Морские информационно-управляющие системы. Май 2015, № 1...

ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ сИстЕМыОАО «КОНЦЕРН «МОРИНсИс-АГАт»

МОРсКИЕ

АНЦЕВ Георгий Владимирович генеральный директор-генеральный конструктор АО «Концерн «Моринсис-Агат», член президиума Морской коллегии при Правительстве РФ, главный редактор

КОБЫЛЯНСКИЙ Валерий Владимирович заместитель генерального конструктора по инновационной политике АО «Концерн «Моринсис-Агат», заместитель главного редактора

НОВИКОВ Евгений Станиславовичглавный конструктор направления АО «Концерн «Моринсис-Агат»

БЕКИШЕВ Анатолий Тимофеевичгенеральный директор-генеральный конструктор ОАО «НПП «Салют»

БОНДАРЬ Михаил Владимировичглавный научный сотрудник ОАО «ЦНИИ «Курс»

ГОЛУБЕВ Анатолий Генадьевичдоктор технических наук, ОАО «КГФИ»

ГЛАДИЛИН Алексей Викторовичдиректор института ФГУП «АКИН»

КОПАНЕВ Александр Алексеевичгенеральный директор ОАО «НПФ «Меридиан»

МАКЛАЕВ Владимир Анатольевичгенеральный директор ОАО «НПО «Марс»

НЕМЫЧЕНКОВ Владимир Сергеевичгенеральный директор, председатель научно-технического Совета ОАО «Тайфун»

ПИРОГОВ Всеволод Анатольевичпервый заместитель директора института по научной работе ФГУП «АКИН»

ПРИХОДЬКО Иван Михайловичтехнический директор ОАО «НИИ «Атолл»

редакционная коллегия:

Copyright © 2015 Акционерное общество «Концерн «Моринформсистема-Агат»

Межотраслевой корпоративный научно-технический журнал

ИЗДАТЕЛЬ:

Акционерное общество«Концерн «Моринформсистема-Агат»

морские иНФормАЦиоННо-УПрАВЛЯЮЩие системы

1

КОЛОНКА РЕДАКТОРА

Фундаментальные исследования усиления света вынужденным излучением привели к со‑зданию квантовых оптических генераторов‑лазеров – устройств, генерирующих когерентные электромагнитные волны за счет вынужденного испускания света активной средой, находящей‑ся в оптическом резонаторе. Этот пример приводят всегда, когда хотят популярно объяснить, зачем нужны фундаментальные научные исследования. О том, насколько широко используются лазеры в нашей жизни, сейчас знает практически каждый.

Конечно, они нужны для того, чтобы человечество лучше знало, как устроены окружающий мир и сам человек, что такое жизнь, и какова наша взаимосвязь с Создателем. То есть, прежде всего, фундаментальные научные изыскания в различных областях науки направлены на то, что‑бы человечество стало мудрее. В то же время внедрение результатов исследований в повседнев‑ную жизнь человека делает ее более комфортной. Область исследования и освоения Мирового океана не является исключением. Открытие синоптических вихрей в океане позволило лучше понимать закономерности формирования климата на Земле. Исследования в области морской геологии сделали возможной добычу полезных ископаемых со дна океана. Биологически актив‑ные вещества, которые можно выделить из морской флоры и фауны, обладают уникальными фи‑зиотерапевтическими свойствами и стали незаменимы при создании современных эффективных лекарственных препаратов. Эти примеры можно продолжить.

К сожалению, в последние три десятилетия решение прагматических технических задач в об‑ласти освоения Мирового океана существенно превалирует над фундаментальными исследова‑ниями. Эту тенденцию нельзя считать положительной. Самым существенным провалом является резкое снижение качества и количества работ в области физики океана как в нашей стране, так и за рубежом. Открытие тонкой термохалинной структуры не привело к революционному изме‑нению в представлениях о механизмах перемешивания и процессах формирования водных масс в океане. Акустика застряла на теоретических работах 60‑х годов прошлого века по распростране‑нию волн в слоистых средах. Практически полностью отсутствуют серьезные работы по неравно‑весной термодинамике морской воды и процессам переноса ионов. Конечно, глубокое изучение этих вопросов будет востребовано уже в самое ближайшее время. Надеемся, что российская океанологическая наука, имеющая большие традиции в этой области, не останется в стороне.

Анцев Георгий Владимировичглавный редактор

2

СОДЕ

РЖА

НИ

ЕCO

NTEN

T

3

70

24

4

МОРСКИЕ ИНФОРМАЦИОННО–УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ No. 1 (7) / 2015

Современная радиолокация: состояние и перспективыГ.В. Анцев, В.А. СарычевАО «Концерн «Моринсис-Агат»ОАО «НПП «Радар ммс» 4

Математические модели противоборства систем как ключевой элемент центров компетенцийВ.М. Константиновский, А.К. Красников, Е.С. НовиковАО «Концерн «Моринсис-Агат» 18

Мультиагентные технологиии самоорганизация сетей связанных расписаний для управления ресурсамив реальном времени П.О. Скобелев, И.В. МайоровГК «Генезис знаний» 24

Перспективы донной сейсморазведки в Российской Федерации Н.П. Лаверов, Ю.В. Рослов, А.В. Тулупов, М.А. Воронов, Л.И. Лобковский, О.Ю. ГанжаРоссийская академия наук ООО «Сейсмо-Шельф»Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАНИЦТИЗ МФТИ 40

Интеграционная шина:переход к единому информационномупространству корабляЕ.Л. Полян, К.В. Сёмин, М.Ю. ХрамовЗАО НПК «Агат-Аквариус»АО «Концерн «Моринсис-Агат» 52

Научно-техническая конференция «Состояние, проблемы и перспективы создания корабельных информационно-управляющих комплексов» 58

Когерентная четырехфотонная спектроскопия низкочастотных колебаний молекул в воде А.Ф. Бункин, С.М. ПершинАО «Концерн «Моринсис-Агат»ИОФ им. А.М. Прохорова РАН 60

О возможностях исследованияструктуры воды с использованиемсинхротронного излученияВ.В. КобылянскийАО «Концерн «Моринсис-Агат» 70

Влияния циклонов над Камчаткой на распределение электронов в ионосфереВ.В. Богданов, А.В. Кайсин, А.Л. Полюхова, А.А. РомановИКИР ДВО РАНОАО «Российские космические системы» 80

Морская связь на северо-востоке РФ с использованием антенн вращающейся поляризацииВ.П. СивоконьИКИР ДВО РАН 86

Современные морские гиганты Технический обзорМ.В. АрфанидиАО «Концерн «Моринсис-Агат» 92

40

92

18

4

Радиолокация давно стала состоявшейся наукой, и ее достижения сегодня во много связа-ны с совершенствованием действующих радиолокационных технологий. История, современ-ный уровень радиолокации и ее традиционные проблемы подробно изложены в [1–12, 14]. В данной работе нас будут интересовать выявленные, но не зафиксированные в указанных публикациях, магистральные направления радиолокационной теории и практики.

АО «Концерн «Моринсис-Агат»* Москва

Г.В. Анцев

* участники Технологической платформы «Освоение океана»

СОВРЕМЕННАЯРАДИОЛОКАЦИЯ:

СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ

ОАО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс»*

Санкт-Петербург

В.А. Сарычев

5

Основные принципы радиолокации

Радиолокационные технологии наблюдения, непосредст-венно влияющие на онтологию радиолокационной систе-мы (РЛС), базируются на следующих принципах:• использование таких свойств электромагнитных волн

и эффектов их взаимодействия с фоноцелевой обста-новкой, как постоянная скорость и прямолинейность (в однородной среде) распространения электромаг-нитных волн (используется для измерения дальности и угловых координат), эффект Доплера (используется для измерения скорости), принцип Гюйгенса-Френе-ля (используется для формирования и варьирования физического или сигнального поля, выставляемого вокруг РЛС), когерентность сигнала (используется для оптимальной обработки радиолокационных сигналов, чтобы повысить энергетический потенциал и точ-ностные характеристики наблюдения), возможность сохранения гармонической структуры в процессе радиолокационных преобразований у узкополосных сигналов;

• ориентация на физическое формирование, излучение, прием и обработку пространственно-временных ра-диолокационных сигналов с использованием различ-ных радиоэлектронных устройств;

• использование возможностей, доставляемых адек-ватным гомоморфным кодированием параметров фоноцелевой обстановки в характеристики радиоло-кационного сигнала;

• использование возможности организации процедур сравнения принятых радиолокационных сигналов с эталонными, подготовленными для излучения, что повышает как качество информационного контакта, так и его способность сопротивляться разрушению в ходе радиоэлектронного противодействия, а также качественно обновлять номенклатуру используемых сигналов, например, за счет резкого наращивания занимаемой ими полосы частот или даже перехода к видеосигналам;

• возможность эффективного оценивания только коор-динатных характеристик цели в отличие от некоорди-натных, где реальные успехи достигаются только после оценки координатных характеристик элементов (фраг-ментов)цели за счет процедур высокого разрешения;

• использование возможностей современной вычисли-тельной техники для воспроизведения физических фун-кций формирования и обработки сигналов, а также для осуществления виртуальных режимов (например, син-тезирования антенного раскрыва, поляризационного сканирования, интерферометрического наблюдения, CCD–Coherent Change Detection – режима выявления целей и оценки их некоординатных характеристик по изменениям в радиолокационном изображении), где на основе зафиксированных в эксперименте результа-тов в процессоре формируются нереализованные в эк-сперименте условия наблюдения;

• возможность непосредственной мгновенной оценки ряда координатных параметров цели – дальности, радиальной скорости, направляющих косинусов, про-изводной направляющих косинусов, а также поляри-зационной структуры рассеянных целью сигналов, которые формируют эффективные технологии получе-ния радиолокационных изображений (портретов [5]), выявляющих информационно-насыщенные структуры фоноцелевой обстановки (рис. 1);

• возможность в качестве зондирующего сигнала (подсвета) использовать сигналы, сформированные сторонними радиоэлектронными системами: радио- передающими станциями цифрового и аналого-вого телевидения, радиовещания, сотовых систем связи, КВ-радиостанций, сигналов глобальных на-вигационных систем и других. Наибольший интерес представляет работа по сигналам наземного цифро-вого телевидения, поскольку сигналы этой системы занимают относительно широкую полосу (до 10 МГц), что позволяет получить лучшее разрешение це-лей по дальности, чем при использовании сигналов других доступных источников излучения. Цифровая

Рис. 1. Примеры возможностей современной радиолокации: а – радиолокационное изображение земной поверхно-сти с разрешением 1,5 м, полученное со спутника; б – оцифрованное радиолокационное изображение русла реки

а б

6 Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 1 (7)

природа кодирующего сигнала, и, как следствие, его достаточно равномерный амплитудный спектр позво-ляют добиться постоянства характеристик обнаруже-ния. Благодаря отсутствию собственного передатчика обеспечивается скрытность работы, экологичность функционирования при меньших экономических и эк-сплуатационных затратах. Однако мощный прямой сигнал подсвета и создаваемый им мешающие отра-жения являются серьезными помехами.

Задача РЛС заключается в уменьшении неопределен-ности в знаниях об объектах фоноцелевой обстановки; неопределенности, вызванной, главным образом, внутрен-ними особенностями систем, внешними воздействиями посторонних средств, а также влиянием параметров окру-жающей среды, посредством которой осуществляется радиолокационное взаимодействие с фоноцелевой обста-новкой в рамках предоставляемого ресурса.

Под некоординатными (некинематическими) параме-трами (характеристиками) целей понимается информация о типе, классе объекта радиолокационного наблюдения, его размерах, электрофизических свойствах поверхности, структурных свойствах, а также о намерениях тех, кому этот объект «принадлежит». Иногда их называют атрибутивны-ми данными цели. Эти параметры играют главную роль при осуществлении распознавания целей или, более широко, при мониторинге фоноцелевой обстановки, потому что, по определению, в задачу мониторинга обязательно входит еще идентификация и интерпретация наблюдаемой обста-новки. Не менее важно по некоординатным характеристи-кам объектов планировать и осуществлять те или иные действия (например, поражение целей). Контроверзой некоординатным параметрам выступают, конечно, коорди-натные, под которыми понимаются традиционные харак-теристики радиолокационных целей: факт наличия, число элементов в сложной цели, дальность, скорость, высота по-лета, параметры маневра, перегрузки, угловые координаты, пространственное расположение, динамика.

В философии (точнее, науковедении) сегодня любую науч- ную дисциплину рассматривают с теоретической и прагма-

тической позиций. Теоретическая позиция – это точка зрения на научную дисциплину, когда она представляет некую замкнутую систему со своим понятийным, логиче-ским и теоретическим каркасом. Прагматическая позиция рассматривает влияние этой научной дисциплины на чело-веческую деятельность, то есть на другие научные дисци-плины. В последнем случае говорят о существовании некой метатеории, в рамках которой данная исследуемая теория представляет как определенная структура, включаемая в ту или иную технологию метатеории и ее обосновывающий. По понятным причинам, объекты исходной теории (в радио- локации объекты радиолокационного наблюдения – цели) в метатеории проявляют себя, в основном, атрибутивными (для радиолокационных целей – некоординатными) харак-теристиками и свойствами. Исходя из такого представле-ния, пользователи радиолокационной информации имеют дело уже с метатеориями для радиолокации, где основной выступает как раз некоординатная информация об объек- тах радиолокационного наблюдения (целях). Сегодня ра-диолокационные технологии в основном обслуживают как раз отмеченные «метатеоретические» приложения, что сказалось как на характере проводимых сегодня ис-следований, так на том, что в технических университетах практически исчезли кафедры радиолокации, а соответст-вующие материалы даются студентам в разнообразных кур-сах по радиоэлектронным системам. В очень авторитетном и обстоятельном справочнике по радиоэлектронным сис- темам [17] разделы по радиолокации эффектно разбросаны по общесистемным главам.

Некоординатные характеристики целей и интеллектуальность РЛС

По нашему мнению, основной водораздел между тради-ционной и «современной» радиолокацией как раз опре-деляется сегодняшним стремлением оценивать именно некоординатные характеристики объектов радиолокацион- ного наблюдения. Более того, если РЛС выявляет, оцени-вает и использует при своем функционировании именно некоординатные параметры, то обычно заявляют о задейст-вовании принципов искусственного интеллекта и о созда-нии интеллектной РЛС (здесь мы следуем научной школе академика РАН С. Н. Васильева, избегающей употребление термина «интеллектуальный» всуе [18]). Именно такая точ-ка зрения на проявление искусственного интеллекта се-годня все увереннее заявляет о себе в теории систем [19]. Значимость некоординатной информации о радиолока-ционных целях постоянно нарастает на практике, и когда появляется возможность непосредственного ее получе-ния, то такие технологии вытесняют традиционные схемы радиолокационного наблюдения. Например, функции наблюдения в концепции CNS/ATM гражданской авиа-ции по существу базируются на применении вторичной радиолокации со спутниковой трансляцией данных [20].

Считается, что характеристики принятого ра‑диолокационного сигнала ограничены следующим перечнем: амплитуда, фаза, частота, время задер‑жки, поляризация, угол прихода волны, временная и спектральная структуры, динамика измене‑ния указанных характеристик по времени и про‑странству. Современные РЛС оперируют шестью составляющими ресурса: пространство, время, частота, поляризация, энергия (мощность), нако‑пленная и предоставленная в виде данных инфор‑мация об объектах фоноцелевой обстановки.

7No. 1 (7) / 2015, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 2. Примеры современных РЛС: а – самолет дальнего радиолокационного обнаружения А-50; б – радар Х-диа-пазона морского базирования; в – стационарная надгоризонтальная радиолокационная станция «Воронеж-М» дальнего обнаружения; г –морская навигационная радиолокационная станция; д – радиолокационные установки на Шпицбергене; е–мобильный радиолокационный комплекс «Небо-М»

а

в

д

б

г

е


волюция привела к тому, что такие радиолокационные системы объединяют в себе собственно радиолокацион-ную, приемную и вычислительную подсистемы, и такие системы проектируются как единое целое. В подобных радиолокационных системах сегодня нуждаются беспи-лотные летательные аппараты [22], высокоточное оружие, сенсоры транспортных навигаторов, средства охраны и мо-ниторинга, медицинская техника.

Вместе с тем, во многих нынешних информационных (инфокоммуникационных) системах превалирующую роль играют как раз радиолокационные сенсоры, особенно когда решаются оборонные задачи. Этому способствует то обстоятельство, что радиолокация гораздо быстрее, чем другие радиоэлектронные дисциплины, превратилась в системотехническую дисциплину, имеющей четкую сис- темную ориентацию. Она также быстрее, нежели другие радиоэлектронные дисциплины, втягивается в орбиту об-служивающих радиолокацию дисциплин: науковедения, системологии, инфологии, кибернетики, теории искусст-венного интеллекта, анализа данных, теории алгоритмов, программирования, теории эксплуатации, метрологии, микроэлектроники, теории адаптации, теории сигналов, радиофизики, системного инжиниринга и т. п., в результате чего радиолокация уже давно превратилась в новую науч-ную дисциплину – радиолокационную системотехнику, методы которой и опыт создания сложных радиолокацион- ных систем сейчас активно используются при создании других радиоэлектронных систем. Как видно из перечи-сления научных дисциплин «вокруг радиолокации», они в той или иной степени обслуживают все стадии жизнен-ного цикла РЛС.

Радиолокационная системотехника приобретает ка-чественно иную специфику, если РЛС располагается на подвижной платформе, которой требуется управлять по данным радиолокационного наблюдения. Сюда, пре-жде всего, относятся задачи радиолокационного наве-дения и самонаведения. В этом случае, можно говорить о соответствующей логистике, особенно если процедуры радиолокационного наблюдения и оценки параметров цели требуют специфических траекторий движения носи-телей РЛС и ракурсов наблюдения цели для формирования соответствующего траекторного сигнала [1, 2, 4–10, 17]. В последнем случае можно заявлять о логистике обеспе-чения радиолокационного наблюдения.

Аналогичные соображения могут быть высказаны в связи с развитием систем опознавания, способных гарантировать помехозащищенность для реальных условий эксплуатации.

Традиционной радиолокации соответствует нынешний этап развития радиолокационной системотехники, основ-ными чертами которой являются: комплексный характер решаемых задач, синкретизм представлений, деятельный объект исследования и проектирования, обращенность ко всем этапам и фазам инженерной деятельности, учет фактора окружающей среды, использование средств ими-тационного моделирования [21]. Разработка РЛС является многокритериальной задачей, требующей при ее решении учета множества противоречивых факторов; при исследо-вании приходится искать компромисс между конфликтую-щими требованиями.

Радиолокационный канал структурно охватывает все ста-дии формирования радиолокационной информации вплоть до получения оценок координатных и некоординатных па-раметров. Ключевым моментом здесь является необходи-мость включения в его структуру радиолокационной цели, трассы распространения и помех. Та часть радиолокацион-ного канала, которая находится под полным контролем РЛС, выступает как ее информационная платформа. Оценка неко-ординатных характеристик требует формирования и нако-пления соответствующего тезауруса, который также со своим формирователем включается в структуру радиолокацион-ного канала. Применительно к распределенным целям в ка-честве тезауруса выступают радиолокационные портреты цели, содержащие данные о составе (структуре) цели, ярко-сти ее локальных центров рассеяния, их поляризационных и иных характеристик [5, 8, 15]. Поскольку современные РЛС (рис. 2) насыщаются элементами искусственного интеллекта, то в структуре радиолокационного канала все чаще выяв- ляется цифровой аватар, понимаемый как прослойка между оператором и окружающей средой в виде цифрового по-средника с искусственным интеллектом. Такой посредник, основанный на цифровом процессоре (или использующий процессорные мощности распределенного пользования), каналах связи и выборе протоколов является интеллектуаль-ным когнитивным интерфейсом между радиолокационной информацией и оператором. В частности, он призван препа-рировать предоставляемую оператору информацию, убирая из нее все лишнее и чересчур детальное для реализации той или иной функции. В целом радиолокационный канал задает онтологию РЛС.

РЛС как объекты микроэлектроникии их встраивание в другиеинформационные системы

Уже появляются РЛС, которые, без особых натяжек, могут быть названы системами на кристалле. Более корректно в этом контексте заявлять об использовании технологиче-ской платформы «система в корпусе». Твердотельная ре-

Именно радиолокационная системотехника явилась в нашей стране первым полигоном для демонстрации эффективности идей теории систем (см. [23], а также [12], где рассмотрен статус и достижения радиолокационной кибер‑нетики).


Радиофизика → РЛС

Деятельность объекта исследования (цель+РЛС) и учет фактора окружающей среды призвана непосредственно анализировать радиофизика, успехи которой впечатля-ют и, самое важное, сегодня зафиксированы в соответст- вующих информационных технологиях проектирования (САПР).

Обоснование процедур оценки координатных параме-тров не вызывает серьезных трудностей. Здесь физика достаточно хорошо освоена и понятна, а радиолокация воплотила соответствующие результаты в эффективные процедуры получения подобных оценок, базирующиеся на использовании аппарата функций неопределенности, распространенного на случаи определения угловых па-раметров, ускорений, траекторных параметров, поляри-зационной структуры. Хотя в последнее время появились так называемые сверхманевренные (интенсивно маневри-рующие) цели, состояние которых описывается большим количеством координатных параметров, разрушающих «привычные» функции неопределенности и значительно усложняющих процедуры сопровождения целей и оцен-ки их параметров вплоть до продольных и боковых уско-рений, а также их производных. Эти факторы усиливаются при реализации режимов длительного когерентного на-копления сигналов, когда это влияние проявляется в рас-ширении сечений функции неопределенности по осям расстроек – по времени задержки и доплеровской часто-те, уменьшении и смещении ее максимума. При анализе процедуры обнаружения целей в процессорах, исполь- зующих алгоритм преобразования Фурье, это проявляется в уменьшении амплитуды выходного сигнала, появлении множества «пиков» в выходном сигнале процессора. Ука-занные явления влияют на характеристики обнаружения, разрешающую способность, точность измерения дально-сти и скорости целей. Большие значения ускорений и их производных предъявляют более жесткие требованиях к точности и устойчивости функционирования соответст-вующих узлов РЛС.

Оценивание некоординатных параметров в радиофи-зике рассматривается на дифракционном уровне (в элек-тродинамике), когда по характеристикам рассеянного поля или собственного излучения определяются граничные

условия (в нашем случае, форма, размеры, электрофизи-ческие свойства поверхности) объекта [15]. Очевидно, что успешно выполненная оценка граничных условий объек-та наблюдения существенно облегчит определение всех некоординатных параметров цели. Интересна и иная по-становка граничной задачи, когда по объекту и падающему на него полю оценивается рассеянное поле.

При этом различают две постановки граничной задачи – в стационарном и нестационарном варианте. В стационар-ном варианте исследуется установившееся поле вокруг объекта, когда временная структура падающего (а при линейных граничных условиях на объекте – и рассеянно-го) поля представляет синусоиду. Если внимание концен-трируется на процессах установления рассеянного поля (переходных процессах) при любой временной структуре падающего поля, то граничная задача считается заданной в нестационарном варианте. Та часть объекта, которая воз-буждается падающим на него полем, выступает для рас- сеянного поля как его источник (излучающая система).

Прежде всего, радиофизика дает ответ на вопрос – а нуж-но ли для однозначного воспроизведения граничных ус-ловий оценивать электромагнитное поле в каждой точке окружающего объект наблюдения пространства [15]. Если источники рассеянного поля сосредоточены в ограничен-ной области пространства (это происходит, когда размеры объекта наблюдения конечны и/или условия наблюдения обеспечивают облучение падающим полем только части объема объекта), то для стационарного варианта выявляют две зоны наблюдения рассеянного поля – ближнюю и даль-нюю. Для излучающей антенны дальняя зона соответствует удалению от антенны, где можно оценивать ее диаграмму направленности. В теории дифракции (точнее, рассея-ния) доказана теорема Вилкокса [15], утверждающая, что в стационарной постановке поле в любой точке ближней и дальней зон может быть строго воспроизведено по ка-сательным компонентам электрического или магнитного поля (здесь «или» разделительное – одновременное зада-ние этих касательных компонент электромагнитного поля избыточно), известным на поверхности сферы достаточ-но большого радиуса, окружающей излучающую систему. Требование достаточно большого радиуса говорит об уда-лении, превышающем границу дальней зоны. Для рассеян-ного поля фиксируемая на поверхности сферы в дальней зоне его источников структура касательных составляющих поля называется диаграммой рассеяния. Следовательно, в стационарной постановке диаграмма рассеяния полно-стью определяет все рассеянное поле.

В теории дифракции обычно рассматривается лишь пря-мая теорема единственности, формулирующая условия однозначного определения рассеянного поля. Показано, что в этом случае как для изотропной, так и анизотропной сред распространения (то есть практически для любых укрытых, заглубленных и подводных объектов) при зада-нии граничных условий для заданных источников поля

Процедуры оценки координатных и некоординат‑ных параметров, как правило, между собой уве‑ренно разделяются (факторизуются), а потому рассмотрение процедур по оценке некоординат‑ных параметров можно связать только со случаем неподвижного объекта наблюдения.


гарантируется единственность существующего для рас-сматриваемой системы источников и границ диаграммы рассеяния, а следовательно и всего электромагнитного поля. В случае нестационарного рассеяния эта теорема несколько конкретизируется требованием причинности, чтобы рассеянное поле, наблюдаемое начиная с некоторо-го момента времени, определялось начальными условиями для исследуемого поля (как правило, для его источника), соотнесенными с этим моментом. Если граничные условия изменяются во времени, то отмеченное только что условие причинности распространяется и на них. Действие прямой теоремы единственности транслируется в утверждение, что как бы не варьировались граничные (а в нестационар-ной постановке, еще и начальные) условия, всегда какое-то рассеянное поле вне граничных поверхностей установится.

Для радиолокационного наблюдения гораздо боль-ший интерес вызывает обратная теорема единственности, когда по наблюдаемому рассеянному полю делается по-пытка оценить граничные (в нестационарном случае еще и начальные) условия и убедиться в единственности этих оценок [15]. Хотя каждая система источников, граничных и начальных условий формирует единственное для нее поле, однако это отнюдь не означает, что разные системы источников и граничных условий не смогут сформировать одинаковые (или почти одинаковые – из допущения этой оговорки следует некорректность по А. Н. Тихонову обрат-ных задач), но для каждой из них единственные рассеянные поля. Другими словами, обратная теорема единственности призвана ответить на вопрос – может ли одно и то же рас-пределение рассеянного поля быть получено от разных систем источников и граничных условий. Уже отмечалось, что такая постановка характерна как раз для задач оп-ределения некоординатных параметров, занимающихся восстановлением по тем или иным характеристикам рас- сеянного или излученного поля его источников и сопутст-вующих граничных условий. Применительно к рассеянному полю в стационарных задачах во внимание следует прини-мать только диаграмму рассеяния. Знание ее действитель-но однозначно определяет рассеиватель. «Физическое»

доказательство правильности этого утверждения дает го-лография. Однако диаграмму рассеяния цели оценить при радиолокационном наблюдении крайне затруднительно – при фиксированном направлении цели нужно зафиксиро-вать всю ее диаграмму рассеяния.

Для нестационарного случая условия обратной теоре-мы единственности соблюдаются при регистрации вре-менной и поляризационной структур рассеянного поля с какого-либо одного фиксированного направления (на-правления рассеяния). Такие условия уже гораздо больше соответствуют радиолокационному наблюдению, особен-но когда используются сверхширокополосные сигналы. В этом случае характеристики рассеянного поля единст-венным образом определяют рассеиватель. Правда, это предполагает фиксацию сколь угодно долго длящихся и сколь угодно малых колебаний рассеянного поля или, как говорят в радиофизике, полной динамики. При радио-локационном наблюдении имеют дело только с оценками рассеянного поля, полнота которых ограничена возмож-ностями соответствующих сенсоров.

Различные способы дистанционного наблюдения рас-сеивателя могут рассматриваться с единых позиций обратной задачи радиофизики как результат ее частно-го решения. В полной мере это относится к интенсивно разрабатываемым сегодня методам обращенного син-тезирования апертуры, которое обеспечивают синтез рассеивателя за счет относительного движения или собст-венного вращения рассеивающих объектов. При прибли-женной процедуре синтеза рассеивателя по результатам наблюдения рассеянного поля обычно используются сле-дующие подходы к описанию процесса восстановления рассеивателя: томографический (геометрический), голог-рафический, корреляционный, теории антенных решеток, согласованной фильтрации, с использованием сверхши-рокополосных сигналови т. д. Все эти подходы обнаружи-вают свое единство как различные трактовки решения обратной задачи радиофизики.

В настоящее время перед разработчиками РЛС ставятся все более и более сложные задачи, решение которых непо-средственно базируется на понимании радиофизических (электродинамических) процессов, сопутствующих осу-ществлению радиолокационного наблюдения. По сущест-ву формируется САПР, состоящий из комплекса моделей, методик, алгоритмов и программ расчета рассеивающих

Итак, в широком смысле обратная задача диф‑ракции в радиофизике принимается как задача определения физических и геометрических харак‑теристик рассеивателя (формы, размеров, от‑ражательной способности и т. д.) по измерениям рассеянного сигнала в дальней зоне.

Рис. 3. Пример диаграммы рассеяния


и излучательных характеристик целей и фонов. Стадию проектирования электродинамических моделей антенных систем и исследования механизма рассеяния на объектах радиолокационного наблюдения можно ускорить благо-даря использованию возможностей программирования, предоставляемых самими САПР, а также посредством обеспечения взаимодействия соответствующих программ с математическими пакетами (Matlab) и другими внешними программами (SWolidWorks).

Радиолокационная цель = совокупность рассеяний

Применительно к радиолокационным задачам обосно-ваны способы представления (модели) радиолокационных целей в виде набора блестящих точек (локальных центров рассеяния), резонансных мод, краевых волн, дифракцион-ных лучей, сферических и плоских волн, релеевского рас-сеивателя (см. например, [15]). Представления рассеянного поля и соответственно рассеивателей, вытекающие из раз-ложения поляризационного состояния рассеянного поля, называется разложением по поляризационным модам, причем последний термин применяется как к радиолока-ционному сигналу, так и к цели, если только в его структуре удается выделить механизм рассеяния, формирующий дан-ную поляризационную моду в сигнале [15].

Такие модели формируют соответствующую онтологию при моделировании радиолокационных систем и при раз-работке их алгоритмического обеспечения. Указанная он-тология описывает цель, как объект радиолокационного наблюдения, в отрыве от условий наблюдения и характери-стик РЛС, что позволяет реконструировать радиолокацион-ный сигнал от заданной цели для разнообразных условий наблюдения и различных РЛС [15]. Это обстоятельство вы-ступает основой для организации имитационного модели-рования условий функционирования РЛС. Такая онтология сформирована и для целей с нелинейностями, являющихся объектами нелинейной радиолокации. Это позволило фор-сировать внедрение в радиолокационную системотехнику технологий, использующих сверхширокополосные сигналы и сигналы со сложной структурой модуляции, переменную поляризационную структуру, а также обеспечивающих на-блюдение укрытых и заглубленных объектов, отстройку от комбинированных помехили парирующих вызовы на по-явление целей со Stealth-овскими и метаматериальными (например, киральными, перколяционными) покрытиями.

Неопределенности в радиолокации

Занимаясь флуктуирующими целями, радиолокация ввела в обиход специалиста по сложным информацион-ным радиоэлектронным системам технологии оценки неопределенности (в том числе, характеризующей вы-бор процедур функционирования), базирующиеся на ве-роятностном ее описании. Во всяком случае, названия книг, типа «статистическая теория радиолокации» или «статистическая радиофизика», не вызывают отторжения у специалистов по радиолокации, тем более, что фоно-вый сигнал (помехи) от подстилающей поверхности хоро-шо описывается гауссовской моделью, когда в элементе разрешения присутствует большое число элементарных отражателей, а потому справедливой для РЛС с низким пространственным разрешением.

Анализ радиолокационных сигналов, полученных с высо-ким разрешением (например, с использованием техноло-гий синтезирования антенного раскрыва) свидетельствует о существенном отклонении статистики рассеянных сиг-налов от гауссовской. Эти отклонения существенно сказы-ваются на проведении оптимальной обработки, где в этом случае начинают заявлять о себе нелинейные процедуры [25]. Здесь при описании статистики применимы логнор-мальные, вейбулловские и GГD (обобщенное гамма-рас-пределение) модели, а также формирователи случайных процессов, использующие технологии статистического вы-бора (например, Монте Карло).

Интересное обобщение используемых законов рас-пределения фонового сигнала и помех дает учет по-ляризационной структуры, где все наиболее часто используемые в радиолокации одномерные законы распределения укладываются в некую структуру, разли-чающиеся набором небольшого числа параметров [15]. Следует также отметить, что современные РЛС все чаще используют сигналы и сопутствующую им неопределен-ность в виде случайных полей (см. например [26]). При-менительно к объектам радиолокационного наблюдения характеристики флуктуаций рассеянных или излученных ими сигналов, как правило, выступают базой для опре-деления соответствующих некоординатных параметров.

Современная радиолокация осваивает практически все способы описания неопределенности, предлагаемые математиками (рис. 4). Здесь четкие детерминированные структуры включают анализ неопределенностей с по-зиций теории игр (радиолокационное наблюдение как

Именно указанные модели сформировали такое радиолокационное направление, как «радиолокация распреде‑ленных флуктуирующих целей», под статус которой попадает радиолокационное наблюдение земной и морской поверхности, а также теория шумов радиолокационной цели (по дальности, скорости, угловым координатам, поляризационному состоянию) [1, 24]. Оказалось, что шумы цели при их статистическом описании могут стать устойчивым признаком при распознавании протяженной цели.


Рис. 4. Структуры неопределенностей, используемые в радиолокации

Математические структуры для анализа неопределенности

четкие

детерминированные нестохастическиестохастические

статистические

непараметрические

статистическиевероятностные

параметрические

с привлечением функций распределения

Полностью определенные структуры

с привлечением выборочных значений

Структуры с неопределенностью

вероятностные

стохастические

нечеткие

(1)

(11) (10)(01)

(101)

(1001)

(10001)

(100)(001)

(0001)

(00001)

(000)

(00)

(0)

Рис. 5. Примеры фрактальных и рекурсивных структур

повысилась эффективность компьютерного моделирова-ния, использующего адекватные математические модели исследуемых процессов. В качестве примера таких мо-делей можно привести фракталы, рекурсивные деревья (рис. 5). Результаты последних исследований фракталов открывают новые подходы к представлению сигналов и созданию моделей, адекватно описывающих естествен-ные физические процессы. Появилось даже направление «фрактальная радиолокация» [29]. Спектр технологий учета неопределенностей при радиолокационном наблю-дении еще более разрастается, когда учитываются помехи искусственного и естественного происхождения, да еще и при комплексном своем воздействии на РЛС.

дуэльная ситуация) и нейросетевые технологии. Совсем недавно указанную непредсказуемость связывали толь-ко с флуктуациями – случайными отклонениями наблю-даемых величин и характеристик механизмов генерации сигналов от неких средних, равновесных состояний из-за наличия в структуре исследуемых процессов большого числа степеней свободы. Сейчас для непредсказуемости установлен еще один механизм – хаос, являющийся вну-тренним свойством любой достаточно сложной нелиней-ной системы (а современные цели, особенно акторы, могут попадать под подобный статус), и не связан с действием каких-либо случайных сил. Вследствие бурного развития современной микропроцессорной техники существенно


Освоение частотного диапазона

Как известно, применяемые в радиолокации техни-ка, методы обработки, характер сигнала в значительной степени зависят от длины волны применяемых электро-магнитных волн. На рисунке 6, заимствованном из [2], показаны радиолокационные возможности применяемых диапазонов волн.

Нетрудно сделать заключение, что рано или поздно РЛС будут использовать волны практически всех диапазонов, причем независимо от места размещения РЛС – на борту транспортного средства или в стационарном исполнении. Сегодня умы специалистов по радиолокации привлекают задачи, связанные с радиолокационным наблюдением укрытых, замаскированных, подземных и подводных объек- тов, где необходимо использовать «длинные» волны, а также создания компактных радиолокационных сенсо-ров «без мертвых зон», то есть применяющих короткие высокочастотные зондирующие импульсы. Влияние ат-мосферы на функционирование РЛС и оптико-электрон-ных систем достаточно обстоятельно рассмотрено в [27]. Столь же актуальной выступает для радиофизиков задача обеспечения радиолокационного наблюдения удаленных объектов, использующих эффекты загоризонтной радио-локации [28]. Интересно заметить, что многие технологии загоризонтной радиолокации базируются на специальной заблаговременной подготовке трассы распространения, причем эта подготовка зависит как от состояния трассы, так и от времени суток.

