ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ

АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ УНІВЕРСИТЕТ

Бабенко Ірина Олексіївна

УДК 681.7.08:351.785

ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНА СИСТЕМА

КОНТРОЛЮ БЕЗПЕКИ РОБІТ

ПО ПОПЕРЕДЖЕННЮ АВАРІЙ

Спеціальність 05.26.01 – Охорона праці

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті Міністерства освіти і науки України, м. Харків

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Бажинов Олексій Васильович,

Харківський національний автомобільно-дорожній

університет, завідувач кафедри

автомобільної електроніки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Дзюндзюк Борис Васильович,

Харківський національний

університет радіоелектроніки,

завідувач кафедри охорони праці;

кандидат технічних наук, професор

Коржик Борис Михайлович,

Харківська національна академія

міського господарства,

завідувач кафедри безпеки життєдіяльності

Захист відбудеться “10січня 2008 р. о 12 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .059.01 у Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті за адресою:

61002, м. Харків, вул. Петровського, 25

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного автомобільно-дорожнього університету

Автореферат розісланий “4грудня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради І. В. Кіяшко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Зі статистичного збірника “Регіони України” 2006 року видно, що кількість потерпілих від травматизму, пов’язаного з виробництвом, та кількість загиблих від такого травматизму дуже велика і складає по Україні за 2005 рік 989 померлих та 21175 потерпілих.

За даними Харківської державної інспекції з промислової безпеки, охорони праці та гірничого надзору кількість потерпілих на транспорті за 2004–2006 роки склала 113 осіб.

Аналіз причин травматизму показав, що значна частина нещасних випадків з людьми викликана обваленням (падінням) конструкцій, які монтуються; недосконалістю та помилками при виборі оснащення при виконанні рятувальних робіт. Виділимо окрему групу протяжних об'єктів, і конкретно мости, будівельні споруди та транспортні комунікації, на яких особливо важливо виконувати всі правила охорони праці та стежити за геометрією цього об'єкта, тому що її зміна може викликати аварії та нещасні випадки. Після аварії житлового будинку у Дніпропетровську, аквапарку в Москві та мосту у Таїланді особливо гостро стала проблема створення ефективних систем контролю за поточним механічним станом будівель та споруд. У цьому ракурсі головну роль відіграє контроль геометричних параметрів. Оскільки інформація про теперішній стан споруд відсутня, виникає необхідність забезпечення безпечних умов працюючих на об’єкті людей та попередження аварій на транспортних комунікаціях, забезпечення високої точності вимірів, безперервного контролю параметрів об'єктів і систем, оперативного виконування обробки результатів і автоматичної реєстрації їх в реальному масштабі часу.

Методи, засновані на оптичному скануванні, оптоелектронні пристрої, засоби часово-імпульсної обробки даних відповідають сформульованим вимогам. Проте, дотепер вони не знайшли широкого застосування в практиці контролю безпеки робіт та попередження аварій і потребують проведення спеціального теоретичного та експериментального обґрунтування. Це дозволить підвищити ефективність, точність і надійність контролю з метою забезпечення необхідних умов праці та попередження аварій.

Таким чином, створення інформаційно-вимірювальної системи контролю безпеки робіт на робочих місцях транспортних комунікацій за допомогою оптоелектронного сканування, визначення геометричних параметрів виробів і середовища з метою попередження аварій та руйнувань і створення системи життєзабезпечення на робочому місці є актуальною задачею як в теоретичному, так і в практичному плані.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика роботи відповідає Державній науково-технічній програмі “Ресурс” (постанова Кабінету Міністрів України № 1331 від 8 жовтня 2004 року) та Національним програмам інформатизації України та розвитку автомобілебудування України (Розділ 7, “Електронне устаткування автотранспортних засобів”). Робота виконувалася відповідно до планів госпдоговірних і держбюджетних робіт, що ведуться в Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті по створенню інформаційної технології оцінки стану автомобільних доріг (договір на проведення держбюджетної роботи № 15-53-96 і господарський договір № 39-10-96). З 1998 року дослідження виконувались відповідно договору про спільну діяльність кафедри електротехніки та електроустаткування з Харківським обласним підрядним спеціалізованим підприємством по ремонту, будівництву і експлуатації автомобільних доріг і мостів (договір № 42 від 1.06.99 р.). У рамках цієї роботи була використана апаратура, розроблена здобувачем. Запропонована автором технологія оптоелектронного сканування спрямована на значне підвищення контролю безпеки робіт та продуктивності збору і реєстрації даних за станом і геометрією доріг.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення безпеки робіт і попередження аварій на основі створення інформаційно-вимірювальної системи контролю геометричних параметрів транспортних комунікацій.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі.

