать параметры пловца и свои координаты на наземную станцию. Время обработки данных и вывода на дисплей ЭВМ наземной станции должно также быть менее времени г. При выполнении этих условий осуществляется мониторинг параметров пловцов со скоростью 10 пловцов / 14 секунд (т.е. обновление координат и состояния группы из 10 подводных пловцов полностью завершается за 14с).
В предлагаемой системе пауза между информационными посылками той же длительностью г
используется для передачи тревожных сообщений от любого пловца на наземную станцию или для передачи команды от наземной станции к конкретному пловцу. Передача тревоги производится в ближайшей паузе, причем тревожная посылка содержит номер аварийного пловца. Команда от наземной станции производится также в ближайшей паузе между информационными посылками.
Для предотвращения наложений гидроакустических сигналов в предлагаемой системе все передачи от пловца производятся только в предустановленные моменты времени, по временным меткам высокостабильных часов устройства подводного пловца, предварительно синхронизированных по часам GPS, а все передачи от буев и наземной станции синхронизированы по часам их GPS-приемников.
В предлагаемой системе формирование тревожного извещения от пловца может производиться двумя способами — ручным способом, при нажатии пловцом тревожной кнопки, и автоматическим способом. Автоматическое генерирование тревожного события производится при выходе любого физического или физиологического параметра за заранее заданные пределы, которые могут быть уникальны для каждого пловца. Например, это может быть погружение ниже заданной глубины, выход частоты сердечных сокращений за пределы нормы, превышение доли азота в выдыхаемом воздухе и т.д.
Возникновение тревожного события, кроме передачи тревоги, сопровождается оповещением самого пловца (например, виброзвонком).
Задача решается следующим образом. Предлагаемая система контроля состояния подводных пловцов состоит из станции контроля, GPS-буев в количестве не менее трех, и, как минимум, одного подводного пловца. Станция контроля содержит ЭВМ с программой вычисления координат и отображения состояния пловцов на экране, световой и звуковой тревожные оповещатели, радиомодем и GPS-приемник. Буи содержат GPS-приемник, гидрофон, микроконтроллер и радиомодем. Оборудование пловца содержит гидрофон, высокостабильные часы,
предварительно синхронизированные по часам GPS, датчики физических (измеритель гидростатического давления, скорости, солености и температуры воды, индикатор остатка дыхательной смеси в баллоне и т.п.) и физиологических (регистратор ЭКГ, измеритель температуры тела, измеритель содержания азота в выдыхаемом воздухе и т.п.) параметров, микроконтроллер для обработки сигналов датчиков и автоматического формирования тревожного извещения, кнопку передачи тревожного извещения.
Система, изображенная на рис. 2, состоит из станции контроля 1, как минимум трех буев 2 и как минимум одного подводного пловца 3.
Станция контроля содержит радиомодем 4, ЭВМ 5 с программой обработки данных и вывода на дисплей и GPS-приемник 6.
Каждый буй 2 содержит радиомодем 7, микроконтроллер 8, GPS-приемник 9 и гидрофон 10.
Каждый подводный пловец 3 содержит высокостабильные часы 11, микроконтроллер 12, гидрофон 13, датчики физических параметров 14, датчики физиологических параметров 15, тревожный оповещатель 16.
Станция контроля и буи обмениваются данными по радиоканалу посредством радиомодемов. GPS-приемник станции контроля служит для синхронизации часов станции с целью организации синхронной работы обмена данными системы в целом.
GPS-приемник буя служит для синхронизации обмена данными в системе и для определения текущих географических координат буя. Гидрофон буя и гидрофон пловца служат для обмена данными по подводному гидроакустическому каналу. Все гидрофоны ненаправленного вида. Микроконтроллер буя измеряет время запаздывания сигнала от пловца, передает это время и собственные координаты буя на станцию контроля по радиоканалу посредством радиомодема.
Высокостабильные часы пловца предварительно синхронизированы по часам GPS станции контроля и буев и служат для синхронного обмена данными по гидроакустическому каналу.