Для корабельных и авиационных РЛС наиболее широко задействованы ВЧ и СВЧ диапазоны, где действуют модели целей в виде набора (кластера) блестящих точек. Распре-деление блестящих точек по наблюдаемой цели часто на-зывают временным профилем импульсной эффективной площади рассеяния (ЭПР). Естественно, что импульсная ЭПР зависит не только от ЭПР фрагмента цели (например, блестящей точки), но еще и от вида зондирующего сигна-ла. Профиль импульсной ЭПР является надежным набором

информативных признаков для надежного распознавания и классификации целей. Однако временной профиль им-пульсной ЭПР утрачивает информацию о положении бле-стящих точек на поверхности объекта, если длительность зондирующего сигнала превышает расстояние между эти-ми блестящими точками. В общем случае временной про-филь импульсной ЭПР является суммой двух структурных составляющих – непрерывной SCONT (t)и разрывной SDISC (t):

S (t) = SCONT (t) + SDISC (t).

В наблюдаемой реальной РЛС импульсной ЭПР «настоя-щая» импульсная ЭПР σ (t) запрятана под интеграл свертки с зондирующим сигналом u (t):

S (t) = ∫V u(τ) σ (t‑τ) d τ,

где интегрирование осуществляется по объему, в кото-ром происходит взаимодействие цели и зондирующего сигнала. Непрерывная составляющая профиля импульсной ЭПР обусловлена рассеянием зондирующего сигнала глад-кой (регулярной) поверхностью объекта. Вторая разрыв-ная компонента представляет собой хронологическую последовательность преобразованных блестящими точка-ми зондирующих импульсов. Эта составляющая физически обусловлена наличием на поверхности цели локальных участков интенсивного рассеяния. Подобные блестящие точки обладают важными информативными признака-ми в виде их количества, значений ЭПР (импульсных или «настоящих») и удалений областей относительно РЛС. По-ложение блестящих точек и рассеянная ими мощность относительно устойчивы на различных интервалах радио-локационного наблюдения, а также при изменении длины волны, поляризации, углов облучения и наблюдения. Ста-бильность числа, взаимного расположения и интенсивно-сти блестящих точек на радиолокационном изображении используется для распознавания и сопровождения обнару-женной цели, другими словами для оценки некоординат-

Пустыни

Лугатундра

ЛесаСнег

ледникимерзлота

Море шельф

Морской лед

X, C, S, L, P, VHF X, C, S, L, P, VHF X, C, S, L, P, VHF X , C , S , L , P, VHF X , C , S , L , P, VHF

X , C , S , L , P, VHF

Рис. 6. Проникающая способность электромагнитных волн различных диапазонов (маркировка диапазонов соответствует [1–2])


ных характеристик цели. Такого рода информация о цели утрачивается по мере увеличения длительности зонди- рующего импульса.

Технология построения «интегральных» диаграмм рас-сеяния (диаграмм ЭПР) сложных радиолокационных целей, базирующаяся на выявлении блестящих точек и учете их характеристик яркости широко используется в радиолока-ционной практике (рис. 7). Она выступает основой для бо-лее точных технологий восстановления диаграмм рассеяния с учетом и добавлением более тонких эффектов рассеяния.

Границы между диапазонами в разных источниках определяются различными значениями. Например, если под диапазоном терагерцовых частот понимать область от 0,1 до 10 ТГц, то это соответствует длинам волн от 3 мм до 0,03 мм, то есть сюда входят и коротковолновая часть миллиметрового диапазона, и субмиллиметровый диапа-зон, и дальний инфракрасный диапазон. В этом диапазоне ожидается значительное уменьшение габаритов и массы РЛС, на нем остановимся несколько подробнее, тем более, что он слабо освещен в литературе. Широкое примене-ние РЛС терагерцового диапазона сегодня сдерживается, в частности, отсутствием компактных и надежных источ-ников электромагнитной энергии. В связи с этим для ге-нерации применяется метод преобразования частоты, что громоздко и малоэффективно.

Радиофизиками выявлены атмосферные окна прозрач-ности для терагерцового диапазона, именуемые по длине волны, которую указывают ориентировочно, только с це-лью пояснить о каком именно участке спектра идет речь. Например, их называют так: «1,3 мм», «0,87 мм», «0,73 мм»,

«0,45 мм», «0,36 мм», «0,29 мм» и т. д. Для радиолокационных приложений в каждом из этих окон устанавливается та дли-на волны, на которой поглощение радиоволн минимально. Например, для окон «1,3 мм» и «0,87 мм» эти оптимальные длины волн равны 1,42 мм и 0,8785 мм соответственно. Из расчета поглощения при стандартных метеоусловиях было найдено, что положения минимумов практически не зависят от атмосферных условий. При изменении атмос-ферных условий величины поглощения в окнах прозрачно-сти на длинах волн 1,42 мм и 0,8785 мм будут изменяться пропорционально. В терагерцовом диапазоне имеется ряд участков – «частотных окон» волны 1,3; 0,96 и 0,88 мм, где ослабление не слишком большое и с вероятностью 0,8 не превышает значений: 2–3 дБ/км; 7,5 дБ/км и 10 дБ/км, соответственно.

В пределах диапазона волн 0,1…3 мм имеется большое количество линий поглощения различных газов, но прак- тически следует считаться только с молекулярным погло- щением в кислороде и водяном паре, так как содержание других поглощающих газов в атмосфере пренебрежи-тельно мало. В области более коротких волн поглощение, даже в окнах прозрачности, растет до 100…150 дБ/км, а в некоторых линиях поглощение достигает значений – 1000…5000 дБ/км. Основным параметром, определяю-щим величину поглощения субмиллиметрового излучения, а, следовательно, и дальность действия радиосистем, является абсолютная влажность, то есть количество водя-ного пара в единице объема воздуха (рис. 8).

Поглощение в снеге, если измерять его интенсивность по количеству растаявшей воды, примерно в два раза


-40

Правый борт

30

60

270

120

150 210

240

300

0-20 20 40

330

90

Левый борт

КормаНос

больше, чем в дожде той же интенсивности. Проведен-ные на волне ~1 мм измерения показали, что поглощение в снеге не превышает 2…3 дБ/км. Существует эффектная эмпирическая зависимость для снегопада коэффициен-та ослабления радиоволн α от интенсивности снегопада по эквивалентному содержанию жидкой воды I, выражен-ная в мм/час:

α = mI.

Величина коэффициента m [(дБ/км)/(мм/час)] зависит от частоты радиоволны и влагосодержания снегопада. Обычно принимается m = 4,5 для всех частот терагерцово-го диапазона (хотя верхняя граница частотного диапазона здесь может быть установлена как 217 ГГц). Кроме того, следует иметь в виду, что величина коэффициента m может колебаться в пределах ±60% в зависимости от влагосодер-жания снегопада.

Поглощение в тумане связано с длиной волны и метео-рологической дальностью видимости. Для туманов сред-ней плотности (видимость 200…300 м) на волне 1 мм составляет 2…3 дБ/км. Величина поглощения радиоизлу-чения с длиной волны 1 мм изменяется от 0,3 дБ/км (ясная погода, зимой) до 10…12 дБ/км (средний дождь, летом). Зависимость удельной ЭПР земной поверхности от угла места и длины волны, рассчитываетсяпо эмпирическойза-висимости

σ0 =‑ 20 + 10 lg θ/25–15 lgλ,

где σ0 – удельная ЭПР земной поверхности; θ – угол места; λ – длина волны.

Результаты исследования рассеивающей способности движущихся наземных объектов (автотракторной техники)

Рис. 7. Результаты моделирования эффективной площади рассеяния для эсминца с управляемым ракетным ору-жием Arleigh Burke

300,001

0,01

0,1

1,0

10

100

Косл. [дб/км]

20 10 7

Уровень моря

4 км

H2O

H2O

O2

O2

5 4 3 2 1

λ0 [мм]

Рис. 9. Примеры радиолокационных изображений в 3-миллиметровом диапазоне; на изображениях прос-матриваются взлетно-посадочная полоса, рулежные дорожки и самолеты

Рис. 8. Значения коэффициента ослабления электро-магнитной энергии в дожде и тумане в зависимости от длины волны


в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах пока-зали, что для подвижных объектов на длинах волн меньше 3 см ЭПР незначительно возрастает, но имеют тот же по-рядок, что и в сантиметровом диапазоне радиоволн, так, с вероятностью 0,9 в короткой части диапазона милли-метрового радиоволн (λ ≤ 3,3 мм) среднее значение ЭПР бронированного объекта σ ≈ 10 м², а на длине волны 8 мм – σ ≈ 9 м², В терагерцовом диапазоне радиоволн величины средних значений ЭПР движущихся наземных объектов с вероятностью 0,9 будут находиться на уровне величин ха-рактерных для радиоволн с диной волны 3 мм с некоторым их небольшим превышением.

При малых углах визирования контрасты наземных объек- тов для пассивных (радиометрических, оценивающих те-пловой контраст) радиолокационных систем на расстоя-ниях до 1 км на длинах волн 2 мм и 3 мм, при различном состоянии подстилающей поверхности, имеют значения от единиц до десятков градусов, и на вертикальной и го-ризонтальной поляризациях у них одинаковый порядок. Также наблюдаются различия в характере распределения уровней радиоконтрастов наземных объектов на различ-ных длинах волн; так полученные распределения радио-контраста объекта в 2 мм и 3 мм диапазонах показывают, что максимальные значения радиоконтрастов могут быть в пределах 80–90 К, при чем абсолютные значения радио- контраста объекта на длине волны 3 мм в 1,5–2 раза пре-вышают значения, полученные на волне 2 мм. При этом на длинах волн в районе 1 мм экспериментально показа-но, что такие радиоконтрасты также существуют. Пассивное радиовидение в диапазоне волн 1 и 2 мм обеспечивает узнавание наблюдаемых объектов, в отличие от активной локации, где объект выглядит, как хаотическая система бле-стящих точек.

Приведенные факты позволяют утверждать о возможно-сти применения терагерцового диапазона волн как в актив-ном, так и пассивном режимах работы с малой дальностью действия, особенно в ночных условиях, когда обнаружение с помощью визуального наблюдения, в том числе и с ис-пользованием приборов ИК-диапазона, сильно затруднено или практически невозможно.

На предприятии ОАО «НПП «Радар ммс» отработаны тех-нологии создания РЛС 3-миллиметрового диапазона. В дан-ном диапазоне обеспечивается на порядок более высокая угловая разрешающая способность, чем в сантиметровых РЛС и имеет место возрастание максимальной ЭПР всех типов наземной боевой техники и кораблей. Отсюда – га-рантированное выделение наземных целей, в том числе и малоразмерных на фоне земли, а также резкое повы-шение точности координатометрии до значений, близких к техническим характеристикам оптических систем, карди-нальное повышение помехозащищенности.

Радиолокационное изображение в 3-миллиметровом диа- пазоне приближается к оптическому и здесь уже идет речь о создании систем радиовидения (рис. 9–10).

Фактором, ограничивающим область применения систем 3-миллиметрового диапазона, являются значи-тельные энергетические потери в атмосфере, особенно в экстремальных метеоусловиях (осадки с интенсивностью ≥ 4 мм/час). Затухания в этих достаточно редко встреча-ющихся условиях составляют до 3 и более дБ/км, что ог-раничивает дальность действия РЛС 3-миллиметрового диапазона.

Продолжение материала о перспективах и возможно‑стях радиолокации – в следующем номере журнала.

Рис. 10. Радиолокационные изображения портовых сооружений

Ракурс наблюдения

1 3 4 2

1 3 4 2


1. Справочник по радиолокации. В двух книгах / Под ред. М. Сколник. – М.: Техносфера, 2014. 2. Верба В.С. Авиационные комплексы радиолокационного дозора и наведения. – М.: Радиотехника, 2014. 3. Перунов Ю.М., Мацукевич В.В., Васильев А.А. Зарубежные радиоэлектронные средства. В 4-х книгах. – М.: Радиотехника, 2010. 4. Канащенков А.И., Меркулов В.И., Самарин О.Ф. Облик перспективных бортовых радиолокационных систем. Возможности и огра-

ничения. – М.: ИПРЖР, 2002. 5. Лавров А.А. Радиолокационный скоростной портрет цели. Основы теории. – М.: Радиотехника, 2013.6. Дудник П.И., Ильчук А.Р., Татарский Б.Г. Многофункциональные радиолокационные системы. – М.: ООО «Дрофа», 2007.7. Многофункциональные радиолокационные комплексы истребителей / Под ред. В.Н. Лепина. –М.: Радиотехника, 2014.8. Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. – М.: Радиотех-

ника, 2005.9. Радиолокационные системы авиационно-космического мониторинга земной поверхности и воздушного пространства / Под ред.

В.С.Вербы и Б.Г. Татарского. – М.: Радиотехника, 2014.10. Авиационные системы радиоуправления / Под ред. В.С. Вербы и В.И. Меркулова. – М.: Радиотехника, 2014. 11. Антенно-фидерные и оптоэлектронные устройства / Под ред. В.С. Вербы и А.П. Курочкина. – М.: Радиотехника, 2014.12. Анцев Г.В. Цель – прогресс и процветание. – СПб.: Скифия, 2010. 13. Клюев Н.Ф. Обнаружение импульсных сигналов с помощью накопителей дискретного действия. – М.: Сов. радио, 1963. 14. История отечественной радиолокации. – М.: Столичная энциклопедия, 2015. 15. Козлов А.И., Логвин А.И., Сарычев В.А. Поляризация радиоволн. В трех томах. – М.: Радиотехника, 2005-2007. 16. Караваев В.В., Сазонов В.В. Статистическая теория пассивной локации. – М.: Радио и связь, 1987.17. Справочник. Радиоэлектронные системы. Основы построения и теория / Под ред. Я.Д. Ширман. – М.: Радиотехника, 2007. 18. Васильев С.Н., Жерлов А.К., Федосов Е.А., Федунов Б.Е. Интеллектное управление динамическими системами. – М.: Физматлит,

2000.19. Шрейдер Ю.А., Шаров А.А. Системы и модели. – М.: Радио и связь, 1982.20. Крыжановский Г.А., Кузьмин Б.И., Сарычев В.А. и др. Концепция и системы CNS/ATM в гражданской авиации. – М.: ИКЦ Академкни-

га, 2003. 21. Горохов В.Г. Методологический анализ развития научно-технических дисциплин на примере теоретической радиолокации.

Системные исследования. Методологические проблемы. Ежегодник 1983. – М.: Наука, 1983.22. Биард Р.У., Мак Лэйн Т.У. Малые беспилотные летательные аппараты: теория и практика. – М.: Техносфера, 2015.23. Конторов Д.С., Голубев-Новожилов Ю.С. Введение в радиолокационную системотехнику. – М.: Сов. радио, 1971.24. Островитянов Р.В., Басалов Ф.А. Статистическая теория радиолокации протяженных целей. – М.: радио и связь, 1982.25. Валеев В.Г. Нелинейная обработка сигналов. – М.: Радиотехника, 2013. 26. Обнаружение, распознавание и определение параметров образов объектов / Под ред. А.В. Коренного. – М.: Радиотехника, 2012.27. Шипунов А.Г., Семашкин Е.Н. Всепогодность радиолокационных и тепловизионных каналов наведения комплексов ВТО. – М.:

Машиностроение, 2013.28. Мощные надгоризонтные РЛС дальнего обнаружения: разработка, испытания, функционирование / Под ред. С.В. Боева. – М.:

Радиотехника, 2013. 29. Шелухин О.И., Тенякшев А.М., Осин А.В. Фрактальные процессы в телекоммуникациях. – М.: Радиотехника, 2003.

ЛИТЕРАТУРА

18

Проблема выработки оптимальных управляющих решений при создании, модернизации и анализе информационно-управляющих систем год от года становится все актуальнее и сложнее. Особенно это относится к системам, функционирование которых в штатном режиме происходит в условиях различного рода противоборств (боевого, информационного, киберпротивоборства и т. п.) с другими системами. Практика показывает, что анализ эффективности функционирования таких сложных систем необходимо проводить на основе комплексного системного подхода с учетом динамики протекания процесса противоборства, который, как правило, носит вероятностный характер и для которого не всегда существует установившейся режим работы системы.


А.К. Красников, В.М. Константиновский, Е.С. Новиков

*координатор Технологической платформы «Освоение океана»

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОТИВОБОРСТВА СИСТЕМ

КАК КЛЮЧЕВОЙ ЭЛЕМЕНТ ЦЕНТРОВ КОМПЕТЕНЦИЙ

19

История развития методов получения оценок эффек-тивности функционирования сложных информационно-управляющих систем (ИУС) показывает, что для их анализа обычно создавались специальные аппаратно-программные комплексы, расположенные в отдельном помещении или на специально выделенной территории. Такими приме-рами могут служить популярные в 80-х годах прошлого столетия так называемые автоматизированные системы управления предприятиями (АСУП). На АСУП в свое время возлагались большие надежды как на средство, позволяю-щее частично или даже полностью автоматизировать про-цесс оценки функционирования достаточно сложных ИУС отдельных предприятий. Постепенно энтузиазм относи-тельно АСУП слабел и, в конце концов, совсем сошел на нет. Уже созданные АСУП стали все чаще называть более скром-но, но зато более правильно – вычислительными центрами предприятий, где, в основном, производились различные вспомогательные вычислительные расчеты (начисление сотрудникам заработной платы и др.).

Следующий этап привлечения внимания научно-техни-ческой общественности к проблеме создания аппаратно-программных комплексов связан с периодом создания так называемых ситуационных центров, призванных по-высить уровень автоматизации распознавания и анализа различных достаточно сложных специфических ситуа-ций. Однако существенного повышения уровня автома-тизации выработки оценок функционирования сложных ИУС и эти образования не обеспечили, так как практи-чески все ситуационные центры превратились всего лишь в помещения, предоставляющие удобный доступ к некоторым хорошо организованным и уже созданным корпоративным базам данных. А проблемы выявления, прогнозирования и анализа представляющих особый интерес ситуаций, как это планировалось при создании конкретных ситуационных центров, в значительной сте-пени так и остались в начальной фазе разработки.

В настоящее время можно наблюдать очередной этап привлечения внимания руководителей высокого уровня и специалистов к созданию аппаратно-программных ком-плексов для автоматизации процессов выработки оценок эффективности сложных ИУС специального назначения. Этот этап характеризуется созданием так называемых цен-тров компетенций.

Под центры компетенций, как правило, выделяются про-сторные помещения, хорошо оборудованные оргтехникой, компьютерами и большими экранами для просмотра виде-оинформации. На территории этих центров могут быть так-же представлены отдельные образцы или макеты техники специального назначения. Все это позволяет их посетите-лям получить наглядное представление о рассматриваемой предметной области. Обстановка в центрах компетенций психологически располагает к проведению серьезных технических совещаний. Однако какие новые технические и/или информационные средства способствуют выработ-

По существу, такие модели должны представлять собой системы поддержки принятия решений типа «Что будет, если…», то есть позволяющие просчитывать и проигрывать различные вариан‑ты развития событий.

ке у присутствующих в этих центрах специалистов новых компетенций (знаний, опыта, осведомленности)? Если же такие средства сегодня выделить трудно (или даже невоз-можно), то не является ли название «центр компетенций» всего лишь новым (более современным и красивым) назва-нием все тех же АСУП или ситуационных центров, которые в свое время в ходе эксплуатации так и не оправдали над-ежд по существенному повышению уровня автоматизации процесса получения оценок эффективности сложных ИУС? Что же надо сделать, чтобы центры компетенций соответст-вовали своему названию?

В настоящей работе сделана попытка ответить на эти во-просы и предложить пути решения указанной проблемы.

Повышение уровня автоматизации получения досто-верных оценок качества функционирования сложных спе-циализированных ИУС (которые, как правило, работают в условиях противоборства с другими системами) предла-гается осуществлять с помощью специально разрабатывае-мых математических моделей, которые должны позволять описывать динамику борьбы противоборствующих систем с учетом специфики рассматриваемой предметной области.

В процессе проведения в центре компетенций сове-щания, посвященного критическому анализу оценок эф-фективности противоборства конкретных систем, перед проведением моделирования необходимо задать: • тактико-технические характеристики каждой из про-

тивоборствующих систем; • схему (правила, принятые допущения и ограничения)

ведения противоборства; • показатели эффективности функционирования для ка-

ждой из систем (как функции времени).

Система поддержки принятия решений должна опе-ративно, в течение нескольких секунд, в интерактивном режиме «вопрос – ответ» осуществлять аналитическое вероятностное моделирование противоборства систем на заданном интервале времени и выдавать в удобном для восприятия и анализа виде количественные оценки показателей результатов противоборства. Полученные оценки тут же обсуждаются. При этом эффективность функционирования каждой из противоборствующих систем комплексно оценивается по конечным интеграль-ным результатам их деятельности. Изменяя исходные данные и повторяя моделирование тактической ситуации с новыми исходными данными, можно всесторонне оцени-


вать и обсуждать с учетом различных рисков влияние каж-дого из рассматриваемых факторов на конечный результат противоборства систем.

Рассмотрим основные этапы разработки и использо-вания в центрах компетенций моделей аналитического вероятностного моделирования противоборства систем. В качестве примеров выберем модели боевого противо-борства корабельной системы противовоздушной оборо-ны (ПВО) и средств воздушного нападения (СВН).

Постановка задачи

Корабельное соединение охраняется системой ПВО, состоящей из трех зенитных ракетных комплексов (ЗРК). На корабельное соединение производится атака средств воздушного нападения, которые состоят из противокора-бельных крылатых ракет (ПКР). Каждая ПКР обстрелива-ется, если физически имеется такая возможность, одним из зенитных ракетных комплексов одной зенитной управ-ляемой ракетой (ЗУР). Априори предполагаются извест-ными (или заданными) следующие исходные данные: • максимальная и минимальная дальности поражения

целей ЗРК; • скорость ПКР; • скорость полета ЗУР, вероятность поражения ПКР

(цели) одной ЗУР; • поток целей во времени является стационарным

пуассоновским потоком событий (простейшим по-током) с известным средним значением временного интервала между двумя соседними средствами воз-душного нападения;

• значение временного интервала налета СВН на охра-няемый объект.

Если в процессе налета какое-либо средство воздушно-го нападения не было уничтожено (это может произойти в том случае, если в процессе прохождения этим средст-вом зоны действия системы ПВО все зенитные ракетные

комплексы уже были заняты уничтожением других целей или направленная на него зенитная управляемая ракета его не уничтожила), то это СВН затем производит удар по одному из работающих зенитных ракетных комплексов и уничтожает его с некоторой известной вероятностью. В этом случае система ПВО частично деградирует, а эф-фективность ее функционирования снижается.

Требуется определить, как изменяются показатели каче-ства функционирования системы ПВО в течение времен-ного интервала налета средств воздушного нападения.

Метод решения

Для решения поставленной задачи разработаем мате-матическую модель рассматриваемой системы ПВО, ис-пользуя методы математической теории систем массового обслуживания (СМО).

При последующем изложении будем использовать сле-дующие обозначения:

t – текущее значение времени;tвх – значение временного интервала между двумя со-

седними заявками (СВН) во входном потоке заявок;tоб – время обслуживания заявки каналом обслужива-

ния (ЗРК);M (х) – символ математического ожидания величины,

стоящей в скобках;λ – интенсивность входного потока заявок (λ = 1/M (tвх));µ – интенсивность обслуживания заявки каналом об-

служивания (µ = 1/M (tоб));К – количество каналов обслуживания (ЗРК);β – приведенная плотность входного потока (β=λ/µК);T – временной интервал поступления заявок (время на-

лета СВН);Si, j, m (t) – состояние СМО в момент времени t;i – количество заявок, находящихся в системе;j – количество работоспособных (недеградированных)

каналов обслуживания;


m – количество деградированных каналов обслужива-ния;

Pi, j, m – вероятность нахождения СМО в состоянии Si, j, m (t);

Pу – вероятность обслуживания заявки каналом обслу-живания без ошибки (вероятность уничтожения цели ЗУР);

Pд – вероятность деградации канала обслуживания (ве-роятность уничтожения одного ЗРК одним прорвав-шимся СВН);

νab – интенсивности переходов СМО из состояния «a» в состояние «b» (где a, b = 0,1,..9);

«:= » – символ «присвоить значение».

Схема исследуемой трехканальной системы массового обслуживания представлена на рисунке 1.

Это трехканальная СМО «с отказами» на вход которой, начиная с момента времени t=0 и до момента времени t=T, поступает входящий поток однотипных заявок. Поток заявок является стационарным пуассоновским (простей-шим потоком), интенсивность которого λ известна. Вновь поступившая заявка обслуживается (уничтожается) одним каналом с известной вероятностью уничтожения Pу. Если по-ступившая на вход системы массового обслуживания заявка застала все каналы занятыми, получила отказ в обслужива-нии или не была уничтожена (то есть обслужена с ошибкой) в процессе своего нахождения в СМО, то эта заявка нападает на один из работоспособных каналов СМО и уничтожает его с некоторой известной вероятностью Pд. В случае уничто-жения канала система массового обслуживания частично деградирует.

Деградация выражается в том, что количество каналов об-служивания уменьшается на единицу. С течением времени деградация СМО может продолжаться, и по истечении опре-деленного времени система может быть полностью дегради-рована (все каналы обслуживания будут уничтожены).

Очевидно, что для подобных систем массового обслужи-вания не имеет смысла определять показатели качества их функционирования для стационарного (установившегося) режима работы, так как такого режима просто не существует.

Перечень возможных состояний исследуемой СМО: S0, S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9, где:

S0:=S0,3,0; S1:=S1,3,0;S2:=S2,3,0;S3:=S3,3,0;S4:=S0,2,1;

S5:=S1,2,1;S6:=S2,2,1;S7:=S0,1,2;S8:=S1,1,2;S9:=S0,0,3.

Размеченный граф переходов СМО представлен на ри-сунке 2. Используются следующие обозначения:

P0 – вероятность нахождения СМО в состоянии S0,3,0;P1 – вероятность нахождения СМО в состоянии S1,3,0;P2 – вероятность нахождения СМО в состоянии S2,3,0;P3 – вероятность нахождения СМО в состоянии S3,3,0;

Входящий поток заявок

Поток заявок, обслуженных

с ошибкойКанал обслуживания

Канал обслуживания

Канал обслуживания

Поток заявок, получивших отказ в обслуживании

Рис. 1. Схема трехканальной системы массового об-служивания

S9

S7

S4

S0 S1 S2 S3

S5 S6

S8

λ01 λ12 λ23

λ32λ21λ10

λ14 λ25 λ36λ56λ45

λ54 λ65

λ57λ78

λ87

λ89

λ68

Рис. 2. Размеченный граф переходов трехканальной деградирующей системы массового обслуживания

P4 – вероятность нахождения СМО в состоянии S0,2,1;P5 – вероятность нахождения СМО в состоянии S1,2,1;P6 – вероятность нахождения СМО в состоянии S2,2,1;P7 – вероятность нахождения СМО в состоянии S0,1,2;P8 – вероятность нахождения СМО в состоянии S1,1,2;P9 – вероятность нахождения СМО в состоянии S0,0,3.

В процессе аналитического вероятностного моделиро-вания указанные вероятности определяются при решении следующей системы обыкновенных дифференциальных уравнений:

dP0 (t)/dt=–λ01P0 (t)+λ10P1 (t),dP1 (t)/dt=λ01P0 (t)–(λ10+λ12+λ14)P1 (t) +λ21P2 (t),dP2 (t)/dt=λ12P1 (t)–(λ21+λ23+λ25)P2 (t) +λ32P3 (t),dP3 (t)/dt=λ23P2 (t)–(λ32+λ36)P3 (t),dP4 (t)/dt=λ14P1 (t)–λ45P4 (t)+λ54P5 (t),dP5 (t)/dt=λ25P2 (t)+λ45P4 (t)–(λ54+λ56+λ57)P5 (t)+λ65P6 (t),dP6 (t)/dt=λ36P3 (t)+λ56P5 (t)–(λ65+λ68)P6 (t),dP7 (t)/dt=λ57P5 (t)–λ78P7 (t)+λ87P8 (t),dP8 (t)/dt=λ68P6 (t)+λ78P7 (t)–(λ87+λ89)P8 (t),dP9 (t)/dt=λ89P8 (t).


Интенсивности переходов СМО из состояния в состоя-ние вычисляются по следующим формулам:

λ01:=λ; λ10:=µPу; λ12:=λ; λ21:=2µPу; λ23:=λ; λ32:=3µPу;λ14:=µ (1‑Pу)Pд; λ25:=2µ (1‑Pу)Pд; λ36:=3µ (1‑Pу)Pд+λPд; λ45:=λ;λ54:=µPу; λ56:=λ; λ65:=2µPу; λ57:=µ (1‑Pу)Pд; λ68:=2µ (1‑Pу)Pд+λPд;λ78:=λ; λ87:=µPу; λ89:=µ (1‑Pу)Pд+ λPд.

Начальные условия при решении системы обыкновен-ных дифференциальных уравнений:

P0 (0)=1, P1 (0)=0, P2 (0)=0, P3 (0)=0, P4 (0)=0, P5 (0)=0, P6 (0)=0, P7 (0)=0, P8 (0)=0, P9 (0)=0.

Используемые показатели эффективности функциони-рования системы массового обслуживания:

Q0 (t)=P0 (t)+P1 (t)+P2 (t)+P3 (t), где Q0 (t) – вероятность количества деградированных каналов = 0.

Q1 (t)=P4 (t)+P5 (t)+P6 (t), где Q1 (t) – вероятность коли-чества деградированных каналов = 1.

Q2 (t)=P7 (t)+P8 (t), где Q2 (t) – вероятность количества деградированных каналов = 2.

Q3 (t)=P9 (t), где Q3 (t) – вероятность количества дегра-дированных каналов = 3.

t0

0,2

0,4

0,6

0,8Q0

Q1

Q2

Q3

20 40 60 80 100

t0

1

2

20 40 60 80 100

Mk

3

t0

20

40

60

80

100

W

20 40 60 80 100

t0

0,2

0,4

0,6

0,8Q0

Q1

Q2

Q3

20 40 60 80 100

Рис. 3. График зависимости показателей Q0, Q1, Q2, Q3 (вероятности количества деградированных каналов) от времени t (сек) при следующих параметрах такти-ческого эпизода: М (tвх)=5; М (tоб)=9; Ру=0,8; Рд=0,1

Рис. 4. График зависимости показателя Мк (матема-тическое ожидание числа деградированных каналов) от времени t (сек) при следующих параметрах такти-ческого эпизода: М (tвх)=5; М (tоб)=9; Ру=0,8; Рд=0,1

Рис. 5. График зависимости показателя W (степень отсутствия деградации СМО в %) от времени t (сек) при следующих параметрах тактического эпизода: М (tвх)=5; М (tоб)=9; Ру=0,8; Рд=0,1


Mk (t)=1Q1 (t)+2Q2 (t)+3Q3 (t), где Mk (t) – математиче-ское ожидание числа деградированных каналов.

W (t)= ((K‑Mk (t))/K)100, где W (t) – показатель отсутствия деградации СМО (в %).

В качестве примеров применения предложенной методики для получения оценок эффективности функ- ционирования деградирующей в результате боевого противоборства СМО, на рисунках 3–11 представлены некоторые результаты выполненных исследований для тактического эпизода боевого противоборства корабель-ной системы ПВО и СВН при различных сочетаниях исход-ных данных.

Заключение

Включение в состав информационного обеспечения центров компетенций математических моделей аналити-ческого моделирования получения вероятностных оце-нок эффективности функционирования противоборства систем позволяет качественно улучшить всю технологию принятия управляющих решений при создании новых и модернизации уже действующих сложных информа-ционно-управляющих систем специального назначения.


t0

1

2

20 40 60 80 100

Mk

3

t0

20

40

60

80

100

W

20 40 60 80 100

t0

20

40

60

80

100

W

20 40 60 80 100

t0

1

2

20 40 60 80 100

Mk

3

t0

0,2

0,4

0,6

0,8Q0

Q1

Q2

Q3

20 40 60 80 100






1. Вентцель Е. С. Исследование операций. – М.: Советское радио, 1972. – 552 с.

2. Дьяконов В. П. Mathcad 11/12/13 в математике. Справочник. – М.: Горячая линия –Телеком, 2007. – 985 с.

3. Красников А. К., Новиков Е. С., Щербаков Н. С. Системы поддер-жки принятия решений как средство инновационного развития научных исследований и образования. – Монография Всерос-сийской научно-практической конференции «Проблемы разви-тия политического образования и военной науки в ВМФ» – Спб, ВМПИ, 2013.

4. Красников А. К., Новиков Е. С., Щербаков Н. С. Анализ и управле-ние рисками в корабельной системе специального назначения. // Сб. тез. докл. Всероссийской НТК XVI Макеевские чтения. «Ин-тегрированные многофункциональные системы управления для ВМФ». ОАО «Концерн «Моринформсистема – Агат». – М.: 2010.

5. Красников А. К., Новиков Е. С., Щербаков Н. С. Система поддер-жки принятия решений при организации противовоздушной обороны корабельного соединения. – М.: Вестник воздушно-космической обороны, выпуск 2 (2), 2014.

6. Рогозин Д. О., Шеремет И. А., Гарбук С. В., Губинский А. М. Высо-кие технологии в США: Опыт министерства обороны и других ведомств. – М.: Изд-во Московского университета, 2013. – 384 с.


Оценки, получаемые в центрах компетенции при про-ведении совещаний представителями заказчика и раз-работчика, в процессе обсуждения и анализа, с учетом многочисленных рисков (технических, финансовых, сро-ковых и др.), дают возможность выявить оптимальные (наиболее рациональные) управленческие решения.

24

В условиях растущей сложности современного мира, динамики изменений спроса и предложения приобретают особую значимость новые методы планирования ресурсов предприятий, позволяющие оперативно, гибко и эффективно принимать разумные решения, отражающие баланс интересов многих участников. Развитие вычислительных алгоритмов распределения, планирования и оптимизации ресурсов идет сегодня по пути создания адаптивных систем управления, пригодных для быстроизменяющихся ситуаций окружающей среды. Позицию одного из наиболее инновационных инструментов планирования при решении широкого круга задач в режиме реального времени все больше завоевывают мультиагентные технологии.

Группа компаний «Генезис знаний» Самара

П.О. СкобелевИ.В. Майоров

И САМООРГАНИЗАЦИЯ СЕТЕЙ СВЯЗАННЫХ РАСПИСАНИЙ

ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РЕСУРСАМИ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ

МУЛЬТИАГЕНТНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

25

Среди собственников и руководителей предприятий высшего уровня все чаще обсуждается задача создания «предприятий реального времени», в которых планиро-вание ресурсов осуществляется динамически «на лету» в реальном времени, поскольку часто качество и эффектив-ность управленческих решений напрямую зависят от само-го момента времени.

Научные и практические основы мультиагентного подхо-да к решению сложных задач и построению распределен-ных систем начали складываться в последние десятилетия прошлого века на стыке направлений по искусственному интеллекту, объектно-ориентированному и параллельному программированию, интернет-технологиям и телекомму-никациям [1–5].

Растущий интерес к рассматриваемым системам обус- ловлен вызовами новой глобальной экономики реального времени, в первую очередь, ростом сложности в принятии решений, характеризуемой следующими важными факторами:• Неопределенность: трудно предсказать изменения

спроса и предложения.• Конфликты: все больше участников с противоречи-

выми интересами, которые все труднее становится примирить.

• Событийность: часто случаются непредвиденные со-бытия, которые изменяют планы.

• Ситуативность: решение надо принимать по ситуации, «жесткие» правила уже не действуют всегда и всюду, становятся более гибкими, компромиссными и «мяг-кими» (с оговорками), пополняются особыми случая-ми и примерами из жизни.

• Многофакторность: все больше разных критериев, предпочтений и ограничений.

• Высокая связность: принятие одного решения вызы-вает изменение целой цепочки других, ранее приня-тых решений, или даже полную отмену.

• Индивидуальность: потребители, сотрудники и суб-подрядчики требуют все более индивидуального подхода.

• Трудоемкость: слишком много опций, чтобы просчи-тать все последствия путем полного перебора.

Во вторую очередь, возрастает динамика принятия ре- шений:• Требуется высокая оперативность для принятия ре-

шений, иначе лучшее решение будет найдено, когда «поезд уйдет».

• Задержка и откладывание решения грозит «замора-живанием» ресурсов и ростом простоев, холостого хода и т. д.

• Идут постоянные изменения спроса и предложения, в ходе чего требуется не столько находить, фиксиро-вать и поддерживать некоторый оптимум для одного из участников или одной функции (свертки крите-риев), сколько гармонизировать и поддерживать

баланс интересов участников, идти на переговоры и взаимные уступки.

• Сокращается время на ответ – решения принимаются под прессом времени.

• Необходимо постоянно балансировать между раз-ными критериями, которые могут меняться в ходе управления, часть заказов может быть принята в силу прибыльности, часть – для поддержки ВИП-клиента, а часть – рассматриваться как инновация.

• Требуется непрерывный расчет экономики вариантов решений и, в зависимости от ситуации, динамическое формирование и изменение цен.