1. Обґрунтування можливості застосування існуючих методів автоматичного контролю геометричних параметрів протяжних об’єктів (різних конфігурацій) на прикладі транспортних комунікацій та створення нового методу контролю на робочих місцях і попередження аварій. 2. Обґрунтування можливостей оптоелектронних технічних засобів вимірювального комплексу автоматичної скануючої системи на робочих місцях по усуненню аварій. 3. Розробка моделей роботи вимірювального комплексу для створення безпечних умов праці, особливостей побудови оптоелектронних скануючих систем та алгоритмізація процесів обробки значень даних, що реєструються, у таких системах життєзабезпечення на робочих місцях та попередження аварій. 4. Встановлення взаємозв'язку основних параметрів оптоелектронних скануючих систем діагностування, розробка методичних рекомендацій і оцінка створеної скануючої системи контролю безпеки робіт та попередження аварій. 5. Аналіз універсального характеру розробленої системи та оцінка можливих варіантів застосування цієї системи для контролю геометричних параметрів транспортних комунікацій з метою визначення рівня безпеки в динаміці процесу по усуненню аварій.

Об'єкт дослідження – процес створення безпечних умов праці на основі вимірювального перетворювання оптоелектронного сканування в геометричні параметри протяжних виробів і конструкцій.

Предмет дослідження – інформаційно-вимірювальна система контролю безпеки робіт та попередження аварій і руйнувань.

Методи дослідження. Дослідження базувалися на використанні геодезичних методів контролю безпеки робіт та попередження аварій, контактних та безконтактних, неавтоматичних, напівавтоматичних та автоматичних (оптичний проектуючий прилад, оптичний метод візування, коліматорні та автоколіматорні методи і мікронівелірування). Для досягнення поставленої мети в роботі використовувались оптичні, лазерні та радіотехнічні методи. При вимірюванні кутових величин використано фотометричний, модуляції, амплітудний, фазовий та імпульсний методи. Методи фізичного та математичного моделювання використовувались для побудови моделі оптоелектронної скануючої системи, а методи математичної статистики, теорії похибок - при обробці та аналізі експериментальних даних.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному.

Науково обґрунтовано новий метод безперервного контролю геометричних параметрів протяжних об’єктів, що дозволяє оцінювати рівень безпеки умов праці на робочому місці та попередження аварій. Вперше проведені теоретичні дослідження, які дозволили визначити похибки вимірювань при розробці оптоелектронних скануючих систем контролю безпеки умов праці. Науково обґрунтовані раціональні режими роботи вимірювального комплексу для створення безпечних умов праці на робочому місці та похибки автоматичної скануючої системи контролю для попередження аварій, що дозволяє проводити комплексний аналіз та прогнозування впливу на людину різних комбінацій виробничих факторів при аварійних ситуаціях.

Практичне значення одержаних результатів роботи полягає в тому, що розроблена система може бути використана при проектуванні приладів контролю безпеки робіт і попередження аварій прямолінійних об'єктів (контроль транспортних комунікацій, мостів, вертикальних і горизонтальних поверхонь та обладнання у будівництві та ін.) і геометрії протяжних об’єктів (контроль трубопроводів, нафтопроводів, тунелів), при цифровому картографуванні місцевості (сейсмічно небезпечні території, ділянки, забруднені радіацією, важко доступні поверхні при дослідженні інших планет і ін.), при рішенні задач навігації.