Микроконтроллер пловца служит для обработки сигналов датчиков всех параметров, передачи этих параметров на буи в предустановленный момент времени посредством гидрофона, анализа этих параметров и формирования сигнала тревожного оповещения в случае выхода какого-либо параметра за заданные пределы, путем включения встроенного тревожного оповещателя и передачи тревожного извещения по гидроакустическому каналу.
Система работает следующим образом.
Буи устанавливаются на поверхности моря, образуя измерительную базу. Подводные пловцы в процессе подводного движения должны находиться в пределах измерительной базы.
Расчет координат производится на основе длинной измерительной базы, используя известный пространственный принцип вычисления расстояний, определенных гидроакустическим методом с измерением времени запаздывания гидроакустического сигнала, принимаемого буями, относительно излучаемых гидрофонами подводных пловцов коротких информационных посылок. При этом периодическое излучение гидрофонов пловцов производится в предустановленный момент времени, синхронный с ходом часов пловца и различный для каждого подводного пловца. Сигнал от определенного пловца принимается всеми буями и с помощью микроконтроллеров буев измеряется время запаздывания этого сигнала до каждого буя. Далее каждый буй передает это время
по радиоканалу на станцию контроля. Станция контроля принимает эти данные и по полученным от всех буев данных ЭВМ станции вычисляет координаты определенного пловца и выводит их на дисплей в виде точек на карте моря и в виде цифровых данных. Одновременно на дисплей могут выводиться и другие желаемые параметры определенного пловца.
Информационная посылка пловца, излучаемая в порядке очереди, содержит данные о физических и физиологических параметрах пловца, снимаемых с соответствующих датчиков.
Микроконтроллер пловца сравнивает все снимаемые параметры с датчиков с предустановленными допустимыми пределами и, в случае выхода какого-либо параметра за эти пределы, формирует тревожное извещение и включает тревожный оповещатель пловца. Кроме того, тревожное извещение передается в ближайшей паузе между информационными посылками один раз в цикл передач всех пловцов до тех пор, пока в любой из последующих пауз не будет получена команда подтверждения от станции контроля.
Любая команда, передаваемая от станции контроля конкретному пловцу (подтверждение приема тревоги, изменение списка параметров, команда на подъем и т.д.), ретранслируется из радиоканала в гидроакустический канал ближайшим к пловцу буем в ближайшей паузе между информационными посылками, синхронно с временной меткой часов GPS. Таким образом, достигается синхронность в работе всей системы и устраняются возможные наложения гидроакустических сигналов, приводящие к потере информации.
Заключение
Предложенная система обеспечивает повышенную точность определения координат и надежность контроля состояния физических и физиологических параметров группы мобильных подводных пловцов.
Дополнительно достигается упрощение и уменьшение веса аппаратуры подводного пловца за счет использования только одной частоты в гидроакустическом диапазоне.
Библиографический список
1. Дайв-компьютер SUUNTO. [Электронный ресурс]. — Режим доступа : www.divemart.ni/shop/JJTD 1512 sinint.ost.inger.ht.ml.
2. GSM DC подводный модуль связи. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.oceanreef.ru/?id = 7.
3. Подводная навигационная панель «Кобра» / Боевые пловцы-их снаряжение и технические средства борьбы с ними. [Электронный ресурс]. —Режим доступа: http://www.rusarmy.com/ forum/topic7312.html.
4. Милн, П.Х. Гидроакустические системы позиционирования / П.Х. Милн; перевод с англ. В.К. Комлева — Л.: Судостроение, 1989. - С. 232.
5. Method and apparatus for carrying out high data rate and voice underwater communication. US Patent 6,130,859, Tnt. Cl. H04B 11/ 00, Oct. 10, 2000.
6. Кардиомониторы. Аппаратура непрерывного контроля ЭКГ: учеб. пособие для вузов / А.Л. Барановский [и др.]; под ред. А.Л. Барановского и А.П. Немирко.-М.: Радио и связь, 1993.-С. 248.
КЛЫПИН Дмитрий Николаевич, научный сотрудник кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики».
ЧЕРНЫШЕВ Андрей Кириллович, доктор медицинских наук, профессор кафедры «Детская медицина». Адрес для переписки: e-mail: [email protected]
Статья поступила в редакцию 26.04.2010 г © Д. Н. Клыпин, А. К. Чернышев
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