• Нужны постоянные взаимодействия с клиентами и поставщиками, от особенностей задач, мнения или пожелания которых ситуация может кардинально ме-няться.

Решение классических задач планирования ресурсов (также известных как NP-трудные задачи) обычно фор-мулируется как пакетный процесс, в котором все заказы и ресурсы известны заранее и не изменяются в процессе работы [6]. В составе традиционных ERP систем (систем управления предприятием) в последнее время все больше предлагается планировщиков ресурсов (часто называемых ASP средствами – Advanced Scheduling and Planning), раз-рабатываемых такими известными компаниями, как SAP, Oracle, Manugistic, i2, ILOG, J-Log и другие.

Однако эти системы, как правило, реализуют пакетные версии линейного или динамического программирования, программирования с учетом ограничений и других мето-дов, основанных на комбинаторном поиске вариантов [7], которые на практике оказываются мало пригодными. Для уменьшения сложности комбинаторного поиска, новые ме-тоды используют эвристики и мета-эвристики [8], которые при некоторых условиях позволяют получать приемлемые решения за разумное время за счет сокращения вариан-тов комбинаторного поиска. Также используются «жадные» локальные методы поиска, методы имитации отжига, про-граммирование в ограничениях, табу поиска, генетические и муравьиные алгоритмы и др.

Вышеуказанные методы в основном также используют пакетную обработку и с трудом расширяются дополни-

В турбулентных условиях, при высокой часто‑те возникновения непредвиденных событий, требуются продуктивные подходы к принятию решений по распределению, планированию, оп‑тимизации, согласованию и контролю ресурсов, позволяющие предприятиям сохранять и увеличи‑вать свою рентабельность, избегая простоя или дефицита всех видов ресурсов, включая кадры, обо‑рудование, финансы и другие.


тельными целевыми критериями, не позволяя учитывать множественные факторы реальной жизни, которые могут задаваться не только формулами и неравенствами, но так-же таблицами и графиками и даже алгоритмами.

Кроме того, поиск вариантов в применяемых методах на реальных данных, как правило, занимает слишком много времени, а при этом результаты обычно получаются весьма неправдоподобными, мало сравнимыми с решениями, при-нимаемыми людьми на практике.

В отличие от классически больших, централизованных, неделимых и последовательных программ, мультиаген-тные системы (МАС) построены в виде распределенных групп небольших автономных программных объектов, работающих асинхронно, но согласованно, для получения результата.

Мультиагентные технологии изначально применялись для решения классических задач оптимизации с исполь-зованием подходов распределенного решения задач, на-пример, задача распределенной оптимизации в системах с ограничениями (DCOP) [9]. Также было разработано не-сколько биотехнологических методов, например, роевая оптимизация, гибридные методы на основе искусственной иммунной системы и оптимизация методом роя частиц, для решения задач планирования производства и других [10–11]. В качестве следующего шага был разработан рыночный подход к планированию, где агенты заказов и агенты ре-сурсов участвуют в непрерывных аукционах, основанных на протоколах Contract Net [12–13].

В основе проводимых в последнее время разработок [14–15], дающих возможность ответить на стоящие перед современными системами вызовы, лежат мультиагентные

технологии и построенные на их основе мультиагентные системы, позволяющие представить процесс решения лю-бой сложной проблемы (в данном случае – в сфере управ-ления ресурсами) как процесс самоорганизации и поиска баланса противоположных интересов базовых агентов потребностей и возможностей, реализуемый через пере-говоры с уступками на основе рыночных механизмов пре-доставления услуг.

Это подход был развит в последние годы в широком диапазоне применений: от управления грузопотоком Ме-ждународной космической станции до управления высоко-скоростными поездами.

Общая постановка задачи адаптивного планирования

Современное видение задачи планирования ресурсов предполагает, что есть организация с несколькими статич-ными или мобильными ресурсами с GPS оборудованием, которая получает заказы в режиме реального времени, наряду с потоком других непредвиденных событий, напри-мер, отмена заказов, недоступность ресурсов, неисправно-сти или задержки и т. д.

План использования ресурсов должен быть динамиче-ски сформирован и непрерывно и адаптивно пересма-триваться с учетом индивидуального набора критериев, характеристик, параметров и ограничений, заказов и ре-сурсов. Должен поддерживаться полный цикл управления ресурсами, включая: быструю реакцию на события; распре-деление заказов по ресурсам; планирование заказов и ре-сурсов; оптимизация заказов (если есть свободное время);

Заказ 2Грузовик

Заказ 1

Пункт отправки

Пункт назначения

К мобильному устройству водителя

Интеллектуальная система управления

Заказы

События

GPS-данныеСпутник

Учетные системы

Интернет-портал для приема

Рис. 1. Новая постановка современной задачи управления мобильными ресурсами в реальном времени


взаимодействие с пользователем, отслеживание выполне-ния расписания, перепланирование в случае увеличения различия между планом и реальностью.

Перестроение плана должно проводиться путем размеще-ния операций в свободные временные интервалы или раз-решением конфликтов между операциями. Конфликтующие операции могут быть сдвинуты к ресурсу, на который были распределены ранее, или перераспределены, или смещены на новые ресурсы.

Взаимодействие с пользователями предполагает под-держание диалога через мобильный телефон или другие средства, инициированные любой стороной в любой мо-мент времени.

Рассмотрим в качестве примера новую современную постановку задачи управления мобильными ресурсами в реальном времени, к числу которых могут быть отнесены такси, грузовые перевозки, ремонтные бригады энергети-ков и газовиков, локомотивы и т. д.

Предполагается, что задача описывается следующим образом, например, для грузовых перевозок:• Имеется флотилия грузовиков, имеющих GPS/ГЛО-

НАСС датчики на борту, положение которых отра- жается на электронной карте (рис. 1);

• В заранее неизвестные моменты времени в диспет-черский центр предприятия поступают новые заказы на междугородние перевозки и любые другие собы-тия (задержки, поломки и т. д.), которые необходимо планировать, учитывая текущие планы, индивидуаль-ные предпочтения и ограничения заказов и ресур-сов, число которых может динамически изменяться;

• Изменения, обусловленные приходящими собы-тиями, должны вноситься в создаваемый план ис-пользования ресурсов без остановок и перезапуска системы, путем адаптивного изменения расписания с использованием как свободных окон времени, так и подвижками во времени и переброской на другие ресурсы ранее распределенных заказов;

• Должен быть реализован предлагаемый полный цикл автономного управления ресурсами (рис. 2):

– восприятие как индивидуальная реакция системы на событие;

– динамическое планирование (перепланирование) как процесс начального построения или адаптив-ной и гибкой корректировки плана «на лету»;

– согласование планов или их корректировки с ис-полнителями, например, посредством сотовых те-лефонов;

– проактивное улучшение (оптимизация) планов при наличии времени на принятие решений;

– мониторинг и контроль исполнения создаваемых и изменяемых планов, когда система контролирует исполнение ею же созданного плана (так называе-мое «катящееся расписание»);

– перепланирование в случае возникновения расхо-ждения между планом и фактом;

– обучение (в будущем) из опыта (например, на-значать на важную заявку в определенный район в первую очередь водителя, который знает дороги и никогда не опаздывает).

• Разрабатываемая система должна размещаться на сер-вере и предоставлять удобный интерфейс пользовате-лю как через десктоп-клиента, так и через браузер.

• Перспективным является предоставление услуг такой интеллектуальной виртуальной диспетчерской через бизнес-модель SaaS (Software-As-A-Service).

Несмотря на кажущуюся простоту такой схемы, ключе-вые задачи, определяющие эффективность любого бизнеса, а именно, задачи распределения, планирования и оптими-зации ресурсов и управления ресурсами в реальном вре-мени, по-прежнему решаются диспетчерами ресурсов, главным образом, вручную.

Рис. 2. Полный цикл автономного управления ресурсами

Следует отметить, что реализация полного ци‑кла управления разрабатываемыми приложениями присуща любым живым (автономным) системам, что и дает одно из оснований для использования в рассматриваемом контексте термина «интел‑лектуальная система управления». Такая система никогда не останавливается, самостоятельно вырабатывает и принимает решения и работает в непрерывном диалоге с пользователями для со‑гласования вырабатываемых в ответ на непред‑виденные события решений.

1. Реакция на событие

2. Распределение ресурсов

8. Обучение

3. Планирование

4. Оптимизация (пока есть время)

5. Мониторинг

6. Согласование с пользователями

7. Перепланирование при План VS Факт


Такой подход применяется, прежде всего, для решения задачи многокритериального планирования, в числе ко-торых традиционно рассматривают качество продукции или услуг, время на их реализацию, цену (себестоимость), риски и другие. В предлагаемом подходе система сама, от-талкиваясь от достигнутых показателей и текущей ситуации с заказами и ресурсами, выбирает себе цели для улучшения вектора своих параметров, и в качестве первоочередной цели для улучшения своего состояния берет тот критерий, по которому наиболее худшие значения показателей. Реа-лизация мультиагентного подхода в разработке интеллек-туальной систем динамического планирования основана на использовании концепции сетей потребностей и воз-можностей (ПВ-сетей) и метода сопряженных взаимодей-ствий для управления ресурсами предприятий в реальном времени на виртуальном рынке [17–18].

Согласно данной концепции, каждой заявке, заказу и другим потребностям и возможностям (производст-венные ресурсы, станки, оборудование, транспортные средства, персонал) присваиваются программные аген-ты (рис. 3), которые договариваются с другими агентами и планируют выполнение заказов «точно-в-срок» или «как можно раньше», что позволяет обеспечить поддер-жку коллективного согласования и принятия решений в реальном времени на различных этапах планирования и исполнения производственного плана в различных по-дразделениях, работающих совместно над решением об-щих задач.

Постоянный поиск соответствий между конкурирующи-ми и кооперирующими агентами потребностей и возмож-ностей на виртуальном рынке системы позволяет строить решение любой сложной задачи как динамическую сеть связей, гибко изменяемую в реальном времени.

Мультиагентный подход к решению задачи адаптивного планирования

Мультиагентная технология позволяет создавать про-граммных агентов, которые стараются оптимизировать свои целевые параметры, например, заказ на фабрике или в грузовой компании хочет быть выполнен точно в срок и с минимальной ценой, ресурс (станок, грузовик и т. д.) – быть максимально эффективно использован и не иметь простоев или перегрузки. Агенты делают это первоначаль-но «эгоистично» (автономно), никого не спрашивая и пото-му очень быстро, если ресурсы свободны; но, наталкиваясь на решения других агентов и выявляя конфликты, – способ-ны вступать в переговоры, идти на уступки и добиваться согласованного решения (консенсуса) в интересах объе-диняющего их целого (например, рабочего или водителя, участка или автоколонны, цеха или автопарка).

Данный подход можно считать примером распреде-ленного решения сложных задач (Disrtibuted Problem Solving), при котором сложная задача декомпозируется на подзадачи, которые решаются независимо, но потом полученные решения объединяются с разбором выяв- ляемых конфликтов.

Концепция сетей потребностей и возможностейВыигрыш в эффективности при использовании мультиа-

гентных технологий достигается за счет перехода к принятию решений «по ситуации» в реальном времени, когда пользо-ватель, а далее и система, управляет важностью критериев.

Разработанный подход основан на концепции «холона» системы [16], куда введены специальные классы агентов «заказов», «продуктов» и «ресурсов», и который вместе с агентом «персонала», наблюдает за результатами и дает советы другим агентам, когда это необходимо.

D

DD

D

D

S

S

S

SS S

SS

S

Виртуальный рынок

Соответствие потребности

и возможности

«Контакт»Агент

потребностиАгент

возможности

D S

D

D D

S

D

Рис. 3. Виртуальный рынок ПВ-сети для построения расписаний


Планирование производится в несколько взаимозависи-мых этапов: при внесении изменений на каком-либо этапе должны быть проведены корректировки всех последующих этапов. Примером таких влияющих внешних воздействий могут послужить данные об изменении стоимостей ресур-сов и заказов, изменение графика выполнения поставок материалов, отказ оборудования и пр. Но, с другой сто-роны, и сам ресурс (возможность) получает предложения от разных заявок (потребностей) и решает, какие именно из заказов для него являются более предпочтительными.

Эти решения не могут и не являются один раз и навсег-да принятыми, они могут пересматриваться и изменяться по мере того, как меняется ситуация, и возникают новые события в реальном времени. При этом установление новых связей между агентами вызывает изменение усло-вий функционирования для других агентов, и, тем самым, определяет процесс самоорганизации системы, приводя-щей к перестройке расписания в ответ на возникающие события. Результат считается достигнутым, и система за-вершает свою работу в том случае, когда ни у одного аген-та нет больше возможностей улучшить свое состояние, вышло время на поиск решения или было прерывание от пользователя для входа в интерактивный режим.

Конфликты, порождаемые событиями (например, при-ход нового срочного приоритетного заказа, для которого в текущем плане нет места), могут разрешаться агентами заказов и ресурсов путем переговоров и взаимных уступок, направленных на достижение приемлемых для всех ком-промиссов. Разрешение конфликта может вызывать целую цепочку операций перепланирования (сдвижку заказов вправо или влево по шкале времени, обмен заказами меж-ду ресурсами и т. д.), глубина которой может быть ограниче-на допустимым временем ответа или другими факторами. В то же время, если имеется запас времени, решение о вы-делении ресурса или сформированное расписание исполь-зования ресурса может подвергаться непрерывной, в том числе и классической оптимизации. Постоянная активность всех агентов сети, причем как со стороны потребностей, так и возможностей, вызывает многосторонние переговоры в системе, идущие асинхронно и квазипараллельно. Таким образом, реализуется способность системы оперативно ре-агировать на заранее непредвиденные события.

Формализация задачи планирования ресурсов в ПВ‑сетях

В основе формализованной постановки задачи лежит поиск консенсуса между агентами на виртуальном рынке в ПВ-сетях, и она может быть сформулирована следующим образом.

Предположим, что все агенты спроса и предложений имеют собственные цели, критерии, настройки и ограни-чения, например: срок, стоимость, риск, приоритет, тип требуемого оборудования или квалификация рабочего. Важность каждого критерия может быть представлена в виде весовых коэффициентов в линейной комбинации критериев для заданной ситуации планирования и может изменяться в ходе формирования или выполнения расписания.

Введем функцию удовлетворенности для каждого агента (рис. 4 а), которая будет показывать отклонение текущего значения данной функции от заданного идеального значе-ния по любому из критериев на данном шаге нахождения решения для расписания данного агента. Действия агентов также зависят и от функции бонусов/штрафов и текущего

В создаваемой мультиагентной системе все мно‑жество заявок, грузов, заказов, производствен‑ных линий, транспортных средств, конкретных исполнителей и других ресурсов предлагается представлять ПВ‑сетью, представляющей собой самоорганизующийся план распределения ресур‑сов. Возникновение любого нового события может запускать адаптивную перестройку связей аген‑тов потребностей и возможностей, которая заканчивается нахождением консенсуса агентов, когда ни один агент не может более улучшить ситуацию. Тогда решение может быть выдано пользователям для согласования, окончательного принятия или доработки.

Удовлетворенность

100%1000

500

Время

а) б)

Время

Бонус/ШтрафКрайний срок Крайний срок

Рис.4. Пример функции удовлетворенности (а) и функции бонуса/штрафа (б)


бюджета в виде виртуальных денег, которыми располагает каждый агент (рис. 4 б).

Пусть у каждой потребности j есть несколько инди-видуальных критериев xi и предложенные идеальные значения xij

id. Для каждого агента потребности j вводится нормализованная функция удовлетворенности, которая рассчитывается по каждой компоненте i, например, как кусочно-линейная функция ƒij

task (xi‑xijid). В большинстве слу-

чаев, график данной функции имеет форму колокола с мак-симумом в точке предложенного идеального значения критерия. Затем для каждого агента задачи и для каждого критерия i с заданными весовыми коэффициентами αij

task подсчитывается значение удовлетворенности.

С помощью надлежащего выбора знаков и вида функции, целевая функция каждого агента может быть переформули-рована как задача максимизации удовлетворенности γj

task

потребности j (верхний индекс task означает, что значение принадлежат агентам потребности):

γjtask=∑iαij

task • ƒijtask (xi‑xij

id),

где ∀j веса коэффициентов нормализованы: ∑iαijtask=1.

Аналогично может быть сформирована задача поиска со-стояний xij

* агентов потребности j, которые максимизируют общее значение всех заказов:

γtask=∑j βjtask γj

task =∑j βjtask ∑i αij

task ƒijtask (xi‑xij

id) (1)

ytask*= max(ytask),

xi

где βjtask – вес потребности, позволяющий установить

и динамически изменять приоритеты, показывая важность критерия.

Таким же образом функция удовлетворенности может быть дана для агента ресурса по критерию zk с функцией удовлетворенности ƒkl

res (zk‑zklid), весом αkl

res критерия k для ресурса l и значением ресурса βi

res для системы (что яв-ляется аналогичным весу потребности функции агентов потребности):

γres=∑i βires • γi

res =∑i βires ∑kαkl

res ƒklres (zk‑xkl

id) (2)

yres*= max(yres) zk

zkєDk, xiєD1∀i,k,I = Dim (D1), K = Dim (DK). (3)

Переменные x и z лежат в области критериев заказов и ресурсов, I и K – размерности соответствующих прост- ранств, верхний индекс res означает, что значения принад-лежат агентам ресурсов.

Таким образом, задача оптимизации сформулирована

для агентов в ПВ-сетях как задача максимизации удовлет-воренности (1) – (3).

Другими словами, в предложенной методологии, один глобальный оптимизатор заменен множеством маленьких локальных оптимизаторов, которые могут вести перегово-ры и находить компромиссные решения при поиске своего локального оптимума.

Мультиагентная платформа для адаптивного планирования

Мультиагентная платформа [19] создана для автомати-зации разработанной методологии и увеличения качества и эффективности процесса разработки систем управления ресурсами в реальном времени в различных областях. Платформа совмещает функциональность базового адап-тивного планировщика, которая может быть легко моди-фицирована для новой области с симуляцией среды, что является полезным для экспериментов с различными мо-делями ПВ-сетей, методами и алгоритмами.

Функциональность мультиагентной платформы дает воз-можность конечным пользователям указывать начальную сеть ресурсов, формировать последовательность событий вручную или автоматически или загружать ее из внешних файлов, создавать индивидуальные настройки для всех заказов и ресурсов, запускать симуляции с различными параметрами, визуализировать процесс и результаты эк-спериментов.

Пример пользовательского интерфейса платформы, с представлением результатов экспериментов с задан-ным потоком заказов, показан на рисунке 5. Изображена сеть ресурсов, диаграмма Ганта с расписанием ресурсов, загрузка заказов и ресурсов, удовлетворенность заказов и ресурсов, перевод виртуальных денежных средств, жур-нал принятых решений и другое.

В режиме симуляции множество полезных графиков и диаграмм может быть визуализировано или экспортиро-вано в Excel файл для будущих исследований:• граф загрузки сети – показывает загрузку всех ресурсов;• диаграмма Ганта – показывает распределение потреб-

ностей по ресурсам во времени;• диаграмма активности общения – показывает сколько

сообщений создано на платформе в каждый момент времени;

• удовлетворенность потребностей и ресурсов – пока-зывает, как уровень удовлетворенности меняется в те-чение процесса симуляции;

• выполнение заказов – график показывает статус вы-полнения заказов;

• использование ресурсов – график показывает на-сколько ресурсы заняты в разные моменты времени;

• журнал сообщений – показывает обмен сообщениями между выбранными агентами;

• принятие решений – журнал содержит результаты принятия решений для выбранного агента;


• финансовые транзакции – журнал содержит оборот виртуальных денег между агентами спроса и предло-жения.

Архитектура платформы включает следующие компо-ненты: редактор начальной сцены, генератор событий, очередь событий для основных классов событий, муль-тиагентный мир, построенный в виде виртуального рын-ка, базовые классы агентов, агенты поддержки спроса и предложения, визуальные компоненты для редактиро-вания настроек агентов и визуализации результатов, им-порт и экспорт данных, ведение журнала и отслеживание сообщений и финансовых транзакция агентов и некото-рые другие специальные компоненты.

Эти компоненты могут быть адаптированы для новых предметных областей и приложений.

Адаптивность мультиагентных системВзаимодействующие между собой агенты в системе за-

казов и ресурсов строят решение сложной задачи обще-го динамического расписания путем распараллеливания на простые задачи, размещения каждого заказа на ресурсе с получением локального выигрыша по удовлетворенности текущим положением.

При обнаружении ухудшений состояний агенты систе-мы активизируются, стремясь уменьшить влияние внеш-них неблагоприятных воздействий. Таким образом, агенты ПВ-сети, улучшая локально собственные состояния, дают системе как целому прирост показателей, например, удов-летворенности.

При появлении нового заказа, еще не распределенно-го системой, в первый момент времени удовлетворен-ность системы падает, так как пришедший агент не сразу находит лучшее место, а лишь через некоторое время общая удовлетворенность начинает расти за счет пе-репланирования и постепенного улучшения состояния агентов. Система переходит в неравновесное состояние, а затем агенты стремятся найти новое локально равно-весное состояние. Для оценки динамики мультиагентной системы предлагается подсчитывать среднюю удовлет-воренность y агентов задач и ресурсов в зависимости от времени:

y(t) = ∑j γjtask (t) + ∑i γi

res (t), (4) M(t) + N(t)

где γjtask – удовлетворенность агента j‑й задачи, γi

res– удов-летворенность агента ресурса l, N(t) и M(t) – число агентов задач и ресурсов соответственно. Эти количества зависят от времени, поскольку задачи приходят в систему, а ресур-сы могут включаться и отключаться.

Рис. 5. Экран мультиагентной платформы для управления ресурсами в реальном времени

Под адаптивной системой обычно понимает‑ ся самоприспосабливающаяся система, автома‑тически изменяющая алгоритмы своего функци‑онирования и (иногда) свою структуру с целью сохранения или достижения оптимального состо‑яния при изменении внешних условий.


Введем степень адаптивности γ мультиагентной системы, характеризующую скорость восстановления локального равновесия (рис. 6):

γ = y2–y1, (5) T где y1 – минимальное значение удовлетворенности по-

сле воздействия, y2 – средние удовлетворенности агентов системы после воздействия на МАС, Т – время восстановле-ния равновесия средней удовлетворенности y2.

Подобный эффект частичного восстановления может на-блюдаться не только при выключении ресурсов, но и скач-кообразном появлении новых потоков задач.

Чем выше степень адаптивности, тем выше способность к самоорганизации агентов в устранении неблагоприятных воздействий.

Разумеется, адаптивность мультиагентной системы за-висит от интенсивности внешних воздействий, например, при введении больших потоков задач, превосходящих ее производительность, спад удовлетворенности будет толь-ко нарастать со временем, поскольку эффект нарастания неудовлетворенности вновь поступивших агентов не будет покрываться частичным ростом из-за перепланирования. На рисунке 6 приведена динамика восстановления удов-летворенности реальной МАС при отключении ресурсов в момент времени, равный 16-ти единицам.

0,8

0,7

0,6

0,5

Aver

age

sati

sfac

tion

of a

gent

s

0,4

0,3

0,2

0,1

0

5 10 15 20 25 30 35 40 45

Model time

Отключение части ресурсов

Т

∆y

ymax

y2

y1

∆z

Satisfaction level

Рис. 6. Адаптивность системы по событию отключения части ресурсов. После момента максимального спада средней удовлетворенности до уровня y1 через время T МАС приходит к новому квазиравновесному состоянию у2. ∆z = уmax – у2 – безвозвратно потерянная удовлетворенность

Аналогично можно рассматривать адаптивность агентов задач γtask и адаптивность агентов ресурсов γres. Тем самым, степень адаптивности ПВ-сети может отражать степень «адаптивного интеллекта» как степень способности к само-организации агентов.

Промышленные применения мультиагентных систем

Ниже описаны примеры промышленной реализации сов-ременных интеллектуальных систем управления реального времени, построенных на принципах мультиагентных тех-нологий и концепции сетей потребностей и возможностей в 2010–2014 годах.

Мультиагентная система для построения распи-сания полетов и грузоперевозок для Международ-ной космической станции

Данный проект, выполненный по заказу РКК «Энергия», был направлен на решение задачи построения программы полета и планирования грузопотока Международной кос-мической станции.

Мультиагентная система для планирования полетов и поставки грузов на МКС предоставляет интерактивную поддержку разработки плана полетов и доставки грузов,


учитывая множество настроек и ограничений: например, различные типы космических кораблей и МКС модулей, число космонавтов, расход топлива, минимальный интер-вал времени между операциями стыковки и отстыковки; постоянное присутствие по крайней мере одного управ-ляемого пилотом корабля, пристыкованного к станции, и многие другие особенности [20–21]. Система планирует программу полета с учетом этих и множества других фак-торов, взаимодействуя с пользователем (рис. 7).

Основной особенностью системы стал тот факт, что она позволяет создавать программу грузопотока адаптивно, по мере выявления новых потребностей станции, когда новые грузы могут вытеснять уже распределенные, имею-щие меньший приоритет или сроки доставки на станцию, с учетом наличия места на ближайшем корабле или места размещения на борту, утилизации грузов и т. д. С исполь-зованием системы было разработано несколько программ полета на период 2010–2014 годы, а также выполнен де-тальный расчет ресурсов и построено расписание грузо-потока на 2011–2012 годы (рис. 8).

Интерактивный, гибкий и адаптивный характер взаимо- действия с пользователями позволил повысить эффектив-ность принятия решений в сравнении с использовавшими-ся ранее Excel-диаграммами.

Основной эффект внедрения был получен от сокращения времени на принятие решений при рассмотрении новых заявок и возможности моделировать различные варианты планирования для определения наилучшей реакции на по-ступающие события, что обеспечивает снижение рисков обеспечения станции критически важными грузами.

Рис. 7. Интерактивный редактор программы полетов

Рис. 8. Редактор грузопотока


Интеллектуальная система управления ресурса-ми РЖД Smart Railways

Распределенная интеллектуальная система управления железнодорожными перевозками в реальном времени предназначена для согласованного построения и адапта-ции многосвязных и многоуровневых расписаний работы подразделений РЖД при возникновении непредвиденных событий, включая расписания высокоскоростных, пасса-жирских и грузовых поездов, локомотивов, станций, бри-гад машинистов и т. д. [22–23]. Данная работа выполняется по заказу ОАО «РЖД» в рамках инвестиционной программы по созданию единой интеллектуальной системы управле-ния железнодорожным движением.

Решение задачи управления грузовыми перевозками предполагает согласованное формирование связных мно-гоуровневых расписаний работы как транспортной сети РЖД в целом, так и отдельных дорог, станций, депо, локо-мотивов, бригад машинистов и других ресурсов и их после-дующую согласованную гибкую корректировку в реальном времени при возникновении непредвиденных событий, например, поломок, опозданий и т. д.

Распределенная интеллектуальная система управления грузовыми перевозками (ИСУ-ГП) построена как многоу-ровневая P2P (англ. peer-to-peer – каждый с каждым) сеть

Рис. 9. Адаптивное перепланирование расписания (план до перепланирования и после)

интеллектуальных систем управления отдельными подра-зделениями РЖД (ИСУ-П), от уровня ресурсов сети дорог в целом – до уровня отдельных станций и конкретных ло-комотивов, вагонов и машинистов.

Общая логика работы такой распределенной системы со-стоит в том, чтобы сначала грубо рассчитать необходимое число локомотивов и бригад для движения поездов с уче-том наличия локомотивов и бригад, а затем уточнить эти планы на уровне оперативных планировщиков. В свою оче-редь, планировщики нижнего уровня могут подтвердить возможность выполнения планов или скорректировать по реально складывающейся ситуации, что вызовет обрат-ной волной корректировку планировщика стратегического уровня. Кроме того, от систем нижнего уровня поступают события, которые также могут приводить к запуску страте-гического планировщика и последующей выдаче вниз но-вых предложений.

Интеллектуальная система для управления пассажир-скими железнодорожными перевозками разрабатывается для управления движением высокоскоростных поездов «Сапсан», осуществляет построение начального графика движения поездов, а далее выполняет его корректировку по событиям, например, поступлению заявок на ремонт участков пути. Реализуется логика реакции на события, ког-


да каждое событие запускает цепочку перепланирований ресурсов в системе, так и проактивная оптимизация пла-нов, позволяющая улучшать варианты, пока есть время для работы системы (рис. 9).

Предлагаемый подход по созданию интеллектуальных систем управлением ресурсами позволяет добиться сле-дующих важных показателей:• обеспечить более высокий уровень сервиса для поль-

зователей РЖД;• сократить время реакции и повысить гибкость и опе-

ративность в принятии решений в ответ на непредви-денные события;

• повысить эффективности использования имеющихся ресурсов РЖД (поездов, стоянок, участков пути и т. д.);

• сократить затраты ручного труда по перепланирова-нию движения поездов;

• создать качественно новую интеллектуальную про-граммную платформу для управления движением в реальном времени.

Мультиагентная система производственного планирования Smart Factory

Мультиагентная система Smart Factory создана для увели-чения производительности и эффективности завода, путем адаптивного распределения ресурсов, планирования, оп-тимизации и контроля цехов сборки в реальном времени [24–26].

Адаптивность означает, что каждое событие в цехе может повлиять на расписание рабочих, сдвиг или перераспреде-ление ранее запланированных заказов и ресурсов, а также решение конфликтов. Примеры событий, которые могут привести к перепланированию: поступление нового заказа, отказ оборудования, изменение приоритетов, новые сроч-ные задачи, задержка в доставке материалов или операций рабочих и т. д.

Система используется на заводах, для которых харак-терны постоянные инновации, сложность и динамичность операций, а также высокая неопределенность в спросе и предложении, что требует высокий уровень адаптивности в реальном времени в ответ на непредвиденные события.

Агенты постоянно пытаются реагировать на новые собы-тия, но также проактивно улучшают план работы, используя свободные станки и рабочих, путем цепочки сдвигов и пе-рестановок ранее запланированных операций или пере-нося их на другие ресурсы. В результате план работы цеха также построен здесь не с помощью классического ком-бинаторного поиска, а как баланс между интересами всех вышеперечисленных агентов.

Очередь событий дает менеджерам возможность ввести информацию о новых событиях и начать перепланирова-ние. Например, ввод нового заказа на производство, чьи иерархические компоненты визуально изображены в левой части экрана. На рисунке 10 представлены совмещенные Гант и PERT диаграммы, которые показывают взаимосвязи

между производственными операциями. Пользователь может выбрать любую операцию на экране и перетащить ее к другому рабочему, а также соединить или разделить операции и подстроить план событий, запуская автомати-ческую цепочку изменений в плане.

В случае, если у рабочего недостаточно навыков для операции, система выделит эту операцию красным цве-том и выдаст предупреждающее сообщение пользователю. Список задач для рабочих может быть распечатан в стан-дартной форме или представлен на интерактивном терми-нале с сенсорным экраном.

Данные решения увеличивают эффективность завода через гибкое планирование оборудования, рабочей силы и материалов в реальном времени. Система может быть применена на любых заводах, которые требуют индиви-дуальный подход к каждому заказу, продукту или ресурсу, имеют небольшие производственные пакеты, требуют вы-сокую квалификацию рабочих, имеют дело с множеством непредвиденных событий и нуждаются в высокой эффек-тивности и гибкости в производстве.

Основное решение Smart Factory реализовано для ОАО «Ижевский мотозавод «Аксион-холдинг», ОАО «Кузнецов» и еще нескольких заводов [14].

Основными результатами развертывания решения являются:• полная прозрачность ежедневных операций для за-

данного срока;• увеличение производительности цеха на 15–20%;• снижение усилий по распределению задач, плани-

рованию, согласованию, и наблюдению для текущего заказа – в 3–4 раза;

• увеличение эффективности ресурсов – от 15% и больше;

• снижение времени реакции на непредвиденные со-бытия – в 2–3 раза;

• увеличение процентного соотношения заказов пред-приятия, выполненных в установленные сроки – на 15–30%.

Рис. 10. Расписание рабочих


Мультиагентная система управления грузоперевозками Smart Trucks

Данная система была изначально разработана для за-казчика, обладающего центральным офисом в Москве и более чем десятком филиалов по всей стране, орга-низующим перевозки с использованием собственного флота из более 100 грузовиков, оснащенных датчиками GPS/ГЛОНАСС навигации, и более сотней привлеченных перевозчиков. При этом для поездок из Москвы в регио-ны и наоборот требуется обеспечивать поиск попутного груза, чтобы обеспечить максимальную эффективность использования машин с учетом особенностей контракта с клиентами, сроков поставок, возможных рисков. Для решения задачи была разработана интеллектуальная си-стема управления грузоперевозками, поддерживающая общее поле расписания для менеджеров центра и фили-алов. В дальнейшем система была развита для использо-вания в других задачах по грузовым перевозкам [27–28].

Система подхватывает введенный заказ и пытается снача-ла разместить его на собственный флот, чтобы обеспечить его высокую загрузку и прибыльность. Заказ размещает-ся на наиболее подходящие свободные машины, а если таковых нет – выявляет конфликты с уже размещенными грузами и пытается выполнить подвижки заказов или пе-рераспределение ресурсов. Если возможности прибыльно разместить заказ на своем флоте нет, то заказ выносится на третий флот привлеченных перевозчиков.

Формирующееся расписание грузовиков и водителей в виде диаграммы Ганта показано на рисунке 11, где ука-заны операции перегона грузовика, разгрузки и погрузки, движения, отдыха и т. д.

Система реализует рассмотренный выше полный цикл управления ресурсами в реальном времени и предостав-ляет возможность автоматически контролировать бизнес-процесс получения заявки, загрузки и выгрузки груза через связь с водителем посредством сотового телефона, при этом водитель должен вводить сигналы начала и оконча-ния соответствующих операций (погрузки, перемещения, разгрузки). В случае расхождения плана и факта система ав-томатически перепланирует цепочки зависимых операций, формируя постоянно изменяющееся расписание.

В числе заказчиков данной системы – транспортно-эк-спедиционные компании «РусГлобал» и Prologics (Москва), «Лорри» (Екатеринбург), Multi-Solutions (Хельсинки) и ряд других отечественных и зарубежных компаний.

По средним оценкам в результате внедрения системы уже в первый год работы примерно на 4,5% возрастает чи-сло выполненных заказов, причем наряду с общим ростом числа заявок на 2,7% увеличивается и коэффициент исполь-зования грузовика собственного флота, снижается на 3,5% число опозданий к клиенту, бизнес компании становится менее зависим от человеческого фактора, уменьшается трудоемкость расчетов и число ошибок, у диспетчеров появляется больше времени для достижения лучших ре-

зультатов. Разработанные методы и средства обеспечивают повышение уровня сервиса для клиентов, эффективности использования ресурсов, сокращение времени и стоимо-сти услуг, минимизацию рисков и рост других важных пока-зателей использования ресурсов.

Интеллектуальная система Smart Projects оперативного управления ресурсами в проектах

Система Smart Projects предназначена для решения проблемы оперативного управления кадровыми ресурса-ми в проектах научно-исследовательских и опытно-кон-структорских работ (НИР и ОКР) при создании образцов новой авиакосмической техники, включая ракетоноси-тели, спутники и другие. Разработанная система позво-ляет автоматизировать процесс управления проектами, причем поддерживает его на всех этапах: инициация, планирование, согласование, выполнение, мониторинг и контроль, завершение [31–32].

В разработанной интеллектуальной системе предус-мотрены специализированные автоматизированные ра-бочие места (АРМ): руководителя и исполнителя через формы журналов.

Журналы представляют пользователю информацию в табличном виде, дополняя ее цветовой индикацией. Журнал задач позволяет руководителю быстро получить нужную информацию по задачам в любом интересующем его аспекте. Система позволяет также быстро оценить об-щую загруженность исполнителей на конкретный момент времени и сделать прогноз, каких именно сотрудников не достаточно для выполнения проекта.

Ключевой особенностью АРМ Исполнителя является его инфокоммуникационная составляющая – диалог с поль-зователем, который позволяет инженеру указывать свои собственные предпочтения по исполнению, вносить но-вые события при выполнении задач, пополняя тем самым

Рис. 11. Расписание грузовиков и водителей


базу знаний компании «снизу-вверх», откладывать задачи или предварительно выбирать их, изменять длительность задач и т. д.

Для мониторинга и контроля результатов работы ко-манд подразделений и проектов, отдельных сотрудников и предприятия в целом, в системе разработан ряд отчетов. Кроме того, пользователям предлагаются «бизнес-рада-ры», которые дают такой способ представления информа-ции, когда пользователь может моментально увидеть свои агрегированные показатели в реальном времени.

В системе задачи планируются, но не встают автома-тически на исполнителей без диалога и согласования с ними, в ходе диалога может уточняться постановка за-дачи, меняться время исполнения и т. д. Если исполнитель завышает оценки по трудоемкости, система имеет воз-можность перепроверить их у руководителя или найти замену, в результате исполнители могут либо дополни-тельно стимулироваться, либо штрафоваться по различ-ным стратегиям.

План работ подразделений отображается на диаграмме Ганта, которая не только позволяет отображать последо-вательность задач во времени, но и зависимости между задачами (рис. 12).

Промышленная версия системы в настоящее время на-ходится в эксплуатации в ОАО «РКК «Энергия».

Первый опыт применения системы показывает высокую заинтересованность управленцев и специалистов в ис-пользовании системы, а также возможность получения следующих результатов:• повышение эффективности работы исполнителей

(на 10–15%);• накопление коллекции отработанных шаблонов

решения задач по проектам для повторного ис-пользования, оптимизации, унификации и стан-дартизации производственных процессов (рост

Рис. 12. Представление плана в виде диаграммы Ганта

коэффициента повторного использования шаблонов до 50% и выше);

• оперативное и гибкое реагирование на непредви-денные события в реальном времени, своевременное перепланирование расписания для безусловного выполнения плана-графика (сокращение времени реакции на события в десятки раз);

• сокращение трудоемкости процессов планирования и поддержки принятия решений за счет вовлечения в них исполнителей с начала работы над проектом и автоматизации рутинных расчетов (в 4–5 раз);

• сокращение затрат на мониторинг и контроль испол-нения плана в реальном времени, прогнозирование «узких мест» (в 2–3 раза).

Дальнейшим развитием системы будет использование персональных планировщиков для каждого сотрудника, учитывающих как загруженность исполнителей и их инди-видуальные профессиональные навыки, так и личностные качества, мотивацию, траекторию развития и профессио-нального роста на предприятии.

Обзор разработок мультиагентных систем, созданных в группе компаний «Генезис Знаний» в 2010–2014 годах, показывает, что мультиагентные технологии уже сегодня позволяют решать сложные задачи и создавать промыш-ленные системы для управления ресурсами принципи-ально нового класса, базирующиеся на фундаментальных принципах самоорганизации и эволюции. В результате внедрения обеспечивается повышение качества и эф-фективности работы предприятий, сокращаются затраты, уменьшается зависимость от человеческого фактора.

Результаты внедрений подтверждают ранее сделанные оценки, свидетельствующие о возможности значительно-го повышения эффективности использования ресурсов на 20–40% за счет перехода к принятию решений в реаль-ном времени.


1. Городецкий В.И., Грушинский М.С., Хабалов А.В. Многоагентные системы // Новости искусств. интеллекта. – 1998. – 2. – С. 64–116. 2. Хорошевский В.Ф. Методы и средства проектирования и реализации мультиагентных систем // Матер. cеминара «Проблемы

искусственного интеллекта». – ИПУ РАН, 1999.3. Тарасов В.Б. Агенты, многоагентные системы, виртуальные сообщества: стратегическое направление в информатике и искусст-

венном интеллекте // Новости искусственного интеллекта. –1998. – 2. – C. 5–63.4. M. Wooldridge. An Introduction to Multiagent Systems. John Wiley and Sons Ltd, February 2002, Chichester, England – 340 pp.5. Теряев Е.Д., Петрин К.В., Филимонов А.Б., Филимонов Н.Б. Агентные технологии в автоматизированных информационно-управляю-

щих системах. Часть 1. Основы агентного подхода // Мехатроника, автоматизация, управление. – 2010. – 7. – С. 11–21. 6. Leung, Y-T, 2004, Handbook of Scheduling: Algorithms, Models and Performance Analysis, CRC Computer and Information Science Series,

Chapman & Hall, London. 7. Shirzadeh Chaleshtari A., Shadrokh Sh. A Branch and Bound Algorithm for Resource Constrained Project Scheduling Problem subject to

Cumulative Resources // World Academy of Science, Engineering and Technology. – 2012. – vol. 6. – P. 23–28. 8. Vos, S. 2001, «Meta-heuristics: The State of the Art» in Local Search for Planning and Scheduling, eds A Nareyek, Springer-Verlag, Berlin. – P. 1–23.9. Rolf CR., Kuchcinski, K. «Distributed constraint programming with agents», in Proceedings of the second international conference on

Adaptive and intelligent systems, Springer-Verlag, Berlin. – 2011. – P. 320–331.10. Gongfa L. A hybrid particle swarm algorithm to JSP problem // IEIT Journal of Adaptive & Dynamic Computing. – 2011. – P. 12–22.11. Xueni Q. Lau H. «An AIS-based Hybrid Algorithm with PSO for Job Shop Scheduling Problem» in Proceedings of the tenth IFAC Workshop

on Intelligent Manufacturing Systems, Lisbon. – 2010. – P. 371–376.12. Pinedo M. Scheduling: Theory, Algorithms, and System, Springer, Berlin. – 2008.13. Allan R. «Survey of Agent Based Modeling and Simulation Tools», Computational Science and Engineering Department, Technical Report

DL-TR-2010-007. – 2010.14. Skobelev P. Multi-Agent Systems for Real Time Resource Allocation, Scheduling, Optimization and Controlling: Industrial Application //

10-th International Conference on Industrial Applications of Holonic and Multi-Agent Systems (HoloMAS 2011). France, Toulouse. 2011. Springer. – P. 5–14.

15. Skobelev Р. Bio-Inspired Multi-Agent Technology for Industrial Applications / Faisal Alkhateeb, Eslam Al Maghayreh and Iyad Abu Doush (Ed.) // Multi-Agent Systems – Modeling, Control, Programming, Simulations and Applications. InTech., Austria, 2011. Available from: http://www.intechopen.com/articles/show/title/bio-inspired-multi-agent-technology-for-industrial-applications.

16. Brussel, H.V., Wyns, J., Valckenaers, P., Bongaerts, L. Reference architecture for holonic manufacturing systems. PROSA, Computer in Industry. – 1998, 37(3). – P. 255–274.

17. Виттих В.А., Скобелев П.О. Мультиагентные модели взаимодействия для построения сетей потребностей и возможностей в откры-тых системах // Автоматика и Телемеханика. – 2003. – 1. – С. 162–169.

18. Виттих В.А., Скобелев П.О. Метод сопряженных взаимодействий для управления распределением ресурсов в реальном масштабе времени // Автометрия. – 2009. – 2. – С. 78–87.

19. Petr Skobelev, Denis Budaev, Vladimir Laruhin, Evgeny Levin, Igor Mayorov. Multi-Agent Platform for Designing Real Time Adaptive Scheduling Systems // Proceedings of the 12th International Conference on Practical Applications of Agents and Multi-Agent Systems (PAAMS 2014), 4-6 June, 2014, Salamanca, Spain. 2014. – Lecture Notes in Computer Science series, vol. 8473. – Springer, Switzerland. – P. 383-386. ISBN 978-3-319-07550-1.

20. Диязитдинова А.Р., Иващенко А.В., Симонова Е.В., Скобелев П.О., Сычева М.В., Хамиц И.И., Царев А.В. Концепция мультиагентной системы интерактивного построения программы полета и планирования грузопотока международной космической станции // Труды XI Международной конференции «Проблемы управления и моделирования в сложных системах». Самара: СНЦ РАН, 2010. – С. 608–694.



21. Скобелев П.О. Опыт создания мультиагентных систем для аэрокосмических применений / П.О. Скобелев, Е.В. Симонова, И.А. Сюсин, А.В. Царев, С.С. Кожевников // Труды X международного симпозиума «Интеллектуальные системы» (INTELS'2012), Вологда, 25–29 июня 2012 г. – М.: РУСАКИ, 2012. – С. 251-254. – ISBN 978-5-93347-432-6.

22. Шабунин А.Б., Чехов А.В., Скобелев П.О., Симонова Е.В., Царев А.В., Степанов М.Е., Курбатов Е.В., Сазуров С.В., Дмитриев Д.В. Сетецентрический подход к созданию мультиагентной системы для управления производственными процессами ОАО «РЖД». // Материалы Международной научно-практической мультиконференции «Управление большими системами-2011». 14–16 ноября. – М., 2011. – Т. 3. – С. 222-225.

23. Шабунин А.Б., Кузнецов Н.А., Скобелев П.О., Бабанин И.О., Кожевников С.С., Симонова Е.В., Степанов М.Е., Царев А.В. Разработка мультиагентной системы адаптивного управления ресурсами ОАО «РЖД» // Мехатроника, автоматизация, управление. – 2012.

24. Скобелев П.О. Интеллектуальная система внутрицехового планирования // Сборник тезисов всероссийской конференции с ме-ждународным участием «Проведение научных исследований в области обработки, хранения, передачи и защиты информации». – М. 2011. – С. 115-116.

25. Ivan Tyrin, Andrey Vylegzhanin, Michael Andreev, Elina Kolbova, Petr Skobelev, Alexander Tsarev, Yaroslav Shepilov. Multi-Agent System “Smart Factory” for Real-time Workshop Management: Results of Design & Implementation for Izhevsk Axion-Holding Factory // 17th IEEE International Conference on Emerging Technologies & Factory Automation (ETFA’2012). Krakow, Poland. 2012.

26. Тюрин И.Ю., Вылегжанин А.С., Андреев М.В., Кольбова Э.В., Скобелев П.О., Шепилов Я.Ю. Опыт разработки и внедрения мультиа-гентной системы для оперативного управления инструментальным цехом ОАО «ИЖЕВСКИЙ МОТОЗАВОД – АКСИОН ХОЛДИНГ» // Мехатроника, автоматизация, управление. – 2012.

27. Скобелев П.О. Мультиагентная система управления грузовыми перевозками в реальном времени // Сборник тезисов всероссий-ской конференции с международным участием «Проведение научных исследований в области обработки, хранения, передачи и защиты информации». – М. 2011. – С. 112-114.

28. Иващенко А., Лада А., Майоров И., Скобелев П., Царев А. Анализ эффективности применения мультиагентной системы управления региональными перевозками в реальном времени // Материалы 4-й мультиконференции по проблемам управления МКПУ-2011, конференция «Мультиагентные и сетецентрические системы». – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2011. – Т. 1. – С. 353-356.

29. Диязитдинова А.Р., Иващенко А.В., Кожевников С.С., Ларюхин В.Б., Очков Д.С, Скобелев П.О., Царев А.В. Мультиагентное управление ресурсами на примере автоматизированной диспетчерской ремонтных бригад // Труды XIII международной конференции «Про-блемы управления и моделирования в сложных системах». – Самара: СНЦ РАН, 2011. – С. 443–450.

30. Блинов С.В., Сердюк В.Е., Онищенко Г.В., Скобелев П.О., Ларюхин В.Б., Очков Д.С., Царев А.В., Томин В.А. Мультиагентная система управления мобильными бригадами для Средневолжской газовой компании // Труды XIV международной конференции «Про-блемы управления и моделирования в сложных системах». – Самара: СНЦ РАН, 2012. – С. 741–745.

31. Клейменова Е.М., Скобелев П.О., Ларюхин В.Б., Майоров И.В., Косов Д.С., Симонова Е.В., Царев А.В., Феоктистов А.Л., Полончук Е.В. Мультиагентная технология адаптивного планирования для управления проектами НИР и ОКР в аэрокосмических приложениях // Мехатроника, автоматизация, управление. – 2013. – 5. – С. 58–63.

32. Клейменова Е.М., Скобелев П.О., Ларюхин В.Б., Майоров И.В., Косов Д.С., Симонова Е.В., Царев А.В., Феоктистов А.Л., Полончук Е.В. Интеллектуальная система «Smart Projects» для оперативного управления ресурсами в проектах НИР и ОКР в реальном времени // Информационные технологии. – 2013. – 6. – С. 27–36.

33. Bjorn Madsen, George Rzevski, Petr Skobelev, Alexander Tsarev. Real-time Multi-Agent Forecasting & Replenishment Solution for LEGOs Branded Retail Outlets. – 13th ACIS International Conference on Software Engineering, Artificial Intelligence, Networking and Parallel/Distributed Computing (SNPD 2012), August 8-10, 2012, Kyoto, Japan. – P. 451–456.

34. George Rzevski and Petr Skobelev, Managing Complexity, WIT Press, March 2014, 216 pp.

40

Необходимо признать, что основные технологические достижения России в освоении арктических территорий принадлежат прошлому. В настоящее время наши соседи, в первую очередь Норвегия, демонстрируют успехи в раз‑витии геологических исследований и эффективного исполь‑зования ресурсов Арктики. Северное море, по сути дела, превращено в лабораторию тестирования и коммерциали‑зации самых современных технологических решений в об‑ласти геологоразведки и мониторинга разрабатываемых месторождений. Это, в частности, донные оптоволоконные системы для сбора сейсмической информации в процес‑се добычи полезных ископаемых и широкоазимутальные

Арктика – уникальная сокровищница полезных ископаемых, и в первую очередь нефти и газа. Россия имеет выгодное географическое и геополитическое положение в этом секторе, развитие которого может стать локомотивом развития страны в XXI веке. Значительная роль в освоении богатств северных морей принадлежит, в частности, технико-технологической реализации геологоразведочных работ. В работе [1] рассмотрены традиционные геофизи-ческие подходы, направленные на освоение нефтегазовых ресурсов арктического шельфа. Настоящая статья посвящена инновационным решениям для этого региона, прежде всего отечественным.

ПЕРСПЕКТИВЫ ДОННОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ В РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

работы с применением метода сейсморазведки МОВ‑ОГТ 3D, в том числе с использованием донных станций и кос, электроразведочные работы и так далее. В данной статье не рассматриваются вопросы, стоящие за пределами гео‑лого‑геофизических приложений, таких как строительство добычных платформ, трубопроводов, специализированных судов ледового класса и т. д., но все они страдают от той же проблемы, что и российская геологоразведочная отрасль. Способна ли Российская Федерация разрабатывать и ком‑мерциализовать собственные технологические решения, или ее удел закупать зарубежные технологии, часто не са‑мые современные, в обмен на свои природные богатства?

41

Таким образом, технологическая пропасть между нами и передовыми западными странами с каждым годом все увеличивается. Следует отметить, что Россия не имеет сво‑бодного доступа ко всем зарубежным технологиям. Некото‑рые системы попадают под действие эмбарго или требуют длительного периода лицензирования. Устраивает ли Рос‑сийскую Федерацию с точки зрения стратегического развития страны такая ситуация? Судя по официальным за‑явлениям высших лиц государства о необходимости техно‑логической модернизации страны – нет. Однако если судить по тому, что подведомственная Федеральному агентству по недропользованию государственная организация для ведения работ в Арктике по определению внешней грани‑цы континентального шельфа отказывается от использова‑ния специализированной и апробированной современной российской инновационной технологии исключительно в пользу морально устаревшего американского оборудова‑ния, то Россию такое положение дел устраивает.

Очевидно, что основная цель любых геофизических исследований – это снижение геологических рисков на этапе разработки месторождений, при строительстве инженерных сооружений и в процессе их эксплуатации.

ООО «Сейсмо-Шельф»2

Санкт-Петербург

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН3

Москва

Инжиниринговый центр по трудноиз-влекаемым запасам МФТИ4

Москва

Н.П. Лаверов1,Ю.В. Рослов2,

А.В. Тулупов2,3,4,

М.А. Воронов2 Л.И. Лобковский3,

О.Ю. Ганжа3

Использование зарубежных технологий для освоения Арктики в краткосрочном тактическом плане выглядит очень заманчиво. Проверенные решения, ответствен‑ность за работоспособность которых лежит на плечах западных партнеров, не могут не привлекать российских управленцев среднего и высшего звена, особенно если они отвечают за количественные показатели прираще‑ния минерагенической базы своей компании или отрасли в целом. Разработка же альтернативных российских тех‑нологий требует рискованных финансовых затрат, а также времени на технологическую реализацию без стопроцен‑тной гарантии конечного успеха.

Оборотная сторона привлечения иностранного оборудо‑вания в том, что миллионы долларов, ежегодно расходуе‑мые российскими сервисными компаниями на его закупку, идут на создание новых рабочих мест за рубежом, передо‑вые научно‑технические исследования, в том числе с при‑влечением академических структур, университетов.

Недостаток инвестиций в нашей стране, в свою очередь, ведет к сокращению рабочих мест инженерно‑техническо‑го состава, сворачиванию научных разработок, тормозит развитие высшей школы.

Российская Академия Наук1

Москва


Соответственно, объем заказываемых геофизических ра‑бот есть функция оценочной величины предполагаемого риска. И чем больше эта величина, тем достовернее и на‑ дежнее должна быть построена геолого‑геофизическая модель изучаемого объекта. Свои максимальные оценки геологические риски достигают при разработке морских месторождений, особенно если они располагаются в глу‑боководных или удаленных от развитой инфраструктуры районах мира, например, в Арктике. Стоимость бурения одной морской скважины составляет порядка 100 мил‑лионов долларов, это позволяет представить размер возможных потерь в случае, если эта скважина окажется непродуктивной. В последние годы с целью снижения ри‑сков активно развиваются морские геофизические техно‑логии. Данную тенденцию подтверждает наблюдающийся бум морских электроразведочных работ, достигший свое‑го максимума в 2014 году.

Если обратиться к сейсмическим исследованиям, то основная тенденция развития морской модификации этого метода в настоящее время состоит в переносе си‑стемы регистрации сейсмических сигналов с поверхности моря на морское дно.

«Будущее на морском дне!» – слоган компании Reservoir Exploration Technologies, специализирующейся исключи‑тельно на выполнении донных геофизических исследова‑ний, лучшим образом отражает данную тенденцию.

В чем же преимущества использования донных систем регистрации сейсмических сигналов («дон-ной сейсморазведки») в сравнении со стандартным, хорошо апробированным способом проведения работ с плавающими косами? Отметим две основные позиции:

1. Получение качественного многокомпонентного сейсмического материала. В связи с тем, что в водном слое могут распространяться только волны давления, волновое поле, регистрируемое плавающими косами, уже изначально обделено возможностью записи попе‑речных волн, которые в ряде случаев, например, в так называемых газовых трубках, являются единственным источником информации об изучаемом объекте. При расположении четырех компонентных (три геофона

и гидрофон) сейсмических датчиков на морском дне данная проблема снимается, а это, в свою очередь, позволяет рассчитать скорости распространения по‑перечных волн, выявить эффекты анизотропии, полу‑чить широкий набор дополнительных динамических атрибутов, оценить фациальный состав вещества и т. д. Корректная обработка и интерпретация всего дополнительного объема сейсмической информации, несомненно, приводит к построению более достовер‑ной геолого‑геофизической модели среды, и, соот‑ветственно, к снижению последующих геологических рисков. Расположение регистрирующей аппаратуры на морском дне также улучшает качество приема сейсмической информации, свободного от влияний волнения моря, колебаний косы и так далее. Донные системы, как правило, обеспечивают непрерывную регистрацию, так как, с одной стороны, отсутствует ограничение на длину записи сигналов, вызванных активными источниками – пневмопушками, а, с дру‑гой стороны, в ходе полевых работ есть возможность собрать значительные объемы сейсмических шумов естественного и техногенного происхождения, в об‑работке которых за последнее десятилетие сделан огромный шаг вперед.

2. Реализация широкого спектра систем наблю-дений. Современные морские работы объемной сейсморазведки (3D) с применением плавающих кос подошли к своему технологическому пределу. В настоящее время реализуются схемы наблюде‑ний с использованием двадцати 10‑километровых кос с разносом между крайними косами более 1 км. Можно предположить, что в недалеком будущем могут быть построены суда, несущие сорок 15‑ки‑лометровых кос с разносом между крайними ко‑сами 2 км, но представить себе косу длиной 50 км или разнос между косами в односудовом варианте 10 км в настоящее время невозможно. Данные тех‑нологические ограничения не позволяют говорить о полноценных 3D‑сейсмических исследованиях, так как азимутальное покрытие единичного бина в таких системах наблюдений крайне неравномерное. Име‑ется выделенный хорошо освещенный узкий диапа‑зон азимутов вдоль направления косы и зона тени в перпендикулярном направлении. С целью устране‑ния данного недостатка предлагается проводить от‑стрел одной площади несколько раз, проходя ее под разным углами, использовать дополнительные су‑да‑источники, двигающиеся параллельно в стороне от судна‑буксировщика кос, или выполнять работы по криволинейным траекториям (coil seismic), при которых благодаря инерционному принципу движе‑ния кос также улучшается азимутальное покрытие. Все эти подходы, несомненно, расширяют возможно‑сти стандартной морской сейсморазведки, но кратно

Стоимость бурения одной морской скважины со-ставляет порядка 100 миллионов долларов, это позволяет представить размер возможных потерь в случае, если эта скважина окажется непродук-тивной. В последние годы с целью снижения рисков активно развиваются морские геофизические технологии. Данную тенденцию подтверждает наблюдающийся бум морских электроразведочных работ, достигший своего максимума в 2014 году.


увеличивая стоимость работ, все равно не дают той свободы реализации систем наблюдений, которая возможна при проведении донных сейсмических ис‑следований. Немаловажным фактором, говорящим в пользу донной сейсморазведки, является и огра‑ничения, налагаемые требованиями безопасности судовождения на буксировку плавающих сейсми‑ческих кос, особенно в районах с естественными и искусственными препятствиями в виде узких про‑ливов, отмелей, буровых платформ, районов с интен‑сивным судоходством и рыболовством и так далее.

Историю развития морской донной сейсмораз-ведки можно разделить на три основных этапа:

1960–1990

Единичные разработки донных сейсмических регистра‑торов выполнялись различными зарубежными академи‑ческими учреждениями и университетами для решения фундаментальных научных проблем. В СССР буйковые автономные аналоговые донные 4‑компонентные сейс‑ мометры были созданы в системе Академии наук СССР Институтом океанологии РАН имени П. П. Ширшова (ИО АН), Институтом физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН

Рис. 1. Профили глубинного сейсмического зондирования ИО АН СССР

(ИФЗ АН). С использованием этих донных станций СССР провел масштабные работы по исследованию Земной коры в океанах. ИФЗ АН СССР сделал Анголо‑Бразиль‑ский геотраверс, состоящий из 8‑ми профилей общей протяженностью более 6 тысяч километров [2]. ИО АН СССР выполнил большое число профилей в различных районах Мирового океана (рис. 1), в том числе впервые в мире было сделано несколько площадных наблюдений. Благодаря высокой надежности аналоговые донные стан‑ции использовались и в 90‑х годах в проектах исследова‑ния Вала Шатского, профилей глубинного сейсмического зондирования в Баренцевом море и в работах по оценке сейсмической безопасности Бушерской атомной станции в Персидском заливе.

1990–2005

Происходит бурное развитие современной электрон‑ной материально‑технической базы и оборудования для регистрации сейсмического материала на морском дне. В мире появляются первые частные компании, специа‑лизирующиеся на данном сегменте рынка и решающие не только научные, но и практические задачи: GeoPRO, GEOMAR (Германия). Важно отметить, что успехи в раз‑работке и применении донных станций за рубежом в эти


2005 – настоящее время

Этот период характеризуется формированием морской донной сейсморазведки как отдельного вида исследова‑ний. Появляются крупные транснациональные компании Seabed Geosolutions, Fairfield Nodal, Magseis, специализирую‑ щиеся в данном сегменте рынка и выполняющие проекты для ведущих нефтегазовых компаний. Рост рынка донной сейсморазведки для решения задач поиска углеводородов и мониторинга их добычи достигает объемов, измеряемых сотнями миллионов долларов в год.

Таким образом, видно, что ведущие западные нефтяные компании уже осознали значение донной сейсморазведки при ведении работ по поиску, разведыванию морских место‑рождений углеводородов и мониторингу процесса их добычи. Особенно следует отметить роль двух нефтяных компаний, ставших локомотивами в развитии данного направления, – BP и Statoil. Именно они выполнили эпохальные проекты, изменившие отношение общества к морской донной сей‑сморазведке. Несмотря на возникающие технологические проблемы в освоении морских месторождений, ожидается, что в будущем потребность в таких работах будет увеличи‑ваться, в частности, для мониторинга процесса добычи.

Какие основные геолого-геофизические задачи могут быть решены с помощью донной сейсморазведки?

1. Исследование мелководных и транзитных зон рос-сийского шельфа. Показанные на рисунке 3 [7] участки также нужно дополнить многочисленными внутрен‑ними водоемами, изучение которых очень актуально в настоящее время. Как правило, эти территории пред‑ставляют собой слабоизученные геофизическими ме‑тодами площади, близкие к существующим элементам нефтегазовой инфраструктуры, что делает их после‑дующую разработку рентабельной, даже при относи‑тельно небольших ценах на нефть. Учитывая специфику транзитных и мелководных зон, серьезных альтернатив донной сейсморазведке на этих территориях нет.

2. Проведение площадных многокомпонентных сей-смических работ для определения места закладки морских скважин. Существует несколько факторов, определяющих актуальность использования много‑компонентных наблюдений. Применительно к кон‑кретной геологической ситуации на российском шельфе наиважнейшей задачей является изучение нефтяных залежей, экранируемых менее глубокими газовыми месторождениями. В частности, с данной проблемой в ближайшее время столкнутся недро‑пользователи в Обско‑Баренцево‑Карском регионе. В мировой геофизической практике уже есть ряд по‑казательных примеров, когда донная сейсморазведка позволила построить глубинные сейсмические изоб‑

годы частично обусловлены отъездом из России научно‑инженерных кадров и использованием российских тех‑нологий.

В России в 2002 году по заказу компании LARGE Ltd на‑чалась разработка самовсплывающей цифровой донной станции – научный руководитель проф. Ю. П. Непрочнов, технический руководитель О. Ю. Ганжа [3, 4]. Используя мировую практику, а также богатый опыт конструирова‑ния морской аппаратуры Особое конструкторское бюро океанологической техники РАН (ОКБ ОТ РАН) в тесной коо‑перации с ИО РАН им П. П. Ширшова за 8 месяцев разрабо‑тало самовсплывающий автономный донный сейсмометр и изготовило 25 экземпляров станций (рис. 2). По заказу индийского правительства в 2003–2004 годах станции применялись в Индийском океане для оценки типа оке‑анической коры с целью определения границ индийской экономической зоны.

ФГУ НПП «Севморгео» в этот же период разработало соб‑ственную буйковую донную станцию и модернизировало автономный донный сейсмограф ОКБ ОТ РАН, применив более современный цифровой регистратор. Создав парк из сотни сейсмографов, ФГУ НПП «Севморгео» широко при‑меняло их для выполнения региональных исследований по сети опорных профилей на шельфе Северного Ледови‑того океана и Охотского моря, общий объем которых соста‑вил более 10 тысяч погонных километров [5, 6].

Итак, несмотря на отсутствие специализированного фи‑нансирования опытно‑конструкторских работ со стороны государства, в России было создано конкурентноспособ‑ное оборудование, которое заняло свое место на мировом рынке морских сейсмических услуг.

Рис. 2. Автономный донный сейсмограф LARGE1 – цементный якорь; 2 – сфера носитель аппаратуры; 3 – электрохимический размыкатель; 4 – стропы; 5 – антенна гидроакустической связи; 6 – гидрофон; 7 – ловительный буй с фалом

1

2

3

4

5

6


Рис. 3. Высокоперспективные (красная линия) и ограниченно-перспективные (желтая линия) транзитные зоны шельфа России: 1– Балтийская; 2 – Мезенская; 3 – Колгуевско-Печорская; 4 – Ямало-Гыданская; 5 – Южно-Лаптевская (Усть-Хатангская и Усть-Ленская); 6 – Яно-Индигирская; 7 – Анадырская; 8 – Восточно-Камчат-ская; 9 – Западно-Камчатская; 10 – Сахалинская; 11 – Западно-Каспийская; 12 – Азово-Таманская

1

23 4 5

6

7

8

9

1011

12

Рис. 4. Площадные многокомпонентные сейсмические работы с донными станциями


ражения под газовыми шапками, в то время как стан‑дартная морская сейсмика с этой задачей справиться не смогла. Схема возможных площадных многокомпо‑нентных сейсмических работ с донными станциями представлена на рисунке 4.

3. Изучение глубинного геологического строения рос-сийского шельфа. Глубинные исследования, как пра‑вило, не дают точных сведений о приращении базы углеводородных ресурсов. Однако они позволяют получить бесценную информацию для понимания геодинамической модели развития нефтегазовых бас‑сейнов, без которой в настоящее время ни одна круп‑ная компания не принимает стратегических решений по выходу в тот или иной регион мира. Типичным примером, стоящим на повестке дня, является хоть и не относящийся к арктическому шельфу, но эконо‑мически очень востребованный Каспийский регион. Согласно современным представлениям специалис‑ тов Института океанологии, Геологического инсти‑тута и Института нефти и газа РАН, имеются веские основания предполагать наличие второго нефтега‑

зоносного этажа на Каспии. Такие объекты могут присутствовать в нижних горизонтах осадочного чехла в интервале 5,5–8 км и глубже и относиться к категории гигантов и супергигантов (более 300 млн тонн условного топлива). Провести морские иссле‑дования с использованием стандартных технологий в районах предельного мелководья Каспийского моря не представляется возможным, а применение технологий морской донной сейсморазведки по‑зволит получить информацию обо всей толще оса‑дочного чехла. К этому же виду деятельности можно отнести и работы по определению внешней границы континентального шельфа.

4. Выполнение сейсмического мониторинга на мор-ских месторождениях. Задача, которая уже не первое десятилетие решается за рубежом, встала на по‑вестку дня и в РФ. Первые три морские донные са‑мовсплывающие сейсмические станции (4С‑станции) были установлены Институтом океанологии в се‑верной части Каспийского моря на месторождении им. Ю. Корчагина ОАО НК «Лукойл». Схема сейсмиче‑

Рис. 5. Схема донного сейсмического мониторинга


Рис. 6. Парк сейсмического оборудования ООО «Сейсмо-Шельф»: 1 – морская четырехкомпонентная станция второго поколения; 2 – морская самовсплывающая четырехкомпонентная станция; 3 – сухопутная трехкомпо-нентная станция; 4 – плавающий сейсмический буй

12

3

4

ского мониторинга в реальном времени с массиро‑ванным использованием донных станций выглядит так, как показано на рисунке 5.

5. Проведение морских инженерно-геологических из-ысканий. Рост объемов морских буровых работ, про‑кладки трубопроводов и развитие иной подводной инфраструктуры морских нефтегазовых месторо‑ждений предполагает соответствующее увеличение инженерно‑геологических изысканий. Глубинность исследований варьируется от первых десятков ме‑тров, необходимых для принятия решений о заклад‑ке инженерных сооружений, до нескольких сотен метров – километра, определяющих возможность поиска «газовых карманов», наличие или отсутст‑вие которых имеет принципиальное значение для выработки схемы разработки месторождения. При‑менение донной сейсморазведки, позволяющей осуществлять многокомпонентную регистрацию сейсмических колебаний в широком диапазоне ча‑стот, может оказаться экономически целесообраз‑ным и в этих исследованиях.

По какому пути дальше будет развиваться российская донная сейсморазведка? Если рассмотреть парк геофи‑зического оборудования российских компаний, выпол‑няющих стандартные морские и сухопутные работы, то необходимо признать тотальное превосходство запад‑ных производителей ION и Sercel. По сути дела, в морской сейсмике только компания «Современные сейсмические технологии» (в прошлом «СИ Технолоджи») продолжает продвигать отечественные технологии. В донной сейсмо‑ разведке лидирующие позиции в настоящее время за‑нимают компании Fairfield Nodal, SBGS, inApril. Из рос‑сийских компаний стоит отметить ООО «Сейсмо‑Шельф», которое позже других вышло на рынок. При разработке своего оборудования эта компания попытается максими‑зировать преимущества и минимизировать недостатки технологии донной сейсморазведки. Передовой научный уровень компании определяется высококвалифицирован‑ным штатом, включающим в себя двух докторов и пятерых кандидатов наук. ООО «Сейсмо‑Шельф» работает под ру‑ководством Научного наблюдательного совета, возглав‑ляемого членом‑корреспондентом РАН Л.И. Лобковским.


Рис. 7. Проведение полевых работ с четырехкомпонентными сейсмическими донными станциями

a б

Использование отдельных самовсплывающих станций, известных еще по академическим проектам, реализовано на совершенно новом уровне и включает в себя следую-щие технологические возможности:• наличие парка, насчитывающего сотни станций, обла‑

дание технологиями их расстановки, сбора, базы для осуществления сейсмических наблюдений с высокой плотностью в относительно сжатые сроки.

• применение в широком диапазоне глубин: на шельфе, мелководье и в транзитных зонах;

• отказ от использования дорогостоящей специали‑зированной техники для выполнения работ (судов‑постановщиков, подводных роботов), исполнение оборудования в контейнерном варианте;

• расстановка станций как в единичном варианте, так и в виде гирлянд;

• легкая адаптация к рельефу дна, в том числе и в ме‑стах наличия подводной инфраструктуры.

Кроме донной самовсплывающей станции, для полу‑чения непрерывных сейсмических данных по профилю «суша – транзитная зона – мелководье – шельф – арктиче‑ские льды» ООО «Сейсмо‑Шельф» разработало следующее сейсмическое оборудование (рис. 6):• сухопутную трехкомпонентную станцию, пригодную

для работ в воде до глубины 10 метров;• четырехкомпонентную донную сейсмическую стан‑

цию второго поколения для работ в переходных зонах и на мелководье;

• плавающий сейсмический буй для выполнения от‑дельных зондирований в ледовых условиях.

Комплекс сейсмического оборудования ООО «Сейсмо‑Шельф» пригоден для решения всех названных выше пяти основных задач донной сейсморазведки.

Разработанный и изготовленный комплекс донных сей‑смических регистраторов уже начал использоваться при


оборудования значительно продвинулась вперед. Первый этап ее развития, стартовавший в 90‑х годах, воплощен в су‑дах с плавающими косами, реализующими методы 3D‑сей‑смики. Второй заявил о себе в середине нулевых и нашел воплощение в гигантских судах с «площадными» стриме‑рами, буксирующими до 24‑х кос, длина которых может до‑стигать 12 км. Результатом этого этапа стало развитие так называемых Hi‑End 3D/4D‑сейсмических исследований.

Достигнув своего предельного уровня, эти два метода все же не смогли обеспечить должного качества геофизиче‑ских результатов. Во‑первых, однокомпонентность данных исследований не позволяет фиксировать все многообразие сейсмических волн. Во‑вторых, система наблюдений с вы‑деленным направлением оси приема вдоль линии кос не обеспечивает равноазимутального покрытия исследуе‑мой площади. Коэффициент успешности бурения при этом так и не превышает 35% (6–7 из 10 пробуренных скважин оказываются сухими). Кроме того, рынок работ с примене‑нием плавающих сейсмических кос за рубежом достиг насы‑ щения, не растет и является высококонкурентным.

Напротив, рынок работ с использованием донных сейсмических станций – HD 3D/4D/4C – стремительно развивается. С 2005 года объем поисково‑разведочных работ в фактическом и стоимостном выражении вырос в 10 раз, достигнув 1 миллиарда долларов. Темпы разви‑тия рынка в 2012–2014 годах превысили 8%. Если первые проекты предполагали использование 100–200 донных станций, то в настоящее время основные международ‑ные нефтегазовые компании заявляют о необходимости исследований, для выполнения которых требуется 2000–8000 станций. В частности, проекты данного масштаба уже планируются на шельфе Сахалина и в российском сек‑торе Каспия. Накоплено достаточно статистических дан‑ных, подтверждающих, что многокомпонентная донная

проведении полевых работ. В 2010 году были выполнены производственные 2D/4 С МПВ‑ГСЗ и опытно‑методиче‑ские 2D/4 С МОВ‑ОГТ работы в Баренцевом море в сотруд‑ничестве с ОАО «МАГЭ» на борту НИС «Геофизик» (рис. 7).

Тенденции развития морской сейсморазведки

В последние четыре года Российская Федерация снача‑ла вышла на первое место по добыче газа, затем нефти, а потом так же последовательно потеряла свои почетные позиции. В первую очередь это связано с тем, что отрасль базировалась на легко извлекаемой и дешевой нефти и достижениях советской геологии 70–80‑х годов прош‑лого века и не следовала глобальным мировым тенден‑ циям перехода к разработкам трудно извлекаемых ресур‑сов. И если развитие нетрадиционных источников, таких как сланцевая и тяжелая нефть (битумные пески), проис‑ходило достаточно локально – в США и Канаде, то работы на шельфе давно уже стали глобальным явлением. В мире 35% нефти добывается на шельфе, в России – менее 1%, притом что ресурсы российского шельфа потенциаль‑но превышают 100 млрд. тонн условного топлива. В по‑следние годы началась активная разработка шельфовых месторождений, но осуществление намеченных планов натолкнулось на проблему, которая для специалистов давно очевидна, – в РФ практически отсутствует база соб‑ственной морской производственной геофизики. А эконо‑мическая успешность нефтегазового сектора обусловлена эффективностью разведочной геофизики, развитию кото‑рой руководство страны до недавнего времени не прида‑вало должного внимания.

Сейчас – в порыве импортозамещения – главное не бро‑ситься развивать устаревшие технологии. В последнюю четверть века мировая индустрия морского разведочного


1. Лаверов Н.П., Дмитриевский А.Н., Богоявленский В.И. Фундаментальные аспекты освоения нефтегазовых ресурсов арктического шельфа России. Арктика // Экология и экономика. – 1. – 2011.

2. Зверев С.М. ГСЗ на океанах за 30 лет экспедиций: методика и волновые поля // Физика Земли. – 1999. – 7–8. – С. 143‑163.3. Непрочнов Ю. П. Морские геофизические исследования в Академии наук // Океанология. – 1999. – Т. 39. – 5. – С. 702‑711. 4. Непрочнов Ю.П., Ганжа О.Ю, Ильин И.А. Методика обработки и интерпретации записей донных сейсмографов при глубинном

сейсмическом зондировании в океане // Океанология. – 2005. – Т. 45. – 3. – С. 458‑467.5. Воронов М.А., Матвеев Ю.И., Рослов Ю.В. Технология морских работ ГСЗ с автономными донными сейсмическими станциями

(АДСС) на примере опорных профилей АР‑1, АР‑26: Третьи геофизические чтения имени В.В. Федынского (22‑24 февраля 2001 года). – М.: ГЕОН, 2001.

6. Roslov Yu.V., Sakoulina T.S., Pavlenkova N.I. Deep seismic investigations in the Barents and Kara Sea // Tectonophysics. – 472. – 2009. – P. 301‑308.

7. Транзитные зоны акваторий России / Верба М.Л., Герман Е.В., Григоренко Ю.Н. и др. – СПб.: Недра. – 2005.


сейсмика высокого разрешения, проводимая совместно с морской электроразведкой, дают возможность резко – в 2 раза – поднять коэффициент успешности бурения. Это является ключом к высоко эффективному освоению шельфа. Также активно развивается донный мониторинг действующих месторождений, который в последние годы получил название «технология максимизации времени жизни месторождения».

Внутри направления определились технологические фавориты и аутсайдеры. В разведочной геофизике в паре «донные станции – донные косы» однозначно лиди‑ рует и быстро развивается концепция nodes‑on‑a‑rope – станции на веревке, раскладываемые на дне плотной гирляндой. Такая технология производства работ ока‑залась на 30–40% более производительной и дешевой, чем с донными косами, обладает большой гибкостью, возможностью реализовывать разные дизайны проек‑тов в разных регионах. При этом, благодаря лучшему каплингу (от англ. couple – связываться, соединяться, характеризует качество контакта регистратора с земной поверхностью (дном)), полевые сейсмические материалы стали существенно более качественными, а технические

модульные контейнерные решения сделали комплексы донных станций мобильными, также существенно сокра‑тив – в 3–5 раз – время мобилизации/демобилизации. В системах мониторинга по этим же качествам лидирует концепция донных станций с длительной автономностью (60–90 суток), расставляемых телеуправляемым подвод‑ным аппаратом (ТПА). Мониторинг производится один раз в несколько лет (характерный период – 3 года), при‑чем использование ТПА позволяет поставить станцию точно в ту же точку, где она находилась до этого. Мод‑ные в течение некоторого времени системы постоянного мониторинга с разложенными (или закопанными) вокруг платформы оптоволоконными кабелями сворачиваются из‑за дороговизны.

Итак, можно констатировать, что донная сейсмораз‑ведка состоялась как прорывное направление в морской геофизике, оптимальные технические решения определе‑ны. Эти факторы позволяют разработать государственную стратегию развития отрасли, опирающуюся на инновацион‑ное опережающее импортозамещение, на базе совре‑менных донных технологий. Осталось только, наконец, начать это делать.

НИС «Геофизик»

52

В мировой практике затраты времени и средств на создание корабля значительно превышают планируемые, особенно на этапах комплексной отладки и сдачи-приемки систем на объекте. В директивные сроки все усилия направляются на организацию отработки взаимодействия систем между собой, но практически не затрагивают организацию вычислительных процессов автоматизированной системы управления корабля в целом. Предлагается концепция интеграционной шины, которая оптимизирует вычислительные процессы, сокращая время выработки команд, и структурирует обработку данных, обеспечивая на практике реализацию единого информационного пространства корабля.

ИНТЕГРАЦИОННАЯ ШИНА: ПЕРЕХОД К ЕДИНОМУ ИНФОРМАЦИОННОМУ

ПРОСТРАНСТВУ КОРАБЛЯ

ЗАО НПК «Агат-Аквариус»*Москва

Е.Л. Полян, К.В. Сёмин

АО «Концерн «Моринсис-Агат»** Москва

М.Ю. Храмов

* партнер АО «Концерн «Моринсис-Агат»** координатор Технологической платформы «Освоение океана»

53

Ключевой проблемой создания радиоэлектронного вооружения корабля в настоящее время является интег-рация – объединение всего арсенала технических и интел-лектуальных средств корабля с сосредоточением полного информационного обеспечения и управляющих функций в едином центре для существенного снижения времени принятия решений, повышения точности применения ору-жия и увеличения скрытности.

Эта тенденция требует новых подходов при созда-нии архитектуры аппаратной и программной частей ав-томатизированной системы управления (АСУ) корабля в целом. На основе отечественного и мирового опыта разработки информационно-управляющих систем вырабо-тан подход к построению архитектуры систем, названный сервисно-ориентированным. Для реализации единого информационного пространства (ЕИП) на базе сервисно- ориентированного подхода разработана технология ин-теграционной шины – программно-аппаратного средства, обеспечивающего эффективное взаимодействие компо-нентов систем.

Сервисно-ориентированный подход к построению АСУ

В качестве базового компонента системы выделяется по-нятие «сервиса».

Сервис – это логическое представление отдельной повторяющейся функции из числа автоматизируемых процессов. Каждый сервис должен быть логически обо-собленным, может быть составным (содержать в себе другие сервисы). Важно, что для потребителя сервиса он должен выглядеть как «черный ящик». Сервис реализует- ся программным или аппаратно-программным компо-нентом. Примерами задач, реализуемых сервисами, могут служить такие: «пересчет координат из одной системы координат в другую», «идентификация целей», «отображе-ние тактической обстановки».

Каждый сервис описывает свой интерфейс (контракт). Контракт задает два набора данных: поступающих в сервис в качестве исходных и выдаваемых им в качестве резуль-тата. Взаимодействие между сервисами осуществляется исключительно через их контракты.

Важным следствием такого подхода к организации вза-имодействия между компонентами является «слабая связ-ность», то есть отдельные сервисы могут быть реализованы вне зависимости от других служб системы, основываясь только на контрактах, используемых данным сервисом служб. Таким образом, при построении информационного пространства традиционное взаимодействие «каждый с ка-ждым» заменяется на взаимодействие «каждый с интегра-ционной шиной», что определяет простое и эффективное решение проблем создания и модернизации систем.

Слабая связность компонентов АСУ позволяет облегчить процесс комплексной отладки системы, прозрачно заменяя

сервисы их имитаторами, и тем самым значительно повы-сить качество итоговой системы.

Другим важнейшим следствием применения интегра-ционной шины является оптимизация потоков данных и последовательности вычислений, что обеспечивает со-кращение времени выработки команд по назначению.

Традиционным подходом к организации потоков данных между подчиненными системами управления является каскадный (рис. 1а). При каскадной передаче все данные, необходимые для нижестоящих систем управления, пере-даются строго от вышестоящей. Причем часть данных пе-редается транзитом от первоначального источника. Для объектов управления, критичных ко времени доставки ин-формации, суммарная длина цепочки является критичной. Поэтому разработчики стараются минимизировать число транзитных систем управления в угоду сокращению ра-ботного времени, часто снижая при этом универсальность и удобство пользования системой.

Авторы предлагают изменить подход к организации потоков данных за счет применения единой интег-рационной шины (рис. 1б). Так, в терминах сервисно-ориентированного подхода, данными, передаваемыми в соответствии с контрактом источника данных, пользу-ются три компонента: две системы управления и объект управления. Система управления 2 использует, кроме того, данные от системы управления 1. В свою очередь, объект управления в дополнение к исходным данным, полученным от источника, получает данные, переда-ваемые от системы управления 2. За счет применения интеграционной шины перераспределяются и оптими-зируются потоки данных, что снижает задержки доставки данных абонентам.

Критичное время формирования команд присуще си-стемам, входящим в состав интегрированной системы боевого управления (ИСБУ) – части АСУ, определяющей характеристики корабля. ИСБУ – это интегрированная

Рис. 1. Схемы потоков данных:а) традиционная; б) современная

Источник данных

Система управления 1


Объект управления

Источник данных



Объект управления

а)

б)


автоматизированная система, объектом автоматизации которой является совокупность процессов управления кораблем и соединением кораблей при выполнении бое-вых и повседневных задач. ГОСТ 34.003–90 [1] определяет интегрированную автоматизированную систему как сово-купность двух или более взаимоувязанных автоматизиро-ванных систем, в которой функционирование одной из них зависит от результатов функционирования другой (других) так, что эту совокупность можно рассматривать как единую автоматизированную систему.

Опыт разработки и внедрения подобного рода систем как в морской, так и в других отраслях, показывает, что состав подсистем, процессы и требования к АСУ в целом меняются на протяжении всего жизненного цикла изделия и, как следствие, системы, имеющие жесткую внутреннюю структуру, успевают устареть еще до того, как вводятся в эк-сплуатацию. В результате их внедрение не приносит того эффекта, который закладывался при проектировании. Для критических систем, к которым относится ИСБУ, подобное неприемлемо. Следовательно, такие автоматизирован-ные системы должны обладать архитектурой, придающей системе гибкость в вопросе доработок и адаптации к изме-няющимся требованиям.

На рисунке 2 показаны традиционный и перспективные подходы к построению архитектуры АСУ корабля.

Традиционная, повсеместно используемая архитектура (рис. 2а) характеризуется парными связями между взаи-модействующими узлами как на информационном, так и на кабельном уровнях.

В перспективных проектах (рис. 2б), реализуемых в на-стоящее время лидерами отрасли, взаимодействие меж-ду узлами организуется за счет локальных систем обмена данными. При этом подходе единое информационное поле

Автоматизированная система – это система, состоящая из персонала и комплекса средств автоматизации его деятельности, реализую-щая информационную технологию выполнения установленных функций. Важным аспектом при разработке автоматизированных систем является тот факт, что под объектом авто-матизации, согласно стандарту, понимается совокупность процессов, в выполнение которых вовлечен персонал.

Рис. 2. Переход к единому информационному полю надводного корабля

а)

б)

в)


Управление ОКСОД

Сеть доступа

Транспортная сеть

Обеспечение ИБ ЕИПСЕВ

и интеграционную шину [3]. Интеграционная шина работает поверх сети передачи данных, основанной на современном стеке TCP/IP, позволяющем обеспечивать детерминизм пе-редачи данных. Согласно современным подходам к постро-ению подобного рода систем, указанная технология строится на принципе модульности. Задачи, возлагаемые на тран-спортный и ниже уровни по эталонной модели взаимо- связи открытых систем OSI/ISO, решаются на уровне сети передачи данных, и, следовательно, многообразие интер-фейсов на нижних уровнях воспринимается как множество однородных для самой интеграционной шины.

Для сравнения сетей применяются следующие метрики:• пропускная способность канала (bandwidth);• скорость передачи полезной нагрузки (throughput);• задержка (latency);• нестабильность времени доставки (jitter);• удельное количество ошибок передачи (errorrate).

Если ранее каждая система имела свою независимую сеть или даже прямые парные связи, то современные и перспективные проекты корабельных АСУ требуют вы-сокой степени информационной интеграции, которая может быть достигнута лишь путем применения обще-корабельных систем обмена данными. Следовательно, к ОКСОД предъявляются требования по пропускной спо-собности, задержкам, ошибкам передачи данных на по-рядок выше, чем к каждой из независимых сетей обмена данными. Суммарная пропускная способность должна покрывать сумму пропускных способностей всех парных связей и независимых сетей, а по остальным требованиям –

Рис. 3. Структура общекорабельной системы обмена данными

может быть организовано только в пределах каждой кон-кретной системы, но не корабля в целом. Например, в со-ставе комплексной системы управления техническими средствами используется внутренняя сеть, но связь с дру-гими системами организована по принципу парных связей на информационном уровне.

Проектирование интегрированной системы боевого управления в рамках сервисно-ориентированного подхода (рис. 2в) требует не только организационных мероприятий, но и разработки специальных инструментальных средств, поддерживающих процесс разработки и внедрения.

Базовыми элементами ИСБУ являются:• общекорабельная система обмена данными;• единая система обеспечения информационной

безопасности;• единая система диагностики и контроля;• система единого времени [2];• базовые средства разработки (каркасы программных

интерфейсов, инструментальные системы);• базовые библиотеки алгоритмов.

Общекорабельная система обмена данными. Интеграционная шина

Общекорабельная система обмена данными (ОКСОД) яв-ляется центральным элементом АСУ. Все информационные потоки между компонентами системы (сервисами) прохо-дят через ОКСОД. Структурно общекорабельную систему обмена данными можно разделить на сеть передачи данных


TDM), стыкуются посредством преобразователей интерфей-сов. В системе обмена данными предусмотрены механизмы для подключения систем связи, причем как работающих по-верх стека TCP/IP (VoIP), так и использующих традиционные связные стыки и протоколы (например, E1), видеотрансля-ции и т. п.

К коммутационным приборам подключаются абоненты (комплексы и системы корабельных радиоэлектронных систем) с различной архитектурой, принципами работы, информационным и программным обеспечением, с целью обмена информацией между ними в соответствии с ал-горитмами и протоколами их взаимодействия в масшта-бе реального времени. Каждый абонент сети изолирован от других абонентов на канальном уровне, и коммутация между абонентами ведется строго согласно матрице свя-зей, прописанной в проекте.

Необходимо отметить, что в сфере авиационной автома-тики разработаны два стандарта, которые сходны по своей идеологии с предлагаемым подходом.

Time-triggered Ethernet (SAE AS6802 [4]) – используется NASA в космических проектах, в самолетах Airbus A380, Boeing 787 Dreamliner в качестве высоконадежной под-системы передачи данных реального времени в рамках электродистанционной системы управления полетом (Fly-by-wire)

Avionics Full-Duplex Switched Ethernet (ARINC 664 Part 7 [5]) – используется в самолетах Airbus A350, A380, Boeing 787 Dreamliner, Сухой SuperJet 100 в качестве высокона-дежной подсистемы передачи данных реального времени в рамках электродистанционной системы управления по-летом (fly-by-wire).

Однако различия в подходах к организации процессов разработки и сертификации в морской и авиакосмической отраслях не позволяют напрямую использовать эти стан-дарты при разработке ОКСОД.

Сеть передачи данных строится на базе технологий Ethernet и стека TCP/IP с использованием усовершенство-ваний, позволяющих получить синхронную, устойчивую

удовлетворять самым жестким требованиям среди всех от-дельных систем.

На рисунке 3 представлена предлагаемая авторами структура общекорабельной системы обмена данными. Сеть передачи данных логически состоит из транспортной сети и сети доступа. Поверх них работают базовые сервисы (СЕВ, система ИБ, ЕИП). Имеется централизованная система мониторинга и управления ОКСОД.

К сети передачи данных, входящей в ОКСОД, предъяв- ляются следующие требования:• детерминированные, малые задержки;• высокая пропускная способность;• отказоустойчивость, быстрое восстановление;• конвергированная сеть, позволяющая одновременно

передавать разнородный (асинхронный и синхрон-ный) и разноприоритетный трафик:

– наблюдение (РЛС, ГАС и пр.), – управление (реального времени и медленное), – аудио/видео данные;

• обеспечение синхронизации времени абонентов.

Транспортная сеть передачи данных

Для реализации требований к сети передачи данных со-здана базовая технология ее построения. При разработке были максимально учтены существующие стандарты.

На рисунке 4 изображена функциональная схема прибора сети передачи данных. Транспортная сеть строится на базе коммутаторов транспортной сети, соединенных между со-бой продублированными волоконно-оптическими линиями связи по многосвязной топологии. Подключение абонентов обеспечивается через маршрутизатор. Абоненты, подклю-чаемые по каналам Ethernet, стыкуются с коммутатором доступа. Защита данных от несанкционированного доступа осуществляется путем применения межсетевого экрана. Абоненты, подключаемые по каналам других видов (после-довательные, МКИО, аналоговое аудио/видео, протоколы

Рис. 4. Функциональная схема прибора сети передачи данных

Транспортная сеть

Коммутатортранспортной сетиМаршрутизатор

Межсетевой экран

Коммутатор доступа абонентов

Преобразователь интерфейсов


1. ГОСТ 34.003–90 Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения.2. Овечкин К. М. и др. Проблемы создания общесудовых систем единого времени // Морские информационно-управляющие систе-

мы. – 2014.- 2 (5). – С. 42–48.3. Сёмин К. В. и др. Глобальная морская навигационная информационная система: принципы построения // Морские информацион-

но-управляющие системы. – 2012. – 1. – С. 40–45.4. http://standards.sae.org/as6802/5. R. Alena, J. Ossenfort, K. Laws, A. Goforth, and F. Figueroa. Communications for integrated modular avionics. In Proceedings of the IEEE

Aerospace Conference. – 2007. – Р. 1–18.


Канал передачи

данных

Уровень до-ступа (MAC)

и LLC:

Синхрониза-ция часов:

Контроль полосы

пропускания и подготовка

потоков данных:

1000Base-T1000Base-LX1000Base-SX1000Base-KX10GBase-SR10GBase-LR10GBase-ER10GBase-SW10GBase-LW10GBase-EW10GBase-KX4

IEEE 802.1DIEEE 802.1QIEEE 802.1ABIEEE 802.1AXIEEE 802.1adIEEE 802.1pIEEE 802.1CB (в перспек-тиве)

IEEE 802.1AS IEEE 802.1QatIEEE 802.1Qav

сеть с высокой пропускной способностью и малым детер-минированным временем передачи данных. Для этого ис-пользуются базовые стандарты (табл. 1).

Выводы

Система обмена данными, построенная в соответствии с изложенной концепцией, была реализована в стендовом образце корабельной интегрированной телекоммуника-ционной системы. Результаты измерений показали, что перспективный образец системы обеспечивает характери-стики, необходимые для нормальной работы корабельных абонентов даже при семикратной нагрузке.

Дальнейшее развитие АСУ перспективных кораблей целесообразно на базе сервисно-ориентированной архи-тектуры, внедрения технологии интеграционной шины как стандарта де-факто для бортовых информационно-управ-ляющих систем, интегрированных систем боевого управле-ния и других систем данного класса.

Таблица 1

АСУ – автоматизированная система управленияИСБУ – интегрированная система боевого управленияОКСОД – общекорабельная система обмена данными

ЕИП – единое информационное полеИШ – интеграционная шинаСПД – сеть передачи данныхРЭВ – радиоэлектронное вооружениеСОД – система обмена данными

58

В конференции, которая проводилась в одиннадцатый раз, участвовали представители двадцати четырех организаций и предприятий Москвы, Санкт-Петербурга и других регионов России. Были представлены новые научные разработки в области информационных техноло-гий, программного и аппаратного обеспечения информационно-управляющих комплексов, результаты НИОКР, выполняемых предприятиями–разработчиками программных и аппарат-ных средств.

ЕЖЕГОДНАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

«СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫСОЗДАНИЯ КОРАБЕЛЬНЫХ

ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ КОМПЛЕКСОВ»1–2 АПРЕЛЯ 2015 ГОДА. НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ ЦЕНТР ПОДГОТОВКИ

И ПЕРЕПОДГОТОВКИ КАДРОВ АО «КОНЦЕРН «МОРИНСИС-АГАТ»

59

Заседания проводились по четырем секциям:• Системныевопросыразработкикорабельныхинфор-

мационно-управляющихсистем;• Математическое и программное обеспечение кора-

бельныхинформационно-управляющихсистем;• Схемотехника,конструирование,технология;• Управлениеробототехническими комплексами – но-

вая составляющая корабельных информационно-управляющихсистем.

Лучшими были признаны следующие доклады:• Построение многопроцессорной вычислительной

системы с динамическим перераспределением ре-сурсов и оценка ее применимости для задач опти-мального маршрута (Акинкин Ден.В., Акинкин Дм.В.,СиткинТ.И.,АО«Концерн«Моринсис-Агат»);

• Обоснование актуальности создания интегрирован-нойсистемыбоевогоуправления,какновогообразцавооружения кораблей ВМФ (к.т.н. ВаколюкО.П., НИИОСИСВМФВУНЦВМФ«ВМА»).

• Реализация синтезатора частот с пониженным уров-немфазовогошума (БаруллинД.В., ОАО «НППРадарммс»).

• Навигацияподводныхаппаратовпо аномальномумаг-нитному полю (ИваненкоА.Н., ГоршковА.Г., ИнститутокеанологииРАН,АО«Концерн«Моринсис-Агат»).

Всегов работеконференцииучаствовало87 специалис-тов,из них19 докторовнауки 31 кандидатнаук.

60

Одной из наиболее актуальных проблем в исследовании ассоциированных жидкостей (в том числе жидкой воды и водных растворов биополимеров) является получение количественной информации о молекулярной структуре ближнего порядка этих сред, о форме и размерах мо-лекулярных комплексов, образующихся за счет сильного межмолекулярного взаимодействия. Такая информация может быть получена из данных по рассеянию тепловых нейтронов [1, 2], а также из оптических спектров низкочастотных молекулярных движений в жидкости.

АО «Концерн Моринсис-Агат»*Москва

А.Ф. Бункин

КОГЕРЕНТНАЯ ЧЕТЫРЕХФОТОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ НИЗКОЧАСТОТНЫХ

КОЛЕБАНИЙ МОЛЕКУЛ В ВОДЕ

Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН*

Москва

Першин С.М. ИОФ РАН

* участники Технологической платформы «Освоение океана»

61

Спектры спонтанного комбинационного рассеяния (КР) света (в диапазоне <100 см‑1) и рассеяния в крыле Рэлея [3, 4] вблизи нулевых частотных отстроек также несут ин‑формацию о структуре молекулярных комплексов в жид‑кости, поскольку зависят от межмолекулярных колебаний и ориентационных движений молекул. Однако использова‑ние классических методов оптической спектроскопии (ин‑фракрасное (ИК) поглощение и КР) в спектральной области от нескольких единиц до 100 см‑1 (0–3 ТГц) наталкивается на ряд экспериментальных трудностей и оказывается мало‑эффективным.

Отдельной сложной проблемой является спектроско‑пия низкочастотных колебательных и вращательных резо‑нансов, лежащих в диапазоне 1–5 см‑1, которые возникают в тех средах, где возможно существование устойчивых молекулярных комплексов сложной формы с временем жизни, значительно превышающим время переключения водородной связи ~10–13 с. Такие резонансы могут появ‑ляться в биологических макромолекулах, состоящих, как правило, из субглобул с молекулярным весом ~103 а. е., соединенных пептидными или водородными связями [5, 6]. Изучение подобных резонансов дает информацию о геометрии соединения биологических макромолекул и их комплексов с молекулами растворителя.

Возможным подходом, позволяющим эффективно ре‑шать данную задачу, является использование четырех‑фотонной спектроскопии крыла Рэлея [7, 8], которая дает возможность существенно повысить отношение сиг‑нал/шум в низкочастотных спектрах за счет фазирования в макроскопическом объеме ориентационных и трансля‑ционных движений молекул с помощью двух лазерных волн с частотами ω1 и ω2, разность которых (ω1 ‑ ω2) ска‑нируется в области крыла Рэлея. Измеряемым параметром является состояние поляризации электромагнитного поля Pi(3) на частоте ωs= ω1‑(ω1‑ω2), возникающего в результате нелинейно‑оптического взаимодействия в исследуемой среде [9, 10]:

Pi(3) = 6χijkl

(3) (ωs; ω1; ω2;-ω1)Ej(1) Ek

(2) El(1)* (1)

Здесь χ(3) – кубическая восприимчивость среды, про‑порциональная корреляционной функции флуктуаций оптической анизотропии, E(1) и E(2) – амплитуды взаимо‑действующих в среде внешних полей, а интенсивность регистрируемого сигнала Is∝|χ(3)|2 I2

1 I2. Подчеркнем, что лазерное поле, взаимодействуя с ансамблем молекул, за‑дает фазу их колебательных и вращательных мод во всем объеме среды, занятом одновременно излучением с ча‑стотами ω1 и ω2.

Спектральное разрешение в четырехфотонной спек‑троскопии определяется шириной аппаратной функции, равной, в первом приближении, сумме ширины спектра генерации обоих лазеров с частотами ω1 и ω2, которые в наших измерениях лежат в области прозрачности иссле‑

дуемой среды. В данной работе спектральное разрешение составляло ~0,1 cм‑1.

Отметим, что в четырехфотонной спектроскопии крыла Рэлея при соответствующем выборе поляризации волн E(1) и E(2) [6–8], измеряется сигнал, пропорциональный мнимой части кубической восприимчивости среды: Is~ (Imχ(3))2. Это обстоятельство обеспечивает важное преимущество четырехфотонного рассеяния по сравнению с ИК‑спек‑троскопией, поскольку здесь появляется возможность регистрировать резонансы поглощения электромагнит‑ного излучения в конденсированной среде в террагерцо‑вой области спектра (0–30 ТГц), в рамках единой техники эксперимента, в слоях жидкости толщиной до десятков сантиметров. Несомненно, этот фактор оказывается прин‑ципиальным при исследовании био‑, а также различных макромолекул, поскольку позволяет изучать их низкочас‑ тотные спектры в естественной среде.

Другое преимущество обусловлено возможностью разделять вклады в регистрируемый сигнал от различ‑ных механизмов ориентационной релаксации в жидкости [11–12], которые по‑разному проявляются в спектрах четы‑рехфотонного рассеяния. Так, уширение линии с центром на нулевой частоте (ω1–ω2)=0 (узкая часть крыла Рэлея) связано с медленными ориентационными движениями мо‑лекулярных ассоциатов, тогда как вклад быстрого враща‑тельного движения молекул должен появляться в широкой части крыла Рэлея |ω1–ω2|>1. Возможность существования ориентационной релаксации, эквивалентной свободному вращению молекул в жидкой фазе за времена <1 пс, обсу‑ждалась в ряде работ [11, 12]. Однако непосредственной регистрации спектра, состоящего из узких резонансов сво‑бодного вращения молекул в жидкости, насколько нам из‑вестно, до настоящего времени не было.

Отдельной задачей физики жидкого состояния, и в част‑ности, физики воды, является понимание особенностей водородной связи в средах, молекулы которых отличаются ядерным спином атомов водорода. Примером таких мо‑лекул являются орто‑ и парамодификации молекул воды, в которых суммарный спин атомов водорода равен либо 1 (ортомолекулы) либо 0 в параизомерах. Молекулы орто‑ и паракомпонент воды в равновесных условиях сущест‑вуют в концентрации 3:1, они отличаются вращательным спектром [13] и хорошо идентифицируются в газовой фазе [14]. В [14] было обнаружено, что при пропускании водяного пара через пористый материал с развитой по‑верхностью, а также над поверхностью органических (ДНК, белок лизоцим) и неорганических соединений [15], проис‑ходит обогащение паров воды молекулами ортоизомеров. Наблюдаемое селективное отклонение от равновесного соотношения объяснялось тем, что непрерывно враща‑ющиеся ортоизомеры молекулы воды обладают большей подвижностью, тогда как парамолекулы характеризуются большей способностью к образованию комплексов. Во‑прос о существовании и спектроскопических проявлениях


орто‑ и паракомпонент воды в жидкой фазе остается пока открытым. Неясно также, существует ли какая‑либо селек‑тивность в межмолекулярных взаимодействиях в жидкости по признаку орто‑, парамодификации молекул.

В данной работе проведен анализ экспериментов, в кото‑рых с помощью четырехфотонного рассеяния лазерного из‑лучения наблюдались спектры низкочастотных колебаний и вращений молекул в различных жидкостях в диапазоне 0–3 ТГц. Выбор жидкостей был основан на гипотезе о том, что вклад вращательных резонансов в сигнал четырехфо‑тонного рассеяния будет увеличиваться по мере ослабле‑ния межмолекулярного взаимодействия. Кроме того, были систематически изучены спектры четырехфотонного рас‑сеяния в области 0–100 см‑1 в макроскопическом объеме водных растворов белка α‑химотрипсин. Исследованный диапазон включает в себя резонансы Бриллюэна, узкую и широкую части крыла Рэлея и возможные КР‑резонансы, относящиеся к колебательным и ориентационным движе‑ниям молекулярных фрагментов белка и собственные низ‑кочастотные спектры орто‑ и параспинизомеров молекул Н2О в жидкой фазе.

Эксперимент

Эксперименты проводились на установке, подробно описанной в [16] и представленной на рисунках 1 а, б. Две встречные лазерные волны E(1) и E(2) с частотами ω1 и ω2 рас‑пространялись в кювете с жидкостью. Входное и выходное окна кюветы изготовлены из плавленого кварца и имели низкий уровень деполяризации проходящего излучения. Волна E(1) (излучение второй гармоники Nd3+: YAG лазера, работающего на одной продольной моде, типичная плот‑ность мощности ~60 МВт/см2) имела круговую поляри‑зацию; перестраиваемая по частоте волна E(2) (плотность мощности ~10 МВт/см2) была линейно поляризована. При такой поляризации взаимодействующих волн [9, 10] в сиг‑нале, определяемом нелинейным взаимодействием (1), отсутствует нерезонансный вклад от электронной подси‑стемы среды.

Поскольку орты поляризации волны сигнала на ча‑стоте ωs и волны E(2) неколлинеарны, а направление их распространения совпадает, сигнал четырехфотонного рассеяния выделялся призмой Глана. Ширина аппарат‑ной функции спектрометра (~0,1 см‑1) и спектральный диапазон измерений, определяемый возможным диапа‑зоном (ω1–ω2) (от –1200 до 300 см‑1), задавались выход‑ными характеристиками лазера на красителе, который накачивался излучением третьей гармоники Nd3+: YAG лазера и обеспечивал перестройку по частоте волны E(2) по программе, задаваемой компьютером. Для каждого значения частоты ω2 производилось усреднение сигнала по 10–30 отсчетам, затем частота лазера перестраивалась автоматически с шагом ~0,119 см‑1. Нулевая частотная отстройка привязывалась с точностью до 0,02 см‑1 по ре‑

Рис. 1 б. Схема измерительной части эксперимен-тальной установки1 – поляризаторы (призмы Глана-Томпсона) 2 – четвертьволновая пластинка для λ=532 нм 3) – кювета с исследуемой жидкостью3 – диэлектрические зеркала4 – фотоприемникЖирными черными стрелками отмечено состояние поляризации взаимодействующих лазерных пучков

1064 nm

Nd:YAG

Nd:YAG

Dye Laser

Nd:YAG

SG

SG

532 nm

532 nm ~532 nm

535 nm

M1

2

22

3

1

1

1

4

4

4

5

2 3

M

M

TH

L

M

M

M

Рис. 1а. Схема лазерной части экспериментальной установки1 – задающий одночастотный лазер на кристалле Nd 3+: YAG2 – квантовые многопроходные усилители на кристалле Nd 3+: YAG3 – плавно перестраиваемый по частоте узкополосный (ширина линии не более 0,1 см-1) Dye Laser – лазер на красителе (родамин незамещенный)SG – генераторы второй оптической гармоники на термостабилизированных кристаллах CDATH – генератор третьей оптической гармоники на кристалле DKDPL – линзыМ – диэлектрические зеркала


зонансам Бриллюэна, дальнейшая перестройка длины волны контролировалась по модам интерферометра Фа‑бри‑Перо с базой 7 мм (область дисперсии ~1,4 см‑1).

Измерения проводились в воде Milli‑Q (Н2О), тяжелой воде (D2O), 30%‑ и 5%‑ном водном растворе перекиси водорода (Н2О2) и белка α‑химотрипсин (концентрации 10 и 17 мг/мл), а также в жидком четырехлористом угле‑роде (CCl4) в спектральном диапазоне ± (0–100) см‑1. Здесь отрицательные отстройки относились к сигналу рассеяния в антистоксовой области. Вода Milli‑Q (реагентное качест‑во, тип I, сопротивление 18,2 MΩ см, остаточные приме‑си не более 20 мкг/л) производилась непосредственно перед экспериментом на установке Millipore. Образцы D2O, Н2О2 и CCl4 являлись промышленными реактивами классов ОСЧ и ХЧ. Среди перечисленных сред наиболее сильное межмолекулярное взаимодействие, вызванное водород‑ной связью, наблюдается в Н2О, а слабое – в CCl4, молекулы которого считаются сферическими волчками [17].

Результаты эксперимента

Спектры четырехфотонного рассеяния лазерного излуче‑ния в спектральном диапазоне ±8 см‑1, полученные в CCl4, Н2О и водном растворе перекиси водорода в одинаковых условиях эксперимента, приведены на рисунке 2. В обла‑сти 0,5 см‑1 в каждом из спектров наблюдается дублет ли‑ний, отмеченных стрелками, которые вызваны рассеянием на акустических фононах (резонансы Мандельштама‑Брил‑люэна). Для удобства сравнения спектры нормированы на соответствующие максимумы сигналов четырехфотонно‑го рассеяния на резонансах Бриллюэна, сечение которого в CCl4 ~ в 5 раз больше, чем в воде [10]. Это обеспечивает соответствующее визуальное уменьшение амплитуды вра‑щательных резонансов CCl4. Из рисунка 2 видно, что наи‑больший вклад в сигнал рассеяния в области вне диапазона ±1 см‑1 наблюдается в CCl4, а наименьший – в Н2О. Увеличение вклада вращательного спектра в растворе Н2О2 по сравне‑нию с Н2О можно объяснить ослаблением межмолекуляр‑ного взаимодействия в перекиси водорода по сравнению с водой, так как молекулы Н2О2 образуют две водородных связи с Н2О, а молекулы воды – четыре [1, 2].

На рисунке 3а приведен фрагмент спектра сигнала че‑тырехфотонного рассеяния в области (ω1 – ω2)>0 в жидком CCl4 (1), на который наложен фрагмент этого же спектра в антистоксовой области (ω1 – ω2) <0 (2). Частоты враща‑тельного спектра молекулы 12C35Cl4 (концентрация таких мо‑лекул в CCl4 составляет ~32,54% [18]), рассчитанные ab initio, показаны вертикальными линиями. Расчет проводился без учета изотопического замещения атомов Cl и С [18]. Из ри‑сунка видно, что спектральное положение резонансов при положительных (1) и отрицательных (2) отстройках удовлетворительно (с точностью до ширины аппаратной функции) совпадает с расчетом для газа CCl4. Дополни‑тельные линии в экспериментальном спектре, вероятно,

-8 -6 -4

0,0

0,4

0,8

0,2

0,6

1,0

-2 0 2 4 6 8

Сигнал, у.е.

CCL4 (1)

H2O2 (2)

H2O (3)

Рис. 2. Спектры четырехфотонного рассеяния, норми-рованные на соответствующие максимумы сигналов на резонансах Бриллюэна в следующих жидкостях: CCl4 (1), Н2О2 (2) и Н2О (3) в спектральном диапазоне ±8 см-1. В спектральной области ±0,5 см-1 в каждом из спектров наблюдается дублет линий, вызванных рас-сеянием на акустических фононах

Волновое число, см-1

Рис. 3а. Фрагмент спектра четырехфотонного рассе-яния в области (ω1 – ω2)>0 для жидкого CCl4 (1), на который наложен фрагмент этого же спектра в об-ласти (ω1 – ω2)<0 (2). Вертикальными линиями пока-заны частоты вращательного спектра КР молекулы CCl4, рассчитанные ab initio

0,0

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0 1 2 3 4 5



CCL4

(1)

(2)

обусловлены наличием резонансов молекул CCl4 с другим изотопным составом. Аппроксимация спектра, изображен‑ного рисунке 3а, функцией 0,267 exp((ω1 – ω2)/0,647)+0,12, имеющей ширину ~1,3 см‑1 по уровню e‑1, позволяет оце‑нить время ориентационной релаксации, обусловленной


Рис. 3б. Спектр четырехфотонного рассеяния в воде (1) и растворе белка (2). Вертикальными линиями показаны частоты резонансов молекулы ОН и Н2О, вос-производимые в каждом измерении



OH

orth

o (4

14-3

21)

para

(4 4

0-5 3

3)

prot

ein

(2)

0,1

0,2

0,3

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

Рис. 4. а – спектр четырехфотонного рассеяния в 50%-ной смеси тяжелой (D2O) и легкой (Н2О) воды; b – фрагмент спектра рис. 3а в области дублета линий 36,6 и 37,13 см-1 переходов молекул воды орто-, парамодификаций

Сигн

ал, у

.е.


0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,45

D2O

D2O

D2OH2O

HDOHDO

HDO

H2O H2O

H2O

H2O

H2Oortho

H2Oortho

H2OorthoH2O

orthoH2O

ortho

H2Oortho

H2OD2O

D2O

D2O

0,40

10 20 30 40 50



H2Oortho

H2Oortho

H2Opara

H2Opara

32

0,1

0,2

0,3

0,4

33 34 35 36 37 38 39 40

измерениях. Из спектра (2) на рисунке 3б видно, что в рас‑творе белка отсутствует линия 3,21 см‑1 параизомера воды. Этот факт, по‑видимому, связан с селективным демпфиро‑ванием свободного вращения и связыванием молекул па‑раизомера воды молекулами белка.

Была проведена серия экспериментов по регистра‑ции спектров четырехфотонного рассеяния в тяжелой (D2O) и легкой (Н2О) воде и их 50%‑ной смеси в диапазоне 0–100 см‑1 (0–3 ТГц). Целью экспериментов была регистра‑ция вращательных спектров молекул D2O и Н2О в жидкой фазе и сравнение частот соответствующих резонансов с та‑бличными значениями [13, 20]. На рисунке 4а в качестве при‑мера приведен спектр смеси 50%‑ной Н2О и D2O в области 0–50 см‑1, сглаженный по трем экспериментальным точкам для удобства сравнения с табличными данными. Стрелками отмечены резонансы вращательных переходов, относящие‑ся к спектрам свободных вращений молекул D2O, Н2О и HDO по данным [13, 20, 21]. Пунктирными стрелками отмечены наиболее интенсивные линии вращательных переходов ортоспинизомера воды. На рисунке 4б приведен фрагмент спектра в области 32–40 см‑1, где видны четыре линии орто‑ и парамолекул Н2О [13]. Следует заметить, что амплитуды линий в этих спектрах могут отличаться от их соотношения в спектре ИК‑поглощения, поскольку в четырехфотонном рассеянии они пропорциональны (1 – 3ρ), где ρ – степень деполяризации соответствующих КР активных резонансов [10]. Таким образом, вращательные резонансы трех типов молекул (D2O, Н2О и HDO) наблюдаются в спектрах при четырехфотонном рассеянии света в водных растворах 50%‑ной смеси D2O и Н2О без заметных смещений частоты.

Последнее обстоятельство требует некоторых поясне‑ний. Вопрос о влиянии межмолекулярного взаимодейст‑вия на смещение частот резонансов КР и ИК‑поглощения при переходе от газа к жидкости интенсивно исследовался

низкочастотными движениями молекул как ~ 25 пс. Это значение совпадает с характерным временем (10–50 пс) диэлектрической релаксации органических жидкостей [19].

На рисунке 3б приведены фрагменты спектров Н2О (1) и водного раствора белка α‑химотрипсин (2) в концентра‑ции 10 мг/мл. Резонансы воды отмечены вертикальными линиями, линия белка α‑химотрипсин отмечена стрел‑кой. Резонансы воды 2,26 см‑1 и 3,21 см‑1 с точностью ап‑паратной функции отнесены к вращательным переходам 414–321 и 533–440 основного колебательного состояния орто‑ и параспинизомеров молекул воды, соответственно [13]. Указанные резонансы хорошо воспроизводились во всех


в середине ХХ века (см., например, монографию [22]). Было показано, что для разных типов взаимодействия это смеще‑ние составляет от ~0,5% до ~0,01% частот соответствующих переходов, что для частот молекулярных колебаний, лежа‑щих в диапазоне 1000–4000 см‑1, является заметной вели‑чиной. Однако для наблюдаемых в наших экспериментах вращательных резонансов в диапазоне <100 см‑1 этот сдвиг должен быть порядка 0,2 см‑1, то есть сравним с шириной аппаратной функции спектрометра.

Была проведена серия экспериментов, имеющих це‑лью обнаружение влияния молекул белка на резонансы орто‑ и параспинизомеров молекулы в жидкой фазе. На рисунке 5 приведен спектр деионизованной воды Milli‑Q в диапазоне 0–100 см‑1. В спектре хорошо видны наиболее сильные в указанном диапазоне резонансы 79,8 см‑1 (пара‑ молекула) и 88,1 см‑1 (ортомолекула) [13, 23], отмеченные стрелками разного вида. Данные резонансы относятся к вращательным переходам основного колебательного сос‑ тояния пара‑ и ортоспинизомеров молекул воды (404–313) и (414–303), соответственно. Здесь в скобках указаны враща‑тельные квантовые числа J, Ka, Kc начального и конечного уровней соответствующих переходов основного изотопа молекулы воды, взятые из базы данных HITRAN [13]. Отме‑тим, что большинство остальных сильных линий спектра поглощения паров воды в диапазоне 0–100 см‑1 образова‑ны наложением близких резонансов орто‑ и параизомеров воды [13] и поэтому менее удобны для поставленной выше задачи.

На рисунке 6 представлен фрагмент спектра воды в ди‑апазоне частотных отстроек от 73 до 91 см‑1. С помощью данных базы HITRAN [13] все наблюдаемые в спектре ре‑зонансы могут быть отнесены к вращательным перехо‑дам нижнего колебательного состояния 74,1 см‑1 (514–505),

78,2 см‑1 (725–716), 88,1 см‑1 (414–303), орто‑ и 79,8 см‑1 (404–313), 85,0 см‑1 (946–853), 90,8 см‑1 (1275–1184) парамодификаций основного изотопа молекулы Н2О. Резонансы орто‑ и пара‑молекул воды отмечены стрелками разного вида.

На рисунке 7 приведены фрагменты спектров раствора белка α‑химотрипсин (концентрация 17 мг/мл) в диапазоне 73–91 см‑1 и воды Milli‑Q. Для удобства сравнения спектр воды растянут по оси ординат в 8 раз. Вращательные резо‑нансы орто‑ и параизомеров молекулы воды, отнесенные по данным [13], обозначены на рисунке 6 разными стрелками.

Рис. 7. Фрагменты спектров раствора белка α-химотрипсин (концентрация 17мг/мл) в диапазо-не 73–91 см-1 и воды Milli-Q. Вращательные резонансы орто- и параизомеров молекулы воды обозначены раз-ными стрелками



ortho-para-

0 20 40 60 80 100

0,2

0,4

0,6





75 80 85 90

0,18

0,05

75 80 85 90

protein

79.8

см

-1 (

4 04-

3 13)

88.1

см

-1 (

4 14-

3 03)

water x8

0,10

0,15

0,20

0,22

0,24

0,26

0,28

0,30

Рис. 5. Панорамный спектр воды Milli-Q в диапазоне 0–100 см-1

Рис. 6. Фрагмент спектра воды Milli-Q в диапазоне час- тотных отстроек от 73 до 91 см-1. Резонансы орто- и парамолекул Н2О отмечены стрелками разного вида

para-

para-

para-ortho- ortho-

ortho-


На рисунке четко идентифицируются следующие резо‑нансы ортомодификации воды: 73,3 см‑1 (330– 321), 74,1 см‑1

(514–505), 77,3 см‑1 (945–936), 81,0 см‑1 (936–927), 82,15 см‑1 (432–423), 83,5 см‑1 (1047–954), 85,6 см‑1 (734–725), 86,4 см‑1 (423–414), 88,1 см‑1 (414–303). Заметим, что линия ортоизомера 88,1 см‑1 (414–303) осталась доминирующей в спектре раствора белка, в то же время линия параизомера 79,8 см‑1 (404–313) сильно подавлена, что указывает на селективность взаимодейст‑вия молекул белка с орто‑ и параизомерами Н2О.

Анализ эксперимента

Проведенные исследования показывают, что в спек‑трах четырехфотонного рассеяния лазерного излучения в нескольких жидкостях (CCl4, Н2О, D2O, Н2О2) возникают узкие резонансы, частоты которых с точностью до ши‑рины аппаратной функции спектрометра совпадают с частотами вращательных переходов основного элек‑тронного и колебательного состояния соответствующих молекул. При этом в спектре жидкой воды отдельно идентифицируются линии относящиеся как к орто‑ так и к парамодификациям основного изотопа молекулы Н2О. Эти же линии с увеличением почти на порядок величины наблюдаются в спектрах водного раствора белка α‑химотрипсин. Последнее обстоятельство свиде‑тельствует о росте доли свободных молекул воды в рас‑творах белка.

Увеличение вклада вращательного спектра в сигнал четырехфотонного рассеяния в растворе белка по срав‑нению с Н2О можно объяснить слабой водородной связью между молекулами воды и белка. Наблюдаемое в эксперименте преимущественное подавление в бел‑ковом растворе вращательных линий параизомера мо‑лекулы воды свидетельствует о селективной гидратации биологических макромолекул параизомерами молекулы воды. Ранее [24] наблюдалась селективная сорбция па‑раизомеров молекул воды из газовой фазы при их про‑пускании над поверхностью образцов ДНК, лизоцима и коллагена.

Можно предположить, что свободное вращение моле‑кул в жидкостях возникает в тот момент, когда сила меж‑молекулярного взаимодействия (наибольшая в воде из‑за водородной связи) для некоторых молекул обращается в ноль в результате флуктуаций плотности при тепловом движении молекул. Эта сила быстро изменяется с межмо‑лекулярным расстоянием, поскольку, например для потен‑циала Ленарда‑Джонса, описывающего межмолекулярное взаимодействие молекул в жидкости:

U (r) = ‑a/r‑6 + b/r‑12 (2),

притягивающая сила убывает как ~r‑7. В результате отдель‑ные молекулы приобретают возможность свободного дви‑жения, становясь, по существу, молекулами газа.


Время, в течение которого молекула воды остается сво‑бодной, оценим из следующих соображений. Известно [25], что в низкочастотном спектре воды существует линия с частотой 5,4 1012 Гц (180 см‑1), которую относят к межмоле‑кулярным колебаниям молекул Н2О вдоль прямой, соединя‑ющей атомы кислорода. Половина периода этих колебаний (~0,1⋅10–12 с) хорошо совпадает с оценкой времени поворо‑тов молекул Н2О на большие углы в жидкой фазе, известной из расчетов по молекулярной динамике [26, 27]. Аналогич‑ная оценка для жидкого CCl4 дает величину ~0,33⋅10–12 с.

В остальное время молекулы совершают относительно медленные ориентационные движения, поскольку меж‑молекулярное взаимодействие ограничивает их степени свободы. Количественной мерой концентрации свободно вращающихся молекул может служить введенный в [11] параметр τ2/τfr, где τfr – время, за которое свободно враща‑ющаяся молекула поворачивается на угол, равный сред‑нему углу поворота молекул в процессе ориентационной релаксации. По данным [11] этот параметр в воде равен 65 (не более ~1,5% свободно вращающихся молекул), а в жид‑ком CCl4–2,6 (~38% свободных молекул). Это увеличение свободно вращающихся молекул в жидком CCl4 проявляет‑ся в нашем эксперименте возрастанием амплитуды враща‑тельных резонансов в четырехфотонном спектре рисунке 2.

Наличие вращательной структуры в спектрах четырех‑фотонного рассеяния позволяет спектрально разделить и оценить относительную долю вкладов быстрых и медлен‑

ных молекулярных движений. Такая возможность отсутст‑ вует при комбинационном рассеянии и ядерном магнитном резонансе, где все виды ориентационного движения дают вклад в уширение регистрируемых резонансов [3, 4, 11, 12]. Полученные спектры указывают на наличие в исследован‑ных жидкостях заметного количества свободных молекул, не участвующих в момент зондирования в образовании ас‑социированных комплексов. Возможность существования в некоторых жидкостях (в частности в воде) сильно и слабо связанных молекул обсуждается во многих работах. Такой подход (см., например, [28]) позволяет рассчитать для воды с удовлетворительной точностью дисперсию ξ`,ξ`` – дейст‑вительной и мнимой частей диэлектрической проницаемо‑сти в спектральном диапазоне 0–1000 см‑1.

Отметим, что поскольку каждый из резонансов, дающих вклад в спектр четырехфотонного рассеяния света, Is~ (Imχ (3))2, отражает какой‑либо механизм диссипации энергии в сре‑де (гиперзвуковые волны, ориентационные колебания, свободное вращение молекул), кривые на рисунках 2–7 воспроизводят спектры поглощения исследованных сред в терагерцовом и субтерагерцовом диапазонах частот. Тот факт, что эти спектры не являются сплошными, дает возможность найти частоты, на которых различные жид‑кости и, в частности вода, имеют больший или меньший уровень поглощения сверхвысокочастотного (СВЧ) излу‑чения. Это обстоятельство позволяет по‑новому рассмо‑треть многочисленные факты селективного воздействия


СВЧ‑излучения на живые организмы [29]. Отмеченная выше возможность спектрального разделения вкладов быстрых и медленных движений в ориентационную релаксацию мо‑лекул открывает дополнительные перспективы в изучении молекулярных взаимодействий в физике жидкости.

За рамками данной работы осталось обсуждение возмож‑ности измерения фрактальной размерности полимеров, молекулярных ассоциатов и биологических макромолекул в жидкости. Это направление активно развивается в совре‑менной науке [30, 31]. В наших экспериментах [32] изучается возможность использования когерентного четырехфотон‑ного рассеяния лазерного излучения для изучения низ‑кочастотных колебаний и ориентационных движений биологических молекул в воде, то есть в естественной сре‑де. Такой подход дает целый ряд преимуществ по сравне‑нию с традиционными методами малоуглового рассеяния тепловых нейтронов и рентгеновского излучения, а также со спонтанным рассеянием света в крыле Рэлея. К упомяну‑тым преимуществам можно отнести следующее:• относительная простота эксперимента;• высокий, по сравнению со спонтанным рассеянием

в крыле Релея, уровень полезного сигнала; • высокий, особенно по сравнению с нейтронографией,

уровень энергетического (спектрального) разрешения;• возможность, вследствие когерентного характера

рассеяния, выделения в регистрируемом сигнале со‑ставляющих, относящихся к медленным переориента‑циям крупных молекулярных фрагментов.

Последняя возможность отсутствует в традиционных подходах к измерению фрактальной размерности.

Особый интерес вызывает возможность регистрации низкочастотных спектров растворов белков в воде, то есть в естественной для биологических молекул среде. Раство‑рение белка сопровождается проявлением избирательного свойства образовывать комплексы только с параизомером молекулы воды. Такая спин‑селективная адсорбция дает возможность исследовать свойства мембранного белка аквапорина, ответственного за пропускание молекул воды в клетку, открытие которого отмечено Нобелевской пре‑мией [33].

Прикладной аспект обнаруженных низкочастотных резонансов в воде очевиден. Отметим возможность ре‑зонансного воздействия СВЧ‑излучений и средств мобиль‑ной связи с частотой ~1,8 ГГц на биообъекты. Это следует из того, что молекулы воды и гидроксила имеют вращатель‑ные резонансы на частотах 0,072 см‑1 (2,16 ГГц) и 0,057 см‑1 (1,72 ГГц), которые близки к частотам СВЧ‑устройств.

Выводы

Таким образом, впервые с помощью спектроскопии когерентного четырехфотонного рассеяния лазерного излучения в нескольких жидкостях (CCl4, Н2О, D2O, Н2О2) в субмиллиметровом диапазоне длин волн (0–100 см‑1) об‑наружены узкие резонансы, частоты которых с точностью до ширины аппаратной функции спектрометра совпадают

Рис. 8. Общий вид установки для когерентной четырехфотонной спектроскопии низкочастотных колебаний молекул в воде


1. Eisenberg D. The Structure and Properties of Water / D. Eisenberg, W. Kauzmann. – Oxford: Oxford University Press, 1969.2. E. Walley, in: The hydrogen bond / eds. P. Schuster and G. Zudel. – Amsterdam: North‑Holland. – 1976. – Ch. 29. 3. Mazzacurati V., Benassi P. // Chem. Phys. – 1987. – V. 112. – P. 147–153. 4. De Santis A., Sampoli M., Mazzacurati V., Ricci M. // Chem. Phys. Lett. – 1987. – V. 33. – P. 381–385. 5. Brown K.G., Erfurh S.C., Small E.W., Peticolas W.L // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. – 1972. – V. 69. – Pp. 1467–1469.6. Genzel L., Keilmann F., Martin T.P., Winterling G., Yacoby Y., Fronlich H., Makinen M.W. // Biopolymers. – 1976. – V. 15. – Pp. 219–225.7. Bunkin A.F., Lyakhov G.A., Nurmatov A.A., Rezov A.V. // Phys. Rev. B. – 1995. – V.52. – 13. – Pp. 9360–9363.8. Bunkin A.F., Nurmatov A.A., Pershin S.M., Vigasin A.A. // Journal of Raman spectroscopy. – 2005. – V. 36. 2. – Pp. 145–147.9. Shen Y.R. The Principles of Nonlinear Optics. – New York: Willey, 1984.10. Ахманов С.А., Коротеев Н.И. Методы нелинейной оптики в спектроскопии рассеяния света. – М.: Наука, 1981.11. Bartolli F.J., Litovitz T.A., Chem J. // Phys. – 1972. – V. 56. – P. 413.12. O’Reilly D.E., Peterson E.M., Scheie C.E., Chem J. // Phys. – 1974. – 60. – P. 1603.13. Rothman L. et. al. // J. Quant. Spectr. Radiant. Transfer. – 2005. – V. 96. – P. 139. // www.elsevier.com/locate/jqsrt14. Oka T. // Adv. At. Mol. Phyas. – 1973. – V. 9. – P. 127.15. Tikhonov V.I., Volkov A.A. // Science. – 2002. – V. 296. – P. 2363.16. Bunkin A.F., Nurmatov A.A. // Laser Physics. 2003. – V. 13. P. 328.17. Raman Spectroscopy of Gases and Liquids / ed. A.Weber. – Berlin‑Heidelberg‑New York: Springer‑Verlag, 1979.18. Tse W.S., Lin S.J. // Chinese Journal of Physics. – 1987. – V. 56. – P. 581.19. Вукс М.Ф. Электрические и оптические свойства молекул и конденсированных сред. – Л.: Изд‑во ЛГУ, 1984.20. http://spec.jpl.nasa.gov21. Быков А.Д., Синица Л.Н., Стариков В.И. Экспериментальные и теоретические методы в спектроскопии молекул водяного пара. –

Новосибирск: Изд‑во СО РАН. – 1999. – 376 с.22. Волькенштейн М.В., Ельяшевич М.А., Степанов Б.И. Колебания молекул. – М.: ГИТТЛ, 1949. – Т. 2.23. Avila G., Tejeda G., Fernandez J., Montero S. // J. Mol. Spectr. – 2003. – V. 220. – P. 259.24. Potekhin S.A., Khusainova R.S. // Biophisical Chemistry. – 2005. – V. 118. – P. 79.25. Walrafen G.E., Chem J. // Phys. – 1966. V. 44, P.1547; Walrafen G.E. // J. Phys. Chem. – 1990. – V. 94. – P. 2237.26. O’Reilly D.E. // J. Chem. Phys. – 1973. – V. 60. – P. 1607.27. Berg M.A. // J. Chem. Phys. – 1999. – V. 110. – P. 8577.28. Gaiduk V.I., Gaiduk V.V. – J. McConnell Physica A. – 1995. – V. 222. – Pp. 46–62.29. Бецкий О.В., Девятков Н. Д., Кислов В. В. Биомедицина и радиоэлектроника. – 1998. – 4. – Т. 13. 30. Fractals in Physics / Edited by L. Pietronero and E. Tosatti. – Amsterdam: North‑Holland, 1986.31. Alexander S. //Phys. Rev. B. – 1989. – V. 40. – Pp. 7953–7965.32. Bunkin A.F., Chikishev A.Yu., Gorchakov A.P., Nurmatov A.A., Pershin S.M. // Laser Physics. – 2005. –V. 15. – P. 707.33. Murata K., Mitsuoka K., Agre P. et al. // Nature. – 2000. – V. 407. – P. 599.


с частотами вращательных переходов основного электрон‑ного и колебательного состояний соответствующих моле‑кул. При этом в спектре воды отчетливо регистрируются резонансы, относящиеся к линиям орто‑ и параизомеров основного изотопа молекулы Н2О в газовой фазе.

Резонансный вклад когерентных либраций в сигнал че‑тырехфотонного рассеяния существенно возрастает при переходе от воды к раствору белка. Механизм этого явле‑ния до конца не ясен, однако можно предположить, что наличие молекул белка в растворе приводит к нарушению исходной топологии сетки водородных связей в воде, уве‑личивая концентрацию слабо связанных молекул.

Обнаружено, что молекула белка в растворе селек‑тивно взаимодействует с парамодификацией молекулы Н2О. Данное явление дает возможность интерпретировать избирательность воздействия микроволнового излучения на биологические объекты [29] и в перспективе разрабо‑тать новый класс лазерных биотехнологий. Другая воз‑можность использования обнаруженного здесь явления состоит в создании и развитии технологий кавитационного выделения орто‑ спинизомеров молекулы воды с целью разработки новых видов лекарственных препаратов.

70

Вода обладает аномальными физико-химическими свойствами, которые к настоящему времени не имеют удовлетворительного объяснения. За последние десятилетия создано значительное количество теорий структуры воды, и многие из них удачны. Несмотря на имеющиеся противоречия, некоторые их положения могут быть приняты и сведены в общую картину. Однако пока область исследований структуры воды полна неясностей и противоречий. Современные эффективные методы исследований, позволившие разобраться в структуре таких сложных биомолекул, как ДНК и миоглобин, не дали столь положительных результатов при изучении структуры воды. Если предположить, что при обычных температурах в воде происходит постоянное динамическое изменение характера взаимодействия между молекулами, то необходимо искать новые методологические подходы исследований в этой области.

О ВОЗМОЖНОСТЯХ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ВОДЫ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ


В.В. Кобылянский

* координатор Технологической платформы «Освоение океана»

71

Мощ

ност

ь из

луче

ния,

Вт/

(Å ⋅

ma)

10-4

10-1 1 10

10-3

10-2

10-1

Длина волны, Å

Be=600 мкм

Рис. 1. Интенсивность СИ (ВЭПП-3) [2]

Синхротронное (магнитотормозное) излучение (СИ) – это электромагнитное излучение ультрарелятивистских электронов (позитронов), движущихся в магнитном поле по криволинейным траекториям, поляризованное в плос- кости орбиты заряженной частицы. Интенсивность СИ в сотни раз превышает интенсивность излучения рентге-новской трубки и, поэтому, уже с 70 –х годов прошлого века применяется для структурного анализа веществ.

СИ ультрарелятивистского электрона сосредоточено в плоскости орбиты и благодаря релятивистским эффектам является остронаправленным. В каждый момент излучение заключено в конусе с углом раствора 1/g и направлено по касательной к траектории в точке излучения (g – реля-тивистский фактор, g = E /m0 ⋅ c

2). Благодаря острой направ-ленности излучение приходит в точку наблюдения в виде короткого импульса. Эффект Доплера приводит к тому, что максимум мощности излучения приходится не на частоту обращения электрона по орбите, а смещен в область более высоких частот. Спектр излучения для ускорителя ВЭПП–3 приведен на рисунке 1.

АНОМАЛЬНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ [7, 19]


Описание техники эксперимента

Ниже приведено описание одного из экспериментов по использованию синхротронного излучения для из-учения структуры морской воды. Работа была выполнена в Институте ядерной физики СО РАН (Новосибирск); теперь это Сибирский международный центр СИ при ИЯФ СО РАН и ИАЭ им. И. В. Курчатова. Источником синхротронного излучения служил ускоритель-накопитель на встречных электрон-позитронных пучках – ВЭПП-3 с энергией 2,2 ГэВ и временем жизни пучка на орбите 30 000 с. Для проведе-ния экспериментов использовался дифрактометр 0–20°, установленный на 2-м канале ВЭПП-3 [2].

Синхротронное излучение ВЭПП-3 имеет широкий спек-тральный состав от 0,2 до 2Å. Максимум интенсивности приходится на длину волны 1,5Å. По соображениям ра-диационной безопасности, расстояние L – длина канала от ускорителя (источника СИ) до специально оборудован-ного бункера, где располагается дифрактометр (рис. 2), со-ставляет 10 метров (чем меньше длина канала, тем меньше горизонтальный размер пучка синхротронного излучения).

Угловая расходимость пучка СИ, благодаря его реляти-вистскому сжатию вблизи плоскости электронной орбиты незначительна, как в горизонтальной плоскости электрон-ной орбиты, так и вертикальной. Увеличение L нежела-тельно, поскольку плотность потока фотонов на образец снижается по квадратичной зависимости.

Спектральная ширина падающего на образец излуче-ния – ∆λ – зависит от угловой расходимости монохрома-тизированного пучка в плоскости электронной орбиты, от ограничения диапазона углов скольжения δ0°hkl (рас-ходимость дифрагирующего излучения кристаллографи-ческой плоскостью (hkl) кристалла-монохроматора при монохроматизации) и от нерегулярностей, как структуры кристалла-монохроматора (мозаичности), так и исследуе-мого образца (∆dhkl). Связь дисперсии ∆λ с угловой расходи-мостью δ0° представляется как ∆λ=λ ⋅ ctg0 ⋅ δ0°.

Угловое разрешение дифракционных отражений в го-ризонтальной (SX) и вертикальной (SZ) плоскостях, если пренебречь пространственным разрешением детектора и ограничениями дифракции по причине малости иссле-дуемых образцов, определяется спектральной шириной ∆λ [1]:

;

;где 2δx и 2δz – параметры размера источника излучения –

поперечного сечения пучка электронов в плосткостях X, Z и L – расстояние, на котором находится входная диафрагма, передающая изображение пучка, как в камере обскура. За-метим, что в горизонтальной плоскости разрешение хуже, чем в вертикальной, в силу того, что горизонтальный раз-мер пучка в 10 раз больше вертикального (вертикальный

Рис. 2. Дифрактометр: а – гониометр + столик, на ко-тором крепится исследуемый объект и трубка, отку-да выходит пучок СИ; б – трубка и столик крепления проб с электромоторами крупным планом

Большая интенсивность источников синхротронного излучения позволяет проводить спектроскопические ис-следования с экстремально высоким спектральным разре-шением при более коротких экспозициях. Использование поляризационных свойств СИ позволяет исследовать про-странственную анизотропию объектов. Дифрактометрия с использованием синхротронного излучения позволяет подойти на новом качественном уровне к решению сле-дующих проблем: регистрации дифрагированного излу-чения при больших и малых импульсах отдачи (больших и малых дифракционных углах), регистрации дифракцион-ных картин с высоким угловым разрешением и реализации метода аномального рассеяния (определение в структуре положений атомов с близкими атомными номерами) для широкого ряда элементов, благодаря непрерывному глад-кому спектру СИ в диапазоне энергий фотонов.


размер электронного сгустка в точке излучения накопите-ля – порядка 0,1 мм, что позволяет реализовать бесщелевую схему коллимации – пучок до монохроматора горизон-тальными щелями не коллимируется). Монохроматизация, ограничивая диапазон углов отражения дифрагируемого полихроматического излучения λ от 0,2Å до 2Å на меж-плоскостном расстоянии dhkl кристалла-монохроматора Si, позволяет выделить λ=1,5406Å с точностью ∆λ/λ=4⋅10-4. Для монохроматизации используется плоский кристалл.

Синхротронное излучение обладает высокой степенью поляризации в плоскости орбиты электронов. В связи с этим установка плоскости монохроматора осуществляет-ся перпендикулярно плоскости орбиты, и геометрическая схема дифракции собирается в горизонтальной плоскости, а одномерное детектирование интенсивности дифракцион- ной картины I (20°) выполняется в вертикальной плоскости.

Регистрация дифракционной картины осуществляется сцинтилляционным детектором (СРС-1) или однокоорди-натным детектором: пропорциональная камера с катодом, распределенным в виде линии задержки импульсов, с дли-ной входного окна 100 мм, разрешением детектора 0,1 мм, максимальной частотой загрузки 250 кГц. Величина ампли-туды импульса на выходе конвертора соответствует коор-динате зарегистрированного детектором кванта.

Вращение образца осуществляется шаговым двигате-лем. Один шаг двигателя соответствует повороту образца на 0°–10-3 град., при схеме регистрации дифракционной картины 0°–20° Брегга-Брентано. Геометрическая схема автоматического 0°–20° дифрактометра с монохромати-зацией как падающего, так и дифрагированного излуче-ний, представлена на рисунке 3. Для юстировки 0°–20° дифрактометра на горизонтальной оси гониометра уста-

Рис. 3. Геометрическая схема дифрактометра 0–20° Брегга-Брентано

Проба 1 Проба 2 Проба 3 Проба 4

Место/координатыОхотское море

23°00’с.ш.146°27’в.д.

Атлантический океан41°42’с.ш.49°41’в.д.

Японское море42°20’с.ш.132°46’в.д.

Черное мореФеодосийский

залив

Глубина (от поверхности)

1750 м 50 м 1 м 1 м

Соленость 34,45 о/оо 35,6 о/оо 34,5 о/оо 17,0 о/оо

Температура 2,37 °C 15 °С 20,5 °С 22 °С

Таблица 1 Характеристики анализируемых проб морской воды

Орбита накопителя

Монитор

Монохроматор 2

Ве

Образец

Диафрагмы 1, 2

Детектор

Пучок СИ

Блок первого монохроматора


навливаются монохроматор – источник излучения, после него горизонтальная щель, держатель образца (приставка ГП-1 от промышленного дифрактометра типа ДРОН), обра-зец и детектор. Сначала они устанавливаются визуально по люминесцентному экрану, затем, согласно показаниям детектора, выполняется располовинивание пучка с учетом того, что дифракция возникает над поверхностью образца. Наконец, на основании отражения dhkl от контрольного кри-сталла, убеждаются, что оно симметрично и соответствует значению положения 20°hkl, согласно nλ=2dhklsin0°hkl. Юсти-ровка выполняется аналогично юстировке промышленно-го дифрактометра.

Современные дифракционные эксперименты осуществ-ляются с использованием сложного комплекса ядерно-физической аппаратуры; автоматизированное управление экспериментом на данной станции ВЭПП–3 осуществляется с помощью специальной программы «Дифрактометр».

Экспериментальные результаты

Анализу были подвергнуты четыре образца морской воды, отобранные в разное время в различных районах Мирового океана, и, для сравнения, проба бидисциллята. Сведения о пробах, подвергнутых анализу, представлены в таблице 1.

Для размещения образцов воды в дифрактометре была разработана специальная кювета (рис. 4). Объем воды в кю-вете ~3,53 мл. Каждый образец воды измерялся трижды:

1. при комнатной температуре;2. в замороженном состоянии при температуре воды,

близкой к 0 °C. Регистрация дифракционной кар-тины осуществлялась до исчезновения рефлексов (δ-образные пики на кривых рассеяния), которые сви-детельствуют о завершении таяния льда в процессе измерения;

3. после полного восстановления водного состояния (снова при комнатной температуре) проводилась ре-гистрация третьей дифракционной картины.

На рисунках 5 и 6 приведены результаты измерений проб воды из таблицы. В целом можно отметить, что дифрак- ционные картины всех образцов, полученные для водного состояния (до замораживания и для талой воды), мало от-личаются друг от друга. Не видно существенного отличия между соленой (морской) водой и бидисциллятом. Это хорошо видно на рисунке 7 – различия в величинах углов рассеяния, на которые приходятся основные максимумы дифракционных картин, незначительны.

Основное отличие в дифракционных картинах имеет ме-сто для замороженного состояния. Прежде всего в этих рас-пределениях отсутствуют пики при углах 0°1=28° и 0°2=40°, характерные для жидких образцов при комнатной тем-пературе. В картинах присутствуют два пика, сдвинутые в сторону больших углов и выраженные с разной степенью достоверности.Рис. 4. Кювета в разобранном и собранном состоянии

в

б

а


Рис. 5. Экспериментальные дифракционные картины, полученные на образцах 2 и 4

Рис. 6. Экспериментальные дифракционные картины, полученные на образцах 1 и 3

Черное море Атлантический океан

Исходная

Исходная

ТалаяТалая

ЛедЛед200

200

200

200

200

200

0

0

0

0

0

0

0

0

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 12020 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

20°(λ=1,49Å)

20°(λ=1,49Å)

20°(λ=1,49Å)

20°(λ=1,49Å)

Инт., имп./сек.


Охотское море Японское мореИнт., имп./сек. Инт., имп./сек.

ИсходнаяИсходная

ТалаяТалая

ЛедЛед

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 12020 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

200

200

200 200

200

200

0

0 0

0


Обсуждение результатов

Наличие по крайней мере трех пиков на дифракционных картинах проб морской воды означает, что рассеяние син-хротронного излучения происходит не на одиночных мо-лекулах воды, а на некоторых молекулярных образованиях. В противном случае дифракционная картина имела бы фор-му β-спектра с максимумом, соответствующим среднему расстоянию между молекулами.

Видно, что дифракционные картины замороженной (или почти замороженной) воды соответствуют гексаго-нальной структуре льда. Это следует из сравнения поло-жения пиков на рисунках 5, 6 и рисунке 8 (кривые 5–8), а также интерференционной составляющей штрих-рент- генограмм льда [12]. По-видимому, холодная вода (около 0 °C) имеет, в основном, гексагональную структуру, которая с увеличением температуры разрушается и практически полностью исчезает при температуре максимальной плот-ности воды, переходя в структуру тетраэдров. Изменение плотности воды от 0° до 4 °C и далее хорошо согласуется с этим, так как плотность гексагональной структуры мень-ше, чем плотность воды состоящей из тетраэдров.

Рис. 7. Сравнение дифракционных картин от разных проб при одинаковой температуре

Обсуждение материалов, приведенное ниже, позволяет предположить, что в жидком состоянии при существен-но положительных температурах форма дифракционной картины может быть удовлетворительно объяснена, если минимальные молекулярные образования в воде имеют форму тетраэдра с расстоянием 2,9Å между атомами кисло-рода и ~50% этих тетраэдров связаны между собой в более значительные кластеры.

Структурная информация, получаемая различными исследователями, извлекалась, в основном, из функции радиального распределения атомов, полученной после

Рис. 8. Кривые интерференционной части дифракцион- ной картины воды (молекулярной интенсивности рассеяния): 1 – экспериментальная; 2–8 – теорети-ческие, рассчитанные для различных фрагментов, структуры гексагонального льда; 9 – штрих-рентге-нограмма гексагонального льда [12]

0

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120200

i(S)

0,4

100

002

101 10

211

011

2 203

213

205,

212

205,

106

204,

300

103

9

8

7

6

5

4

3

2

1H2O (25 °С)

0,2

0

0

0

0

0

0

0

0

-0,2

-0,4

-0,5

-0,6

-1,00 1 2 3 4 5

S, Å-16 7 8 9 10

200

200

200

0

0

0

Охотское море

Черное море

Атлантический океан

Японское море

Бидисциллят 28.5, 41.4, 66.7

28.0, 41.1, 60.3

28.5, 40.6, 62.1

27.8, 39.7, 64.3

27.7, 40.2, 63.5



Фурье-преобразования дифракционной картины, а самим дифракционным картинам не уделялось непосредственное внимание. В то же время известно, что Фурье-преобразо-вание дифракционных картин вносит ряд математических ошибок в функцию распределения атомов вследствие об-рыва дифракционной информации со стороны больших и малых углов рассеяния [14], некорректности нормировки дифракционных картин [15], неверного выбора шага интег-рирования [14] и т. п. В связи с этим, по нашему мнению, сле-дует по возможности более полно извлекать структурную информацию об изучаемом веществе непосредственно из дифракционной картины, то есть из первых принципов.

Как правило, обсуждение полученных результатов при изучении структуры воды выполняется путем сравнения экспериментальных данных по радиальному распределе-нию с теоретическими результатами, полученными путем моделирования.

В частности, в работах [15, 16, 17] реализованы рас-четы дифракционных картин по конкретной модели пространственного строения. Дифракционные картины рассчитываются для случая независимо дифрагирующих друг от друга структурных единиц, другими словами, мо-лекулярных образований, состоящих из N атомов. Такие образования могут быть различны как по величине, так и по форме. Возможно сравнение рассчитанных дифрак-ционных картин от наночастиц, отличающихся по коли-честву атомов в них, с целью установления изменения дифракционной картины с увеличением или уменьше-нием размеров частицы. Координаты атомов поли и нанокристаллов льда различной протяженности в про-странстве рассчитывались на компьютере [5] трансляцией элементарной ячейки в 3-мерном пространстве, согласно известным для поликристаллического состояния параме-трам элементарных ячеек [12], координатам атомов в них, а также пространственным группам симметрии [11].

На рисунке 8 сопоставлена интерференционная часть дифракционных картин, полученных в результате расчета для выделенных фрагментов – тетраэдров (кривые 2–4), гексагонов (5–8) и штрих-рентгенограммы гексагональ-ного льда (9) с экспериментальной кривой интенсивности для жидкой воды. Первый максимум (головное отражение воды) на теоретических кривых по месторасположению не совпадает с максимумом на экспериментальной кривой, а находится в малоугловой области рассеяния. Второй мак-симум (плечо на головном максимуме со стороны больших дифракционных углов) сдвинут в область больших углов и более интенсивен по сравнению со вторым максимумом воды. Последующие максимумы также не имели должного соответствия с экспериментальной дифракционной кар-тиной воды. В то же время теоретические кривые интен-сивности для молекулярных образований, построенных на основе структуры гексагонального льда, хорошо согла-суются со штрих-рентгенограммой последующего (рис. 8, кривая 9). При этом чем больших размеров берется нано-

Рис. 9. Дифракционные составляющие картины вод: 1 – экспериметальная; 2 – рассчитанная внутри-молекулярная составляющая; 3 – выделенная из эксперимента межмолекулярная составляющая; 4 – рассчитанная по модели твердых сфер в приближении Поркуса-Йевика [16, 17] межмолекулярная составля-ющая; 5 – суммарные теоретические, рассчитанные при различной ориентации тетраэдров

кристалл, тем отчетливее проявляются детали дифракцион-ной картины гексагонального льда (лед Ih).

Обращает на себя внимание тот факт, что эксперимен-тальная одномерная дифракционная картина жидкой воды имеет «синусоидальный» характер, начиная с s≈2,5Å-1.

0 1 2 3 4 5S, Å-1

6 7 8 9 10

– а– б– в

0

0

0

0

0

-0,2

-0,4

-0,5

-0,6

-1,0

5

1

2

3

4

0,4

0,6

0,8

i (s)

0,2


Экспериментальная кривая интенсивности для жидкой воды является сложной функцией, и разбиение ее на со-ставляющие – при s≤2,5Å-1 и при s>2,5Å-1– представляет задачу, которая пока удовлетворительно не решена.

Структурные исследования нанокристаллических веществ дифракционными методами показывают, что в дифракционной картине первое, самое сильное по ин-тенсивности, отражение несет информацию о расстоя-нии между ближайшими молекулярными образованиями (s≤2,5Å-1), а площадь указанного пика – за число рассеи-вающих центров, окружающих образование, выбранное центральным. Следующие дифракционные пики, затухаю-щие по интенсивности, ответственны за пространственное расположение молекул воды в упомянутом молекулярном образовании (s≥2,5Å-1). Как видно из рисунка 9, внутримо-лекулярная составляющая экспериментальной дифракции (кривая 2) хорошо описывается интерференционной ча-стью дифракционной картины молекулярного образова-ния, состоящего из четырех расположенных по тетраэдру молекул воды с расстояниями 2,9Å между атомами кисло-рода. Заметим, что если бы молекулярный кластер пред-ставлял собой тетраэдр гексагонального льда, состоящий из пяти молекул воды, отражения внутримолекулярной дифракции на больших углах рассеяния рассчитанной диф-ракционной картины должны были бы иметь сложный ха-рактер и отличаться от экспериментальных.

Основанием для представления молекулярного образо-вания воды тетраэдром с ребрами 2,9Å служили известные представления о химической водородной связи H-O: H [18]. При переходе льда в состояние жидкой воды меньшая часть таких химических связей разрушается, но большая – искажается. Искажение основано на свойствах водородных связей, их способности как образовывать «вилочковые» во-дородные связи, так и искажаться.

Химическая связь образуется двумя зарядами: один

от донора H, другой – от акцептора O. Линейность связи, например в случае O1-H: O2, нарушается как по линии от од-ной молекулы воды O1 к другой O2 до 20–30°, так и в случае связи H1-O: H2 от одной молекулы до другой до 90°. Заме-тим, что присутствие H между O не влияет на длину свя-зей между O, связанными водородными связями, то есть r (O-H: O) = r (O-O), поскольку известно, что водородные ядра не влияют на величины теплоты и температур кипения в случаях H2O и D2O, которые близки.

В работах [16,17] было показано, что экспериментальная дифракционная картина для воды удовлетворительно сов-падает с теоретической, если молекулярные образования в воде имеют форму тетрамеров, составленных из распо-ложенных по тетраэдру четырех молекул воды. При этом диаметр тетрамерного образования составляет 3,56Å, эффективная плотность 0,017 обр/Å3. Значение диаметра 3,56Å соответствует диаметру сферы, описывающей тетра-мерное образование с расстояниями 2,9Å между атомами кислорода.

В заключение следует обратить внимание на методиче-ские оплошности, допущенные при постановке обсуждае-мого эксперимента:

а) образцы воды необходимо было замораживать есте-ственным образом (не в жидком азоте);

б) измерения должны были быть направлены на реги-страцию динамической картины, то есть фиксацию из-менений в образце со временем, особенно в области температур от 0 °С до 5 °С;

в) необходимо добиться лучшей статистики измерений, чтобы уверенно фиксировать изменение в высоте пи-ков и расстоянии между ними;

г) необходимо фиксировать изменение температуры образца в процессе измерений;

д) кроме этого очевидно, что далеко не в полной мере использованы возможности моделирования.


1. Дифрактометрия с использованием синхротронного излучения / Под ред. Кулипанова Г.Н., Рецензенты Ю.Т. Павлюхин, Г.С. Юрьев. – Новосибирск: Издательство «Наука», СО РАН, 1989. – 144 с.

2. Отчет Сибирского Международного центра СИ за 1991-1992 гг. / Науч. Ред. Мезенцев Н.А. – Новосибирск: Издательство ИЯФ СО РАН, 1993. – 308 с.

3. Юрьев Г.С., Косов А.В. и др. Структурный анализ веществ с использованием синхротронного излучения / Международный семи-нар «Проблемы моделирования и развития технологии получения керамики», Бишкек, 1-4 сентября 2005 года. – Кыргизско-Рос-сийский Славянский университет. – С. 77-89.

4. James R.W. The Optical Principles of the Diffraction of X-ray, Bell, London, 1950. В переводе: Оптические принципы дифракции рентге-новских лучей. – М.: Иностранная литература, 1950. – 572 с.

5. Юрьев Г.С., Пирогов Б.Я., Маренкин С.Ф. и др. Структурный анализ поликирсталлических наноматериалов с использованием син-хротронного излучения / Материалы Международной научно-технической конференции «Межфазная релаксация в полиматери-алах». – Полиматериалы. – М.: МГИРЭиА, 2003. – С. 229-229.

6. Зацепина Г.Н. Физические свойства и структура воды. - М.: МГУ, 1998.7. Hofacker L., Z. Electrochemistry, 61,1048, 1957.8. Фок М.В. Краткие сообщения по физике. – ФИАН, 2002. - 3. – 28 с. 9. Самойлов О.Я. Структура водных растворов и гидратация ионов. – М.: АН СССР, 1957.10. Самойлов О.Я. Координационное число в структуре некоторых жидкостей // Журн. Физ. Хим. – 1946. - 20. – С. 1411-1414.11. Narten A.H., Danford M.D., Levy H.A. X-ray diffraction study of liquid water in the temperature range 4-200°C. // Disc. Faraday Soc. – 1967. –

43. – P. 97-107.12. Американская картотека дифракционных отражений веществ – JCPDS-DIA.13. Shallcross F.V., Carpentor G.B. X-ray Diffraction study of the Cibi-Phase of ice // J.Chem. Phys. – 1957. – V.26. - 4. – P. 782-784.14. Юрьев Г.С., Брусенцев Ф.А. О влиянии некоторых ошибок эексеримента на кривую радиального распределения атомов // Журн.

Структ. Хим. – 1968. – Т.9. - 2. – С. 336-338.15. Воробьев Ю.Н., Юрьев Г.С., Яхин В.С. и др. Методики исследования жидкости. I. Метод согласованной нормировки дифракционной

интенсивности. – Деп. ВНИТИ 2328-74. – С. 36.16. Воробьев Ю.Н., Юрьев Г.С., Яхин В.С. Методики исследования жидкостей. II. Асимптотическая форма структурного фактора при

больших импульсах отдачи и расчет функции радиального распределения. – Деп. ВИНИТИ 2329-74. – С. 43.17. Thiele E. Equation of state for hard spheres // J. Chem. Phys. – 1963. – V.39. - 2. – P. 475-479.18. Хорн. Р. Морская химия. – М.: Мир, 1972.19. Sverdrup H.U., Johnson M.W., Fleming R.H. The Oceans, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J., 1942.


80

Интерес к исследованиям ионосферных возмущений обусловлен их влиянием на устойчивость работы коммуникационных и навигационных систем. Ионосферные возмущения возникают как в периоды повышения солнечной активности, так и во время интенсивных метеорологических процессов. Атмосфера в целом является динамической системой, в которой вариации ионосферных параметров не могут быть объяснены без учета влияния нижележащих слоев атмосферы. Предполагается, что такие атмосферные явления, как циклоны, могут оказывать заметное влияние на состояние ионосферы.

ФГБУН Институт космофизических исследований и распространения

радиоволн ДВО РАН*,Камчатский край

В.В. Богданов, А.В. Кайсин, А.Л. Полюхова

ОАО «Российские космические системы»,

Москва

А.А. Романов

*участник технологической платформы «Освоение океана»

ВЛИЯНИЕ ЦИКЛОНОВНАД КАМЧАТКОЙНА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВВ ИОНОСФЕРЕ

81

Опубликован ряд статей, посвященных изучению воз‑можного влияния тропических циклонов на разные слои ионосферы (см., например, [1]). В названной публика‑ции было показано, что на расстоянии порядка 3000 км от центра циклона концентрация электронов в ионосфе‑ре падает. Цель нашего исследования – поиск влияния зимних циклонов на параметры ионосферы на основе данных, которые получены методом томографического зондирования средствами недавно созданной цепи то‑мографических станций, расположенных на полуострове Камчатка. Важной особенностью эксперимента, в отличие от [1], является расположение станций непосредственно в районе действия циклонов.

Наблюдение за состоянием ионосферы велось средствами автоматического зондирования с ис-пользованием низкоорбитальных навигационных космических аппаратов в условиях пониженной сейсмичности.

Рис. 1. Схема расположения станций приема и распро-странения зондирующего сигнала

Приемные станции были расположены в меридиональ‑ном направлении полуострова Камчатка в селах Пара‑тунка, Мильково и Эссо. Показано, что при прохождении ночных циклонов 18 января, 3 и 17 февраля 2013 года над Камчаткой, в области над их эпицентрами происходило синхронное повышение электронной концентрации по сравнению с ближайшими днями без циклонов. С ростом широты, то есть по мере удаления от центра циклона, концентрация электронов в сравнении со спокойными днями уменьшалась. Работа выполнена в рамках целевой программы ДВО РАН «Спутниковый мониторинг Дальнего Востока для проведения фундаментальных научных ис‑следований ДВО РАН» и проекта по Программе Президиу‑ма РАН 12–1‑P22–01.

Результаты радиотомографического зондирования ионосферы

Радиотомографическое зондирование ионосферы (F‑слоя атмосферы) проводилось над территорией полу‑острова Камчатка с помощью лучевой радиотомографии. Задачи лучевой радиотомографии решались на практике с помощью искусственного спутника Земли и несколь‑ких приемников, которые располагались в плоскости пролета спутника. В качестве источников когерентного сигнала использовались низкоорбитальные навигацион‑ные спутники типа «Космос», что позволяет восстановить вертикальное распределение электронной концентрации вдоль трассы пролета спутника с хорошим разрешением: 25 км по высоте и 50 км по ширине. Наземные приемни‑ки сигналов, как уже сказано выше, расположены в селах Паратунка, Мильково, Эссо (рис. 1) в субмеридиональном направлении (158,33° в. д.), что обусловлено углом накло‑нения орбиты спутников (83°). Приемные станции работа‑ли в автоматическом режиме.

Томографическая реконструкция представляет собой обратную задачу. По данным о полном электронном со‑держании вдоль пути распространения сигнала «прием‑ник‑спутник» необходимо было восстановить функцию пространственных переменных в узлах заданной сет‑ки [2, 3]. При этом интегральной характеристикой при зондировании ионосферы являлась полная фаза радио‑сигнала, пропорциональная полному электронному содер‑жанию вдоль распространения сигнала. Из‑за сложностей с определением начальной фазы был выбран метод фазо‑разностной томографии, основанный на использовании производной фазы, который является более чувствитель‑ным к относительно малым неоднородностям концентра‑ции электронов, вносящих незначительный вклад в фазу и значительный – в ее производную. Далее по набору изме‑нений интегральной характеристики была сформирована и решена система алгебраических уравнений.

Для исследования отобраны циклоны, прошедшие над Камчаткой за период с января по февраль 2013 года (см. та‑блицу 1) в условиях спокойной и умеренно спокойной магнитной обстановки (K≤17). В период их прохождения в камчатском регионе отсутствовали сильные землетрясе‑ния. Это дает возможность надеяться, что если существуют эффекты влияния циклонов на ионосферу, то это влияние не будет замаскировано ионосферными возмущениями другой природы. В левой половине таблицы 1 приведены дата прохождения циклона, время пролета спутника, сум‑марный на эту дату трехчасовой индекс магнитной актив‑ности (Kp) по магнитной станции «Паратунка». Во второй половине таблицы представлена информация ближайшего дня без циклона, с которым сравнивалось распределение электронов. Время пролета спутника в опорный день выби‑ралось по возможности максимально близким ко времени пролета в день циклона.


а)

б)

с)

Рис. 3. Разрез распределения плотности электронов в ионосфере для циклона за 18.01.2013 г. в 16:00 UT (04:00 LT) (зеленая линия) для трех широт в сравне-нии с опорным днем 12.01.2013 г. (черная линия)

Таблица 1

День с циклоном День без циклона

ДатаВремя пролета

спутника, UTСуммарный Kp‑

индексДата

Время пролета спутника, UT

Суммарный Kp‑индекс

18.01.2013 16:00 16 12.01.2013 16:20 2

03.02.2013 18:09 7 31.01.2013 18:32 1

17.02.2013 12:33 17 12.02.2013 13:07 9

Рис. 2. Циклон 18.01.2013 г. а) Ветер восточного направления достигал 30 м/с на высоте 5 км. Эпицентр циклона располагался в южной части полуострова на ~ 48° с.ш. b) Наблюдается турбулизация ионосферной плазмы с ярко выраженным плазменным образованием в ин-тервале 48°–49° с.ш. и высот 290–330 км с ростом широты

а)

б)


Таблица 2

Пролет спутника

Максимальное значение концентрации электронов ионосферы, el/m3 (×1011)

Широта

48,01° с. ш. 52,96° с. ш. 61,52° с. ш.

12.01.2013; 16:20 UT 1,0287 0,9313 1,0287

18.01.2013; 16:00 UT 2,9366 1,2030 0,1486

а)

б)

с)


На рисунках 2, 4, 6 представлены синоптические кар‑ты соответствующих циклонов (рис. 2а, 4а, 6а) и цвето‑вые томограммы субмеридионального распределения электронов по высоте (рис. 2b, 4b, 6b). На рисунках 2а, 4а, 6а принятые обозначения: черная сплошная линия – изо‑бара, числом рядом с линией обозначается значение ат‑мосферного давления в гПа; красная линия – теплый фронт; синяя – холодный фронт; розовая линия – фронт окклюзии

Рис. 4. Циклон 03.02.2013 г.а) Ветер юго-восточного направления достигал 30 м/с на высоте 5 км. Эпицентр циклона располагал-ся в южной части полуострова на ~ 52° с.ш. b) В ионосфере наблюдается турбулизация плазмы и сформировавшееся протяженное ярко выраженное плазменное образование с повышенной концентра-цией электронов в интервале широт 49°–52° с.ш. и высот 290–320 км

б)

а)


Выводы

Проведенный анализ развития циклонов показал, что:• Общим для рассмотренных циклонов является тур‑

булизация ионосферы и превышение концентрации электронов или почти равенство (03.02.2013; 18:09 UT) по сравнению с опорными днями вблизи центра ци‑клона.

• Наибольшая турбулизация ионосферы и повышение концентрации электронов происходит непосредст‑венно над областью расположения центра циклона, что характеризуется резкими градиентами в распре‑делении электронов.

• Изменение концентрации электронов ионосферы может быть объяснено переносом механического им‑пульса нижележащих слоев ионосферы и нейтральной атмосферы [4] на высоты F‑слоя и влиянием акустико‑гравитационных волн, генерируемых циклоном.

• Необходимо проводить дальнейшие исследования влияния циклона на ионосферу для набора статистики и построения соответствующих физических моделей, с целью выяснения механизма передачи импульса вих‑ревого движения циклона на ионосферные высоты.

Таблица 3



Широта

48,01° с. ш. 52,96° с. ш. 61,52° с. ш.

31.01.2013; 18:32 UT 1,3700 1,4290 0,4803

03.02.2013; 18:09 UT 1,2308 1,0143 0,1400

Рис. 6. Циклон 17.02.2013 г.а) Ветер юго-восточного, потом восточного направ-ления достигал 30 м/с на высоте 5 км. Эпицентр ци-клона располагался в Тихом океане с координатами: широта ~ 48° с. ш., долгота ~162° в. д.b) В ионосфере 17.02.2013 г. в 12:33 UT наблюдает-ся турбулизация плазмы и сформировавшееся про-тяженное ярко выраженное плазменное образование в интервале широт 49°–52° с. ш. и высот 290–320 км

б)

а)

(образующийся при смыкании холодного и теплого фрон‑тов). На томограммах по оси абсцисс отложена широта в градусах и обозначены станции приема спутниковой информации по оси ординат высота в км. Справа от томог‑раммы приведена цветовая шкала распределения концен‑трации электронов. Томограммы снимаются в интервале 48,01°–61,52 ° с. ш. Для рассматриваемого циклона и соот‑ветствующего опорного дня на рисунках 3, 5, 7 представ‑лен разрез распределения плотности электронов для трех широт 48,01° с. ш., 52,96° с. ш. и 61,52° с. ш. В таблицах 2, 3, 4 приведены максимальные значения концентрации элек‑тронов для трех выбранных широт.


1. Ванина‑Дарт Л.Б., Романов А.А., Шарков Е.А. Влияние тропического циклона на верхнюю ионосферу по данным томографического зондирования над о‑вом Сахалин в ноябре 2007 г. // Геомагнетизм и аэрономия. – 2011. – Т. 51. – 6. – С. 790–798.

2. Андреева Е.С., Куницын В.Е., Терещенко Е.Д. Фазоразностная томография ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. – 1992. – Т. 32. – 1. – С. 104–110.

3. Романов А.А., Романов А.А, Трусов С.В., Урличич Ю.М. Современные подходы к созданию автоматизированной системы регистра‑ции ионосферных предвестников землетрясений по спутниковым данным // Космонавтика и ракетостроение. – 2006. – 1. – С. 167–172.

4. Данилов А.Д., Казимировский Э.С. и др. Метеорологические эффекты в ионосфере. – Л.: Гидрометеоиздат, 1987.


а)

б)

с)


Таблица 4



Широта

48,01° с. ш. 52,96° с. ш. 61,52° с. ш.

12.02.2013; 13:07 UT 1,3930 1,2171 0,8099

17.02.2013; 12:33 UT 1,9534 1,7840 0,4352

86

Декаметровая радиосвязь в высоких широтах подвержена воздействию дестаби-лизирующих факторов, обусловленных динамическими процессами в ионосфере. Повысить надежность таких телекоммуникационных систем можно путем использо-вания волн вращающейся поляризации.

Институт космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО* Камчатский край

В.П. Сивоконь

*участник Технологической платформы «Освоение океана»

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АНТЕНН ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ

МОРСКАЯ СВЯЗЬНА СЕВЕРО-ВОСТОКЕ РФ

87

Поляризация электромагнитной волны в декаметро-вом диапазоне играет существенную роль в целом ряде эффектов. Такими, к примеру, являются поляризационные замирания, нарушение принципа взаимности, селективное возбуждение характеристических волн в ионосфере и др. В нашей стране исследованию поляризационных харак-теристик этого диапазона длин волн посвящены работы Афраймовича Э. Л. [1, 2], Березина Ю. В. [3–8], Чёрнова Ю. А. [9], Шередько Е. Ю. [10]. Результаты выполненных исследо-ваний имеют прикладное значение. С помощью поляри-зационной селекции можно осуществлять локализацию источников электромагнитного излучения [11]. Использо-вание передающих антенн вращающейся поляризации по-вышает помехоустойчивость декаметрового канала связи [12] и качество коротковолнового радиовещания [13].

Изложенные в работах [15–17] результаты позволяют по-новому подойти к созданию зоновых систем коротковолно-вой связи, представленных в [18]. Одной из существенных проблем при реализации подобных проектов является раз-работка и изготовление антенных устройств с необходимы-ми поляризационными характеристиками.

Поле вращающейся поляризации можно получить, ис-пользуя два взаимоортогональных вибратора, запитывае-мых со сдвигом фаз π/2. Но подобная антенна вращающейся поляризации обладает двумя существенными недостатка-ми. Для получения необходимого фазового сдвига в каче-стве линии задержки, как правило, используется отрезок линии λ/4, следовательно, система является узкополосной. Кроме того, поле круговой поляризации можно получить в узком телесном угле, только в направлении перпенди-кулярном к осям вибраторов. Такую антенну использовали при проведении экспериментов по использованию волн вращающейся поляризации в декаметровом диапазоне на трассе Магадан – Петропавловск-Камчатский. При этом плечи вибраторов располагаются относительно подстила-ющей поверхности под углом 45°, что обеспечивает одина-ковые коэффициенты отражения для обоих вибраторов.

Для получения необходимых поляризационных характе-ристик можно использовать радиопередающее устройство, формирующее два независимых регулируемых по амплиту-де и фазе канала, подключаемых к взаимоортогональным вибраторам.

Такая схема была реализована при исследованиях се-лективного поляризационного возбуждения характеристи-ческих волн в ионосфере [19]. Подобный подход требует специализированного передающего устройства, что с эко-номической точки зрения при проведении НИР возмож-

В Сибири и на Дальнем Востоке, занимающих большие территории с малой плотностью на-селения, довольно актуален вопрос радиовеща-ния. С января 2014 года решением правительства России радиовещание в этих районах прекраще-но как нерентабельное. Заметим что, напри-мер, в США, как и в других странах мира, вещание не прекращается. В декаметровом диапазоне большие надежды возлагались на внедрение стан-дарта DRM, которые в нашей стране не оправ-дались. Недорогое и качественное радиовещание можно организовать с использованием техно-логий, разработанных в МГУ Березиным Ю. В. [13] с применением передающих антенн [10, 14].

Впервые в диапазоне декаметровых волн в каче-стве передающей антенны использована плоская спираль специальной конфигурации.

но и обоснованно, но проблематично при практическом использовании в радиосвязи и радиовещании. Вероятно, неслучайно, в рамках этой же НИР была предпринята по-пытка реализации антенного устройства вращающейся по-ляризации на основе линейного диполя, размещенного над полупроводящей подстилающей поверхностью [20]. В этом случае, располагая специальным образом вибратор относи-тельно подстилающей поверхности, можно получить эллип-тическую поляризацию волны в некотором телесном угле. Но поскольку эффект получается за счет азимутального отво-рота вибратора от главного направления, то энергетически способ не эффективен. Более того, при изменении диэлек-трических свойств подстилающей поверхности, к примеру, при выпадении осадков, поляризационные характеристики излучаемой волны меняются непредсказуемо.

В диапазоне ультракоротких волн для получения вра-щающейся поляризации поля широко используются спиральные антенны, которые можно условно разделить на три группы:• цилиндрические;• конические;• плоские.

Для формирования осевого излучения диаметр ци-линдрической спирали должен находиться [21] в пре-делах 0,25–0,45λ, что для частоты 3 МГц равносильно 25–45 метрам. Чтобы излучаемое цилиндрической спиралью поле обладало круговой поляризацией [22], ее шаг, то есть расстояние между соседними витками, должен быть равен 0,22λ, или 22 метрам. Если учесть, что для получения режима бегущей волны количество витков спирали должно быть более трех, то ее размер по горизонтали будет составлять как минимум 66 ме-тров. Понятно, что реализация подобной конструкции экономически не целесообразна. Близкий по линейным размерам результат получится и при использовании ко-нических спиралей.


Плоские спирали, имеющие небольшие предельно-габа-ритные размеры, в настоящее время применяются в невы-ступающих конструкциях (летательные аппараты), а также в качестве самостоятельных антенн, облучателей зеркаль-ных и линзовых антенн, возбудителей волноводно-рупор-ных антенн. В основном плоские спирали используются в диапазоне частот 0,2…18 ГГц.

Получили распространение логарифмические и архиме-довы спирали, а также их комбинации. Первые имеют пере-менный шаг, а вторые – фиксированный. Логарифмическая спираль по диапазонным свойствам приближается к взаимно дополняющим структурам. Однако она имеет сравнительно большие размеры, необходимые для стабилизации параме-тров в широком диапазоне частот. Архимедова спираль, при условии что ее витки выполняются в виде прямолинейных отрезков, значительно проще по технологии изготовления.

При определении конструктивных размеров антенны использовались выражения, полученные в [23]. Макси-мальный радиус спирали определим исходя из получения приемлемого коэффициента поляризации на самой длин-ной волне рабочего диапазона. В соответствии с [23], для получения коэффициента поляризации р ≥ 0,8 должно вы-полняться условие:

,

где aмакс – максимальный радиус спирали. Для частоты 3 МГц λмакс = 100 метров. Тогда

= 23,9… 55,7 метра.

При практической реализации исходили из максималь-ного радиуса спирали в 25 метров. Минимальный радиус спирали определим, исходя из условия отсутствия раз-двоения диаграммы направленности, для чего должно выполняться условие:

, тогда

амин ≥ λмин/2π = 12,5/2π = 1,99 метра;Количество витков спирали определим исходя из шири-

ны спиральных ветвей и зазора между ними:

где S – ширина спиральной ветви;Z – зазор между ветвями спирали.Для выбранных нами параметров спирали значение N =

7,7 скорректируем до целой величины 8.Для расчета диаграмм направленности использовалась

приведенная в [24] формула:

90

0.8

0.2

60

30

330

300240

210

180

150

120

270

0

0.4

0.6

3 Мгц6 Мгц12 Мгц

90

0.8

0.2

60

30

180

150

120

0

0.4

0.6

где n – номер гармоники или моды, в нашем случае n=1; R0 – радиус спирали; Jn – функция Бесселя; а – параметр на-мотки спирали, который в случае плотной намотки меньше единицы. Диаграмма направленности симметрична в обеих плоскостях. Расчетная диаграмма направленности в гори-зонтальной плоскости для выбранных параметров спирали показана на рисунке 1. В отличие от антенн линейной поля-ризации, для антенн вращающейся поляризации диаграм-му направленности в вертикальной плоскости необходимо строить для обеих компонент поля, вертикальной и гори-зонтальной. Результаты расчетов соответственно показаны на рисунках 2 и 3. Влияние подстилающей поверхности сказы-вается не только на диаграмме направленности в вертикаль-ной плоскости, но и на поляризационных характеристиках излучаемого поля. Расчетные зависимости коэффициента поляризации на трех частотах показаны на рисунке 4.

Рис. 1. Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости

Рис. 2. Диаграмма направленности в вертикальной пло-скости для вертикальной поляризации излучаемой волны

,



Коэф

фиц

иент

пол

яриз

ации

0.8

0.6

0.4

0.2

10 20 30 40 50 60 70 80 90Угол подъема в градусах

0

ε=6σ=8х10-3


90

60

30

180

150

120

0

0.2

0.4

0.6

0.8

При выборе топологии витков спирали остановились на варианте прямолинейных отрезков, поскольку он тех-нологичный и позволяет проще решить вопрос согласо-вания антенны с фидерной линией. В диапазоне коротких волн передающие фидеры выполняются, как правило, четы-рехпроводными. Известно [23], что входное сопротивление спиральной антенны при количестве витков более трех чисто активное. Что касается его величины, то здесь можно найти самые разнообразные оценки. К примеру, в [21] приводится формула Rвх=140 · l/λ, где l длина витка спирали. В работе [23] показано, что для цилиндрической спирали с рефлектором входное сопротивление определяется параметрами полоско-вой линии, образуемой первым витком и рефлектором. Если предположить, что спираль выполняется из прямоугольных отрезков, аналогичных фидерной линии, то это равносиль-но разворачиванию фидера в перпендикулярной плоскости (рис. 5). При разворачивании питающая линия трансформи-руется таким образом, что волновое сопротивление перво-начально определяется в точке 1–1/, затем в точке 2–2/. При дальнейшем перемещении по спирали оно остается постоян-ным. При выборе расстояния между точками 1–1/ учитывались требования к минимальному радиусу спирали, исходя из ус-ловия максимально используемой частоты и согласования ан-тенны. Расстояние между разнополярными витками спирали после точки 2–2/ выбрали равным 0,25 метра, исходя из раз-мера имеющихся в распоряжении изоляторов СБ-0120 к.

1/

2/

2

1

Рис. 6. Изготовление полотна антенны

Рис. 5. Конфигурация первого витка спирали

Рис. 4. Коэффициент поляризации в вертикальной плоскости

Рис. 3. Диаграммы направленности в вертикальной плоскости для горизонтальной поляризации излучае-мой волны

Для установки по диагоналям спирали между разнополяр-ными витками по размерам подходят изоляторы АС-750–200. Расчеты показали, что при таких параметрах перехода от че-тырехпроводного фидера к антенне величина коэффициента бегущей волны на средней частоте составляет 0,8.

Выбор направления навивки спирали зависит от ориента-ции трассы. Исследования на трассе Магадан – Петропав- ловск-Камчатский [16] показали, что в условиях средне-возмущенного магнитного поля Земли для трасс с квази-продольным распространением на восходящем участке траектории минимальные замирания и, следовательно, максимальная помехоустойчивость, соответствуют макси-мальному значению коэффициента поляризации излучае-мой волны [15]. При этом меньшие замирания наблюдаются в случае совпадения направления вращения вектора элек-трического поля излучаемой волны с обыкновенной волной.

При изготовлении антенного устройства необходима ровная земляная или иная площадка размером 25х25 метров. Разме-чаются оси спирали, и на них отмечается положение витков. В размеченных точках вбиваются металлические стержни с проушинами для промежуточного крепления биметалличе-ского провода. Затем в центре квадрата устанавливается по-воротное устройство, на которое помещается бухта провода.


Рис. 10. Азимутальное распределение сеансов связи

Рис. 11. Геомагнитная обстановка в сеансах связи

Рис. 8. Результаты измерения коэффициента бегущей волны

Рис. 9. Удаление корреспондентов в сеансах связи

Конец провода закрепляется на проушине металлического стержня в крайней точке спирали, и провод при помощи по-воротного устройства, укладывается в промежуточных точках до выхода его в центр квадрата. Таким образом, укладываются четыре провода. Затем устанавливаются изоляторы (рис. 6). После чего антенна крепится к несущему тросу и поднимается на нужную высоту. Внешний вид антенного устройства показан на рисунке 7.

До подключения к фидеру проводится измерение сопро-тивления изоляции антенны. После подключения снижения к питающему фидеру с помощью передатчика «ВЯЗ-М2» про-верена работоспособность антенны и проведены измерения коэффициента бегущей волны с помощью измерителя раз-ности потенциалов из комплекта индикаторов настройки ан-тенн. Результаты измерений приведены на рисунке 8.

Антенное устройство в 2004–2005 годах использовалось в системе действующей связи флота, для которой характерна динамичность: связь с кораблями осуществляется на различ-ных расстояниях и направлениях. Проведено около тысячи сеансов связи, данные по которым представлены на рисун-ках 9 и 10. На рисунке 9 показано удаление корреспондентов при проведении сеансов связи. Как видим, успешная связь осуществлялась в пределах от нескольких десятков до тысяч километров. Поскольку корреспонденты флота постоянно пе-ремещаются, то азимутальное распределение выглядит, как показано на рисунке 10. Антенное устройство обеспечивает связь в широком диапазоне азимутальных углов. Для флота характерно обеспечение связи в радиосетях, что повлияло

Использование антенн вращающейся поляризации позволяет повысить помехоустойчивость и про-пускную способность декаметрового канала связи.

В качестве опорных сооружений для подвеса спира-ли можно использовать штатные башни антенн с апериодическими рефлекторами.

Рис. 7. Схема подвеса антенны


1. Афраймович Э.Л. Интерференционные методы зондирования ионосферы. – М.: Наука, 1983. – 197 с.2. Афраймович Э.Л., Кобзарь В.А., Паламарчук К.С., Чернухов В.В. Определение параметров поляризационного эллипса многомодо-

вого сигнала // Изв.ВУЗов, сер. радиофизика. – 1999. – Т. XLII. – 4. – С. 324–329.3. Березин Ю.В., Гусев В.Д. Выделение одной магнитоионной компоненты с эллиптической поляризацией при приеме отраженных от

ионосферы радиоволн // Геомагнетизм и аэрономия. – 1970. – 1. – С. 59 – 66.4. Березин Ю.В. Флуктуации поляризации радиоволн, отраженных от ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. – 1970. – 6. – С. 1003–1008. 5. Березин Ю.В., Гусев В.Д., Смирнов В.И. Экспериментальные ис-следования подавления одной магнитоионной компоненты при

отражении от слоя F2 // Геомагнетизм и аэрономия. – 1971. – 2. – С. 258 – 261.6. Березин Ю.В., Крашенинников И.В. Модель частично рассеянного поля с полностью смещенным спектром // Геомагнетизм и аэ-

рономия. – 1979. – 4. – С. 641–645.7. Березин Ю.В., Вылегжанин И.С. Декаметровые ионосферные линии радиосвязи с высокой пропускной способностью // Радиотех-

ника. –2005. – 1. – С. 6–12.8. Березин Ю.В., Вылегжанин И.С. Зоны помехоустойчивого приема сигнала при селективном возбуждении электромагнитных волн

в ионосфере // Радиотехника. –2005. – 1. – С.13–18.9. Чернов Ю.А. Эллиптическая поляризация волн на КВ трассах. –М: Труды НИИР,2002. – С. 87–90.10. Шередько Е.Ю. Турникетная антенна зенитного излучения. // Электросвязь. – 1980. – 2. – С. 35–39.11. Сивоконь В.П. Патент РФ на изобретение 2408895 «Способ локализации источников электромагнитного излучения декаметро-

вого диапазона».12. Сивоконь В.П. Патент РФ на изобретение 2297643 «Способ формирования декаметрового ионосферного радиоканала высокой

помехоустойчивости».13. Березин Ю.В., Балинов В.В., Рыжов Д.Е. Патент РФ на изобретение 2002276 «Способ возбуждения характеристических электро-

магнитных волн в ионосфере». 14. Айзенберг Г.З., Белоусов С.П., Журбенко Э.М., Клигер Г.А., Курашов А.Г. Коротковолновые антенны. – М.: Радио и связь, 1985. – 536 с.15. Сивоконь В.П., Дружин Г.И., Поддельский И.Н., Поддельский А.И., Аллакулиев Ю.Б., Тарасенко Д.В., Цуканов А.В., Шумилов Ю.С. Ап-

паратурный комплекс для исследования волн вращающейся поляризации в КВ-диапазоне // Электросвязь. – 2004 – 8. – С. 9–11. 16. Сивоконь В.П., Дружин Г.И. Оценка замираний при излучении волн вращающейся поляризации в КВ диапазоне // Электросвязь,

2005. - 10. – С. 39–41.17. Сивоконь В.П Поляризация коротких волн в ионосферном канале связи // Электросвязь. – 2007. – 7. – С. 55–58.18. Головин О.В. Декаметровая радиосвязь. – М.: Радио и связь, 1990. – 240 с.19. Фалькович И.С., Калиниченко Н.Н, Станиславский А.А. Экспериментальные исследования наклонного поляризационно-согласо-

ванного зондирования ионосферы в декаметровом диапазоне волн. // Геомагнетизм и аэрономия. – 1995. – 6. – С.123–131.20. Фалькович И.С., Калиниченко И.Н. КВ антенна круговой поляризации на основе линейного диполя, размещенного над полупрово-

дящей землей // Электросвязь. – 1995 – 3. – С. 29–31.21. Чернышов В.П. Антенно-фидерные устройства радиосвязи и радиовещания. – М.: Связь,1978. – 288с. 22. Ардабьевский А.И., Волков О.А., Воскресенский Д.И. и др. Антенны и устройства и СВЧ. Расчет и проектирование антенных реше-

ток и их излучающих элементов. – М.: Советское радио, 1972. – 317 с.23. Юрцев О.А., Рунов А.В., Казарин А.Н. Спиральные антенны. – М.: Советское радио, 1974. – 257 с.24. Гошин Г.Г. Граничные задачи электродинамики в конических областях. – Томск: Изд-во Томск. ун-та, 1987.25. Сивоконь В.П., Дружин Г.И Геомагнитный фактор Dst-вариаций в селективном возбуждении ионосферных характеристических

волн // Геомагнетизм и аэрономия. – 2006 – Том 46. – 4. – С. 492-495.


Использование антенного устройства в действующих сетях связи флота показало хорошие технические и экс- плуатационные характеристики, даже в неблагоприят-ных погодных условиях Камчатки. Обеспечение связи с кораблями флота в различных условиях геогелиофизи-ческой обстановки, на трассах различной протяженно-сти и ориентации показало их высокую эффективность, следовательно, применение подобных антенн способно обеспечить качественный декаметровый канал связи и в геофизических условиях Северного морского пути.

на распределение частот, на которых работало антенное устройство. Тем не менее, из рисунка видно, что используемая частота изменяется в широких пределах.

Эффективность коротковолновой связи в целом и с ис-пользованием волн вращающейся поляризации, в частно-сти, зависит от состояния магнитного поля Земли. В работе [25] показано, что наиболее адекватную оценку этой зависимо-сти дает анализ вариаций магнитного поля Земли Dst. Из рисун-ка 11 видно, что сеансы связи проходили в условиях среднего возмущения магнитного поля Земли, хотя в отдельных случаях возмущение соответствовало магнитной буре.

92

Одновременно с ростом объемов морских грузовых, сырьевых и пассажирских перевозок, с расширением специальных работ на море и нефтедобывающей деятельности на шельфе, а также с изменением военно-морских задач – изменяются и масштабы привлекаемых к этому технических средств. Создание крупнейших единиц сложной техники, как правило, становится очередной победой технической мысли и очередной вехой, означающей расширение возможностей.

Сегодняшнее поколение морских гигантов приходит на смену или пополняет мировой флот судов, некоторое время уже носивших звание «самый большой». Обзор посвящен крупнейшим судам различных типов и позволяет оценить тенденции последних десятилетий в их специализации и растущих технических возможностях.

СОВРЕМЕННЫЕМОРСКИЕ ГИГАНТЫ

93


Технический обзор подготовлен М.В. Арфаниди

* координатор Технологической платформы «Освоение океана»

В качестве главных критериев величины корабля в су-достроении приняты его габаритные характеристики (максимальные измерения длины и ширины судна) и водо-измещение; эти характеристики предопределяют, в свою очередь, максимальную грузоподъемность, необходимые тип и мощность двигателя судна, а также его скоростные возможности и автономность. Увеличение размеров судов является неоспоримой тенденцией сегодняшнего судострое- ния и имеет объективные причины, диктуемые современ-ным объемом морских перевозок, требованиями экономики, а также уровнем технических задач, решаемых на море.

Например, увеличение размерений современного тан-кера только на 25% обеспечивает прирост грузоподъем-ности почти на 95%, при этом снижается масса корпуса, необходимого для перевозки одной тонны груза. Большее количество транспортируемого груза приводит к сниже-нию стоимости перевозки единицы груза, что благотворно отражается на всех заинтересованных сторонах в схеме по-ставок морским транспортом.

Рост водоизмещения военных кораблей диктуется стремлением иметь наибольшую боевую мощь, включаю-щую различные виды вооружения, – на сегодняшний день это мощные ракетные установки и военная авиация – при высокой защищенности, развитой противоторпедной и противоминной защите.

Тенденцией последних 20 лет является также высокая скорость роста грузоподъемности контейнеровозов. Появ- ление очередного гиганта-контейнеровоза происходит практически каждые два-три года, кроме того, они создают- ся сериями. На смену контейнеровозам типа Panamax, раз-рабатываемым с 1980-х годов, приходят огромные суда типа Triple-E, чья грузоподъемность достигает сегодня ре-кордных 18 000–19 000 TEU1.

Но звание самого большого когда-либо созданного действующего корабля до последнего времени принад-лежало норвежскому супертанкеру Knock Nevis (в раз-ные периоды своего существования он также назывался Jahre Viking, Happy Giant и Seawise Giant), спроектирован-ному и построенному в 1976 году на японской судоверфи Sumitomo H. I. Ltd (рис. 1). Его длина, соревнуясь с высотой известных небоскребов, достигала 458,45 метров, а ши-рина – 68,86 метров (это примерная площадь пяти фут-больных полей). Дедвейт судна составлял 564 763 тонны. Пережив смену нескольких хозяев, ракетную атаку истре-бителя в Ормузском проливе, затопление и последующую реконструкцию, супертанкер был в конце концов утилизи-рован в 2010 году у берегов Индии.

В конструкции судна имелись свои недостатки, которые, по сути, и предопределили недолгое существование су-пертанкера. Его осадка, достигавшая высоты стандартного 7-этажного жилого дома, и огромные габариты не позволяли

1 TEU (англ. twenty-foot equivalent unit) – двадцатифутовый эквивалент, условная единица измерения вместимости грузовых транспортных средств, основанная на размерах стандартного контейнера.

СУДО

СТРО

ЕНИ

Е


проходить Суэцкий и Панамский каналы. Ввиду риска сесть на мель ему не разрешали проходить и через Ла-Манш.

Вряд ли в ближайшее время новые танкеры превзойдут размеры Knock Nevis, особенно после ряда аварий, сопро-вождавшихся масштабными разливами нефти, и введения на международном уровне ограничений предельных раз-меров нефтяных танков, а также решения о постепенном выводе из эксплуатации однокорпусных танкеров. В кон-струкции новых двухкорпусных танкеров также решены далеко не все недостатки – тяжесть конструкции, трудность контроля коррозии балластных цистерн, находящихся между корпусами, – для того, чтобы наращивать габариты судов. В память же о самом длинном в истории супертан-кере остался один из его 36-тонных якорей, выставленный в Морском музее Гонконга.

Еще недавно, в 2000-х годах, славу крупнейших судов мира в своем классе с Knock Nevis разделяли (на рисунках 2 и 3 приведены их сравнительные характеристики):• судно-контейнеровоз Emma Maersk, принадлежа-

щее датской компании A. P. Moller-Maersk Group, введен-ное в эксплуатацию в 2006 году и вплоть до 2012 года остававшееся крупнейшим контейнеровозом мира. В честь него в 2011 году Королевский монетный двор Дании выпустил в обращение монету номиналом 20 крон. В этой серии сооружены еще семь контейне-ровозов-близнецов.

• океанский лайнер RMS Queen Mary 2 – флагман британской судоходной компании Cunard Line. По-строен и введен в эксплуатацию в 2004 году на верфях Франции и на момент спуска на воду являлся самым большим пассажирским судном в мире. Оснащение судна, помимо 1310 кают, включает: четыре бассейна, библиотеку на 8000 книг, шесть ресторанов, площадку для вертолета, теннисные корты, торговый центр, театр на 1200 зрителей, два кинотеатра, зимний сад, бальный зал, а также единственный в мире планетарий на море.

• балкер рудовоз Berge Stahl, принадлежащий кро-хотному государству Остров Мэн. До 2011 года был крупнейшим балкером в мире. Спуск на воду состоял- ся в 1986 году на южнокорейской верфи Hyundai Heavy Industries. Будучи полностью загруженным, суд-но может обрабатываться всего лишь в двух портах

Сегодня в танкерном секторе крупнейшее суд-но класса ULCC имеет максимальный дедвейт 550 000 тонн. Удивительно, что судам такого раз-мера необходим для работы очень небольшой эки-паж. Например, типичный газовый танкер класса Aframax (дедвейтом менее 120 000 тонн, шириной более 32,3 м) требует экипаж всего в 15 человек, благодаря продвинутым устройствам и сложной электронике на борту.

Ввод в эксплуатацию: 1976Вывод из состава флота: 2010Длина: 458,45 мШирина: 68,86 мОсадка: 24,61 мСиловая установка: паровые турбины общей мощностью 50 000 л. с.

Скорость: 13–16 узловЭкипаж: 40 чел.Грузоподъемность: 564 763 тоннТормозной путь гиганта составлял ~ 10,2 километраДиаметр разворота превышал 3,7 километра

Рис. 1. Технические характеристики супертанкера Knock Nevis

СУДО

СТРО

ЕНИ

Е


Рис. 2. Самые большие суда в своем классе на период 2000-х годов:а – контейнеровоз Emma Maersk: длина – 396,84 м, ширина – 63,1 м, высота от киля до палубы – 30 м, водоиз-мещение – 156 907 тонн, двигатель – 14-цилиндровая дизельная установка весом 2300 тонн и мощностью – 108 920 л. с. Судно может перевозить до 11000 стандартных 20-футовых контейнеров (TEU);б – океанский лайнер RMS Queen Mary 2: длина – 345 м, ширина – 41 м, высота от киля до верхней части труб – 72 м. Экипаж – 1253 человека, пассажировместимость – 2620 человек. Общая мощность силовой установки, включающей четыре электродвигателя, четыре дизеля и две паро-газовые турбины составляет 157 000 л. с.;в – балкер рудовоз Berge Stahl: длина 342 м, ширина – 63,52 м, дедвейт – 364 767 тонн. Дизельный двигатель мощностью 27 610 л. с. и высотой 9 метров;г – авианосец USS Enterprise CVN-65: длина – 342 м, ширина – 78,4 м, водоизмещение – 78 858 тонн. Ядерная силовая установка, включающая восемь реакторов и четыре турбины

СУДО

СТРО

ЕНИ

Ев г

а б


Рис. 3. Сравнение размеров крупнейших судов на период 2000-х годов

в мире и только во время прилива: на терминале Пон-та да Мадейра (Бразилия) и в порту вблизи Роттердама (Голландия). Между этими двумя портами Berge Stahl и совершает около 10 рейсов в год.

• авианосец USS Enterprise (CVN-65) – первый авиано- сец с ядерной силовой установкой, введенный в строй в 1961 году и принадлежавший США, на се-годняшний день уже выведен из флота; в 2015 году завершается его утилизация. Однако, оправдывая один из своих девизов – The First, the Finest («Пер-вый и лучший»), он остался кораблем, имевшим наибольшую длину среди боевых кораблей мира – 342,3 метра, а также единственным представителем своего проекта, несмотря на еще пять запланиро-ванных к постройке кораблей серии. Итоговая стои-мость USS Enterprise достигла 451 млн долларов, что стало одной из причин, по которой от строительства серии кораблей отказались.

Все эти суда стали известнейшими представителями своего класса и, вплоть до текущего пятилетия, олицет-воряли ту самую веху технического судостроительного прогресса, выступая, как и когда-то легендарный Titanic, точкой отсчета и сравнения с тем, что было до, и тем, что будет достигнуто после них.

То, что происходит в мировом судостроении в по-следние годы, аналитики называют не иначе как «гонка-ми гигантов» или «гигантоманией». Морские перевозки продолжают расти каждый год, и компании-перевозчики продолжают размещать заказы на суда со все большими грузоподъемностью и техническими возможностями, что в свою очередь неизбежно провоцирует судостроителей на поиск революционных технических решений в обла-

сти компьютеризации управления, маневренности, безо- пасности, экономии топлива и экологичности морских гигантов. Причем, если размеры пассажирских круизных лайнеров увеличиваются постепенно, то масштабы гру-зовых судов растут в разы. А также появляются поражаю- щие воображения морские гиганты, предназначенные для обслуживания месторождений, осуществления спе-циальных технических глубоководных, транспортных и добывающих работ, в корне меняющие лицо топливной и энергетической промышленности. Рассмотрим предста-вителей нового поколения судов, являющихся на сегодня лидерами в своем классе.

СУДО

СТРО

ЕНИ

Е


в сжиженный газ с последующей перекачкой на нефтяные танкеры-газовозы. Разработчиком выступила компания Royal Dutch Shell PLC.

Плавучая фабрика имеет почти полукилометровую дли-ну – 488 метров (рис. 5), ширину – 74 метра, объем ком-плекса составляет более 430 тысяч литров, эквивалентный 175-ти олимпийским бассейнам. Общая масса корабля при полной загрузке будет превышать 600 тысяч тонн. Мощно-сти комплекса будет достаточно для того, чтобы ежегодно добывать 3,9 млн тонн сжиженного газа, наряду с 5,3 млн тонн других производных веществ, которые будут транс- портироваться на наземные заводы.

Крупнейшие в мире специализированные суда

Строительство самого большого корабля на планете – FLNG2 Prelude – завершается на южнокорейской верфи Samsung Heavy Industries (рис. 4). Судно уже спущено на воду и представляет собой гигантский плавучий газо-перерабатывающий завод, предназначенный для добычи на океанском дне природного газа и его переработки

2 FLNG (англ. floating liquefied natural gas) – аббревиатура, принятая для обозначения нового типа судов – плавучих заводов по переработки сжи-женного газа.

Рис. 4. Гигантский плавучий газоперерабатывающий завод FLNG Prelude

СУДО

СТРО

ЕНИ

Е


Работать самый большой корабль в мире будет в Индий-ском океане, возле западных берегов Австралии. Данный регион известен мощными циклонами, поэтому газовый за-вод Prelude сконструирован так, чтобы полноценно функци-онировать при любых погодных условиях, в любой период времени года. Эта возможно благодаря системе швартовки, представляющей собой 93-метровую башню, под которой в воде расходятся четыре набора тросов. Такая система по-зволяет огромному судну поворачиваться по ветру, огибая энергию волн. Также во время плохой погоды будут помо-гать три двигателя мощностью по 6700 л. с. каждый.

Ввод проекта в эксплуатацию в корне изменит особенно-сти разработки удаленных морских газовых месторождений. К 2017 году, когда строительство всех высокотехнологич-ных компонентов на корпусе будет завершено, планируется осуществить первое бурение морского дна. Срок эксплуа-тации судна составит не менее 25 лет.

Вложения средств на постройку самого большого суд-на в мире составляют по разным оценкам специалистов от 10,8 до 12,6 млрд долларов. Но экономический успех судов подобного проекта гарантирован, поскольку исклю-чает покупку земли, экологическую нагрузку, а также лик-видирует необходимость строительства дорогостоящих трубопроводов и специализированных причалов (рис. 6). Судостроители корпорации Samsung Heavy Industries уже заявили о планах по созданию собственной модели судна подобных размеров и такого же предназначения.

Другой высокотехнологичный гигант – крупнейшее в мире судно-катамаран, предназначенное для перевозки морских буровых платформ и прокладки подводных тру-бопроводов, Pioneering Spirit (первоначальное название Pieter Schelte) принадлежит швейцарской компании Allseas Group. Строительство осуществлялось также в Южной Ко-рее, на верфи Daewoo Mangalia Heavy Industries, а оконча-тельная достройка и другие финальные работы проведены в порту Роттердама.

Благодаря своим габаритам, судно способно поднять на борт не только буровую платформу, но и ее основа-ние для транспортировки в другой район установки или в порт для проведения ремонтно-восстановительных работ. Суммарный вес принятого на борт груза может до-стигать 48 000 тонн. Формально грузоподъемность судна невелика, но из-за конфигурации перевозимых конструк-ций (у которых обычно высокое расположение центра тяжести) размеры грузовой платформы пришлось сделать очень большими. В итоге полное водоизмещение ката-марана – 932 000 тонн – побило все рекорды. На палубе установлены три крана грузоподъемностью по 50 тонн с вылетом стрелы в 33 метра и специальный 600-тонный

Рис. 5. Традиционное сравнение размеров крупнейшего судна мира с высотой знаменитых небоскребов и башенных сооружений

Рис. 6. Место плавучего газоперерабатывающего завода в общей схеме разработки морского газового месторождения

СУДО

СТРО

ЕНИ

Е


кран с 20-метровым вылетом стрелы (рис. 7). Уникальность судна еще и в том, что его оборудование позволяет укла-дывать трубопроводы на рекордных глубинах – до 3500 м. Первым проектом, к которому планировалось привлечь мощности Pioneering Spirit, должен был стать «Южный по-ток» в Черном море.

Необходимую для движения судна Pioneering Spirit энергию вырабатывают восемь дизельных двигателей MAN, мощностью 11,2 МВт каждый, которые сгруппиро-ваны и размещены в отдельных помещениях попарно. Электрическая энергия, вырабатываемая связанными с дизельными двигателями электрогенераторами, застав-ляет вращаться лопасти 13-ти силовых установок, мощно-стью 5,5 МВт, изготовленных компанией Rolls Royce. Эти силовые установки расположены вдоль бортов по обе стороны судна Pioneering Spirit, и их мощности достаточ-но для разгона судна до скорости 14 узлов. Обслуживает судно команда из 571 человека, в которую входят моряки, специалисты по подъему и установке морских буровых платформ и дополнительный персонал.

Стоимость строительства превысила запланирован-ные 1,7 млрд долларов и по разным оценкам составляет от 2,5 до 3 млрд долларов. Тем не менее, компания Allseas Group заявила о своих планах построить еще больший ко-рабль такой же конструкции к 2020 году.

Примером еще одного технического достижения в обла-сти судостроения является Sea Installer – огромное мор-ское судно для установки в открытом море мощных турбин ветрогенераторов нового поколения (рис. 8). Целью компа-ний Siemens AG (Германия) и A2SEA (Дания) было создание нового транспортного средства для обеспечения быстрого и эффективного монтажа морских ветряков. Результатом стало появление судна, способного транспортировать узлы сразу нескольких турбин и последовательно выполнить их монтаж в море за один рейс. Это позволяет экономить деньги энергетическим компаниям, которые реагируют на возрастающий спрос установкой новых оффшорных ве-тряных электростанций.

Турбины ветрогенераторов нового поколения примерно в два раза больше обычных. Установка меньшего количест-

Рис. 7. Судно-катамаран Pioneering Spirit

Спущен на воду: 2013Длина: 382 м

Ширина: 124 мВысота борта: 30 м

Осадка: в зависимости от нагрузки и выполняемых задач – от 10 до 25 м

Двигатель: восемь дизельных генераторов общей мощностью 95 000 кВт

Грузоподъемность: 48 000 тоннЭкипаж: 571 чел.

СУДО

СТРО

ЕНИ

Е


ва турбин при получении того же объема энергии означает снижение затрат на их производство, монтаж и эксплуата-цию. Стоимость вырабатываемой энергии также снижается. Судно Sea Installer способно смонтировать 8-мегаваттную турбину за 24 часа, что, согласно заявлению компании Siemens, является рекордным временем на сегодняшний день. Судно может принять на борт 5000 тонн груза, это по-зволяет ему транспортировать одновременно узлы и дета-ли 8–10 турбин.

Конструкция Sea Installer относится к типу самоподъем-ных судов и рассчитана таким образом, чтобы оно могло беспрепятственно работать в условиях сильных ветров и беспокойного моря на значительном удалении от бере-говой линии; ее отличает наличие металлических ног-опор, которые позволяют судну работать, стоя на морском дне при глубине моря до 45 метров. Строительство осуществля-лось на китайской верфи компании COSCO Shipyard Group Co, что опять же подтверждает тенденцию последнего де-сятилетия – усиления мощностей восточных (китайских, корейских) центров судостроения.

Корабли-доки

У морских судов такого типа достаточно узкая специали-зация. Это полупогружные транспортные суда типа FLO/FLO (Float-on/Float-off ), предназначенные для перемещения нестандартных крупногабаритных, чрезвычайно тяжелых грузов, таких как секции морских нефтяных платформ, под-

водные лодки, краны, суда, причалы и т. п. Причем погрузку и разгрузку корабли-доки обеспечивают самостоятельно, без дополнительных кранов.

Балластные цистерны судна заполняются забортной во-дой, и оно погружается на глубину нескольких десятков метров. После стабилизации судна начинается погрузка. Судно подводят под груз или, при помощи буксиров, груз заталкивают и удерживают над уровнем палубы, пока полу-погружное судно не поднимется в свое нормальное поло-жение. Команда сварщиков крепит груз к палубе, водолазы проверяют постановку груза, затем воду медленно откачи-вают. Суда-доки имеют очень прочный корпус, позволяю-щий совершать океанские переходы.

До 2013 года самым большим действующим судном-доком был MV Blue Marlin. На счету у морского тяжело-воза много перевозок, не похожих друг на друга. Самым необычным грузом, который доводилось перевозить, был «штабель» из 18-ти речных судов и понтонов, загруженных в шанхайском порту Наньтун и доставленных за 58 дней в Нидерланды (рис. 9 а). Но этот груз был не самым тяжелым.

Судно Blue Marlin обеспечивало транспортировку мор-ской бурильной платформы, нефтеперегонного завода, морской радиолокационной станции (рис. 9 б) и американ-ского военного ракетного корабля USS Cole, который был поврежден в результате террористической атаки в одном из портов Йемена. Рекордом за всю историю стало пере-мещение платформы Thunder Horse PDQ общим весом 60 000 тонн.

Спущен на воду: 2012Длина: 132 мШирина: 39 м

Максимальная скорость: 12 узлов

Грузоподъемность: 5000 тонн

Грузоподъемность крана: 900 тонн

Экипаж: 60 чел.

Рис. 8. Самоподъемное судно Sea Installer

СУДО

СТРО

ЕНИ

Е


Рис. 9. Корабль-док MV Blue Marlin: а – перевозка 18-ти речных судов и понтонов; б – перевозка морской радио-локационной станцииДлина: 224,8 мШирина: 63,1 мМаксимальная осадка при погружении: 29,3 мГрузоподъемность: 76 000 тоннПлощадь палубы: 11 227 м2

Скорость хода: 13,3 узлаЭкипаж: 24 чел.Двигатель: дизельный, мощность 17 000 л. с.(характеристики после реконструкции 2004 года)

б

а

СУДО

СТРО

ЕНИ

Е


Судно имеет своего близнеца, построенного по тому же самому проекту – MV Black Marlin, которое в свое вре-мя обеспечило транспортировку погружных оснований (15 000 тонн) и верхних строений (19 000 тонн) двух нефтя-ных платформ по заказу Выборгского судостроительного завода и компании Газфлот.

Оба судна-тяжеловоза, способные перевозить сверхга-баритные грузы весом до 60 000 тонн, принадлежат нор-вежской компании Dockwise Ltd, специализирующейся на крупнотоннажных морских перевозках, и построены одним производителем, китайской судостроительной ком-панией China Shipbuilding Corporation.

В феврале 2013 года было введено в эксплуатацию и пе-рехватило первенство крупнейшее в мире судно-док для перевозки тяжелых грузов – Dockwise Vanguard, вла-дельцем и оператором которого стала также компания, лидер в сфере морских тяжеловесных перевозок, Dockwise Ltd. Судно совершило свой первый переход с грузом из Южной Кореи в Мексиканский залив, доставив корпус

полупогружной морской нефтяной платформы Jack/St. Malo весом 56 000 тонн к месту установки (рис. 10).

Площадь палубы тяжеловоза на 70% больше, чем у суд-на MV Black Marlin. Уникальная конструкция судна без носа c грузоподъемностью 110 000 тонн позволяет применять Dockwise Vanguard в качестве сухого дока для проектиров-ки и возведения еще более масштабных и тяжеловесных сооружений, а также обеспечить их погрузку и макси-мально безопасную транспортировку к дальним морским месторождениям. Данный аспект позволяет значительным образом снизить все виды затрат в сфере нефтедобычи и нефтепереработки. Системы управления большегрузным полупогружным судном, призваные обеспечивать его пол-ную устойчивость и герметичность, поставила компания Emerson Process Management.

В 2012 году на международной конференции Offshore Technology Conference судно Dockwise Vanguard получило премию за инновации, способствующие стремительному развитию отрасли.

Рис. 10. Корабль-док Dockwise Vanguard выполняет транспортировку полупогружной нефтяной платформы Jack/St. Malo

Длина: 275 мШирина: 79 м

Грузоподъемность: 110 000 тоннМаксимальная осадка при погружении: 31,5 м

Двигатель: четыре дизеля общей мощностью 27 000 кВт

Максимальная скорость хода 14,4 узлаЭкипаж: 40 чел.

СУДО

СТРО

ЕНИ

Е


Рис. 11. Эволюция контейнеровозов. Указаны гру-зоподъемность судов и средние габариты в метрах (длина x ширина x осадка)

Контейнеровозы

Средний размер задействованных в морских контейнер-ных перевозках судов растет пропорционально стремитель-ному росту общемирового контейнерооборота. В 2002 году емкость самых больших контейнеровозов составляла около 7 000 TEU, в 2011 году – это уже 15 000 TEU; за эти годы кон-тейнерооброт основных мировых портов вырос практиче-ски на 50%. Основным двигателем такого роста, по мнению аналитиков, являются азиатские, в частности, китайские порты, поскольку более трети всей контейнерной торговли приходится именно на азиатский регион. На сегодняшний день введены в строй контейнеровозы грузоподъемностью 19 000 TEU, а на подходе – создание серии судов, которые смогут вмещать до 22 000 TEU (рис. 11).

Буквально в течение последних трех лет один за другим на воду спущены контейнеровозы с рекордными показа-телями грузоподъемности, мощности и габаритов, пере-хватывая друг у друга лидерство.

Огромный контейнеровоз CMA CGM Marco Polo (рис. 12) можно отчетливо различить даже на спутни-ковом снимке. Судно простроено компанией Daewoo Shipbuilding and Marine Engineering в Южной Корее в 2012 году и способно перевозить одновременно груз в 16 020 стандартных морских контейнеров – это почти в полтора раза больше, чем было доступно предыдущему обладателю рекорда, контейнеровозу Emma Maersk.

Владеет судном французская транспортная компания CMA CGM. Курсирует Marco Polo по международному судоходному маршруту FAL1 (French Asia Line 1), кото-рый начинается в Шанхае, проходит через Средиземно- морье, вдоль побережья Западной Европы и заканчива-ется в Гамбурге.

Несмотря на огромные размеры, конструкция его корпуса была рассчитана с точки зрения максимальной эффективности плавания. Дно судна имеет специально рассчитанные кривые поверхности, помогающие значи-

По данным крупнейшего портового оператора DP World, под управлением которого находятся более 60-ти контейнерных терминалов на всех шести континентах, ежегодно мировой контейнеро- оборот растет в среднем на 8–10%. Наибольший рост в 2014 году показали терминалы в регио-нах Европы, Ближнего Востока и Африки. Общий контейнерооборот только терминалов холдин-га в 2014 году составил 59,878 млн TEU (на 8,9% больше, чем в 2013 году), и в планах DP World – на-ращивание новых мощностей, чтобы к 2020 году увеличить пропускную способность своих терми-налов до 100 млн TEU.

тельно уменьшить сопротивление воды. Электронные системы, управляющие двигателем, в некоторых слу-чаях позволяют уменьшить расход дизельного топлива на 3% и нефти на 25%. Дополнительно к этому, системы Exhaust Gas Bypass позволяют сэкономить еще 1,5 про-цента топлива при выполнении маневров во время вхо-да и выхода судна из порта. На сегодняшний день идет строительство еще двух судов на 16 000 контейнеров для компании CMA CGM, всего же планируется построить восемь судов этого типа.

Очередной гигант-контейнеровоз был введен в эксплуа- тацию в июне 2013 года – Maersk Mc-Kinney Moller класса Triple-E (рис. 13). Датская компания Maersk Line при-няла судно на южнокорейской верфи Daewoo Shipbuilding & Marine Engineering Ltd в Окпо. Всего планируется по-строить 20 судов этой серии, каждое стоимостью около 185 млн долларов.

Название класса данного типа кораблей – Triple E – обо-значает три принципа их проектирования: экономия про-странства, энергоэффективность и экологичность. Имея рекордную длину – около 400 метров и ширину 59 метров, что всего на 3 метра длиннее и на 4 метра шире, чем ко-рабли предыдущего типа E-class, – новое судно способно вместить на 2500 контейнеров больше. Максимальная вме-стимость контейнеровоза составляет 18 340 TEU. Также од-ной из конструктивных особенностей типа Triple-E является то, что двигатель, состоящий из двух дизельных установок-близнецов MAN общей мощностью 80 000 л. с. и обеспечи-вающий скорость до 22 узлов, – является менее мощным, чем у судов предыдущего класса. Практика «тихого хода» (slow streaming) распространяется сегодня на всех глобаль-ных судоходных линиях; компанией Maersk Line она введе-на с 2009 года. Снижение скорости позволяет существенно экономить топливо; ожидается, что конструкция двигателя

СУДО

СТРО

ЕНИ

Е


Длина: 396 мШирина: 53,6 мВодоизмещение: 175 343 тонныГрузоподъемность: 16 020 TEU

Длина: 400 мШирина: 59 мВодоизмещение: 194 849 тоннГрузоподъемность: 18 340 TEU

Двигатель: два дизеля-близнеца MAN общей мощностью 80 000 л. с.Максимальная скорость: 23 узлаЭкипаж: 19 чел.

Длина: 400 мШирина: 58,6 м

Водоизмещение: 186 000 тонн

Грузоподъемность: 19 000 TEU

Двигатель: 12-цилиндровый дизель MAN мощностью 77 200 л. с.

Рис. 14. Контейнеровоз CSCL Globe

Рис. 12. Контейнеровоз CMA CGM Marco Polo

Рис. 13. Контейнеровоз Maersk Mc-Kinney Moller

СУДО

СТРО

ЕНИ

Е


нового класса позволит снизить расход топлива на 37%, а также количество вредных выбросов на 50%.

И наконец, в 2014 году на воду спущен CSCL Globe – самый мощный контейнеровоз на текущий момент и пер-вый из пяти кораблей этой серии, строящейся на верфях южнокорейского концерна Hyundai Heavy Industries Co., Ltd (рис. 14). По длине CSCL Globe равен Maersk Mc-Kinney Moller, чуть уступает ему в ширине, однако превосходит по грузоподъемности, вмещая 19 000 TEU. Судно оснащено самым большим двигателем в мире – двухтактным 12-ци-линдровым дизелем MAN высотой 17,2 метра. Электронное управление двигателем позволяет автоматически регули-ровать расход топлива в зависимости от погодных условий и скорости судна.

Тем не менее, как уже отмечалось, экономическая реаль-ность такова, что мощь и размеры этих поражающих воо-бражение кораблей, являются не пределом; специалисты с уверенностью прогнозируют, что пальму первенства у них скоро отберут новые гиганты класса Malaccamax вместимо-стью 22 000 TEU, находящиеся на стадии проектирования.

Пассажирские лайнеры

Крупнейшими представителями судов данной специали-зации на сегодняшний день являются два судна-близнеца, эксплуатируемые оператором Royal Caribbean International: Allure of the Seas и Oasis of the Seas, сохраняющие свое лидерство с 2010 года (рис. 15). Длина обоих кораблей составляет около 362 м (в зависимости от температуры); Allure of the Seas имеет совсем незначительные конструк-тивные отличия и длиннее своего брата всего на 5 см. Суда способны разместить у себя на борту 5400 пассажиров каждый.

Громада лайнера управляется с помощью шести ди-зельных двигателей суммарной мощностью 131 947 л. с. На судне применена единая электроэнергетическая систе-ма. В состав основной электростанции, обеспечивающей

работу судна во всех эксплуатационных режимах, входят три главных генератора по 21 000 кВА и три – по 15 800 кВА. Ос-новным потребителем электроэнергии является система электродвижения (гребная электроустановка). Суда обору-дованы телескопическими трубами, которые могут, склады-ваясь, уменьшать высоту на 7 метров, если нужно проплыть под мостом.

Специализация пассажирского лайнера предполагает сочетание в конструкции множества блоков разного назна-чения. Помимо жилых кают, на борту лайнеров размещены: настоящий парк из 12 тысяч экзотических живых растений и 56 деревьев, установлена большая карусель, бассейны с джакузи, водный парк с водной ареной, казино, магазины и бутики, рестораны и бары. Имеется также водный амфи-театр на 750 мест с фонтанами, трамплинами на открытом воздухе, крытый театр на 1300 мест, ледовый каток, во-лейбольные и баскетбольные площадки, стены для скало-лазания, специальные бассейны для занятия серфингом, фитнесс-центр и т. д.

Компания Royal Caribbean International, конечно, не оста-навливается на достигнутом, уже заказав у норвежского судстроительного предприятия STX Europe пассажирское судно, способное разместить 6 400 пассажиров. Другое круизное судно – Princess Kaguya – способное разместить 8 400 пассажиров, разрабатывается японской компанией Japan Contents Network.

Балкеры

Рудовозом, побившим рекордные размеры балке-ра Berge Stahl, стал первый в серии из семи кораблей, строящихся для бразильской горнодобывающей компа-нии Vale, – балкер MS Vale Brasil (рис. 16). Общая стои-мость инвестиций в проект составляет 748 млн долларов.

Для удовлетворения растущего мирового спроса на рынке железной руды и обеспечения конкуренто-способности в этой сфере представители компании Vale

Двигатель: 11-цилиндровый дизель мощностью 92 000 л. с.Максимальная скорость: 22,5 узлаЭкипаж: 27 чел.

СУДО

СТРО

ЕНИ

Е


Рис. 15. Пассажирские лайнеры одной серии: Allure of the Seas и Oasis of the Seas

прилагают множество усилий для получения минималь-ной стоимости их сырья, поэтому новые морские суда стали намного больше их предшественников и с высо-ким уровнем безопасности, что будет способствовать снижению стоимости морских перевозок железной руды для металлургов.

Крупнейший в мире рудовоз построен на верфи Daewoo Shipbuilding & Marine Engineering. Проект суд-на Vale Brasil представлен множеством технологических новинок в области судостроения: судно обеспечивает более высокую скорость погрузки и разгрузки, имеет универсальные размерения, позволяющие заходить в самые современные порты мира, а также на 35% сокра-щен выброс углекислого газа на тонну руды при транс- портировке.

На сегодняшний день компанию Vale Brasil уже состав-ляют суда-близнецы Vale Rio de Janeiro и Vale Italia.

Рождение каждого из описанных технических ги-гантов обусловливал комплекс взаимосвязанных при-чин, основные из которых: расширение возможностей, объективная необходимость в росте грузоподъемно-

сти и мощностей; появление новых технических задач на море. Можно заметить, как в последние десятилетия лидерство сместилось в сторону судов, способных вы-полнять высокотехничные специализированные рабо-ты, такие как установка нефтедобывающих платформ, прокладка трубопроводов, транспортировка целых ко-раблей или обслуживание морских энергетических уста-новок. Несложно также заметить, что существует прямая связь между динамикой судостроения и такими отрасля-ми, как мировая экономика и торговля. К тенденциям сегодняшнего крупнотоннажного судостроения, причем независимо от специализации строящихся судов, мож-но также отнести смещение судостроительных центров в азиатские страны, лидирующие позиции южнокорей-ских и китайских судостроительных верфей.

Появление каких морских гигантов ждет нас в буду-щем? Существует мнение, что рано или поздно пальму первенства перехватят плавучие города – настоящие морские города, с жильем, офисами, и всем прочим, что имеется в городе. Некоторые проекты таких судов уже разрабатываются.

Длина: 362 мШирина: 47 м

Водоизмещение: 225 282 тонныДвигатель: шесть дизельных

установок общей мощностью 132 000 л. с.

Скорость: 22,6 узлаЭкипаж: 2165 чел.


Длина: 362 мШирина: 65 мГрузовместимость: 400 000 тоннДвигатель: дизельная установка MAN мощностью 29 260 кВтСкорость: 15,4 узловЭкипаж: 33 чел.

Рис. 16. Балкер-рудовоз Vale Brasil

1. http://www.allseas.com/ – официальный сайт компании Allseas (Швейцария)2. http://www.dockwise.com/ – официальный сайт компании Dockwise (Нидерланды)3. http://www.maersk.com/ – официальный сайт компании A. P. Moller-Maersk Group (Дания)4. http://www.royalcaribbean.com/ – официальный сайт компании Royal Caribbean International (США, Норвегия)5. http://www.dailytechinfo.org/ – информационный портал6. http://korabley.net/ – информационный портал7. https://ru.wikipedia.org – свободная энциклопедия8. http://maritime-zone.com/ – профессиональный портал9. http://neftegaz.ru/ – информационный портал, журнал10. http://shipbuilding.ru/ – судостроительный портал

ИСТОЧНИКИСУ

ДОСТ

РОЕН

ИЕ

108

РЕДАКЦИОННАЯ ГРУППА:

Руководство:Кобылянский В.В.

Выпускающий редактор:Манохина И.И.

Технические консультанты:Арфаниди М.В.Бункин А.Ф.Горшков А.Г.Губанов М.Ю.Лушников Д.Л.Першин С.М.Попов А.М.

Организационная помощь:Осипова С.В.

Дизайн и верстка:Маркин О.Д.

Полная или частичная перепечатка, либо иное использование материалов, опубликованных в журнале «Морские информационно-управляющие системы», без письменного разрешения издателя не допускается. Рукописи рецензируются.

Реклама в настоящем номере размещена на полосах: 51, 3-я полоса обложки.

Издатель: Акционерное общество «Концерн «Моринформсистема-Агат»Адрес редакции: Москва, ул. Шоссе Энтузиастов, д. 29Тел.: +7 495 603-9034E-mail: [email protected], [email protected]: www.concern-agat.ru, www.ocean-platform.ru

Источники фотоматериалов:указаны в списках источников и литературы к статьям

Печать:ООО «Август Борг»Москва, ул. Амурская, д. 5, стр. 2

Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций.Регистрационное свидетельство: ПИ ФС 77-53922 от 26 апреля 2013 года.

Обложка: Полярное сияние в арктической зоне© АО «Концерн «Моринсис-Агат», 2014 Подписано в печать: 07.05.2015 г. Тираж: 1000 экз.

ISSN 2308-2119

Морские информационно-управляющие системы. Май 2015, № 1...

Documents