Створена система може використовуватися як для роботи і досліджень в умовах стаціонарних пунктів автоматичного контролю, так і в складі мобільного комплексу, реєстрації інформації і формування банку геометричних даних протяжних об'єктів з метою попередження аварій та створення безпечних умов праці. Оптоелектронна скануюча система у складі мобільного інформаційно-вимірювального комплексу ІВК  ХАДІ використовувалась для обстеження автомобільних доріг України (Харківська, Кіровоградська область). Підсистеми і ланки цієї автоматизованої системи знайшли застосування в Харківському обласному підрядному спеціалізованому підприємстві по ремонту, будівництву та експлуатації автомобільних доріг і мостів, Харківському управлінні спеціалізованих і монтажних робіт та ДП “Харківський облавтодор”. Отримані результати використовуються в навчальному процесі при читанні лекцій і в лабораторному практикумі курсів "Інформаційно - вимірювальні системи автомобілів і тракторів", "Інформаційні технології" і "Електроніка і мікросхемотехніка" у розділі "Охорона праці" студентів спеціальностей 8.092201 "Електричні системи і комплекси транспортних засобів" і 8.09501 "Автоматизація керування технологічними процесами і виробництвами". Вони впроваджені в науково - дослідницьку роботу студентів і магістрантів.

Особистий внесок здобувача. Розроблено аналітичну методику визначення похибок вимірювань геометричних параметрів скануючою системою контролю безпеки робіт і попередження аварій [1–3]. Розроблено метод опрацювання цифрових кодів, який робить інваріантним результат вимірювання щодо швидкості розгортки, частоти квантування і швидкості поширення оптичного випромінювання [4, ]. Експериментально визначені найбільш вагомі геометричні та конструктивні параметри скануючої апертури з оптоволоконним джгутом, які дозволяють знизити вплив кута падіння відбитого променя і засвіток на точність параметрів сигналу в інформаційному каналі [6, ]. Побудована математична модель та створені алгоритми опрацювання проміжних даних для одержання результатів вимірювання [8]. Теоретично обґрунтовані та експериментально підтверджені оцінки якості роботи розробленої оптоелектронної скануючої системи, похибок вимірювань, реєстрації даних в залежності від впливу зовнішнього середовища, умов роботи, конфігурації вимірювального комплексу та особливостей робіт, які виконуються на протяжних об'єктах [9, , ]. Розроблена методика застосування оптоелектронної скануючої системи для рішення задач контролю безпеки робіт і попередження аварій, при цифровому картографуванні місцевості, рішенні задач навігації транспортних засобів.

Апробація результатів дисертації. Положення дисертації і результати досліджень доповідались і були схвалені на: першому Міжнародному молодіжному форумі “Електроніка і молодь у ХХI сторіччі” (Харківський технічний університет радіоелектроніки, 1997 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Метрологічне забезпечення в області електричних, магнітних і радіовимірювань” (Метрологія в електроніці) (НВО “Метрологія”, Харків, 1997 р.); Міжнародній конференції “Ергономіка на автомобільному транспорті” (Харківський державний автомобільно-дорожній технічний університет, 1997 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Технічні та економічні перспективи розвитку автотранспортного комплексу та дорожнього будівництва” (Харківський національний автомобільно-дорожній університет, 2005 р.); ХІ науково-технічній конференції з міжнародною участю “Транспорт, экология – устойчивое развитие” (Болгарія, Варна, Технічний університет - Варна, 2005 р.); регіональних науково-методичних конференціях “Безпека життєдіяльності” (м. Харків, 2005–2006 р.); засіданнях кафедр автоматики, автомобільної електроніки, безпеки життєдіяльності та мехатроніки Харківського національного автомобільно-дорожнього університету; щорічних викладацьких науково-технічних конференціях Харківського національного автомобільно-дорожнього університету протягом 1994 – 2007 р.

Публікації. Основні наукові положення дисертації опубліковані в монографії і 7 статтях у фахових наукових виданнях ВАК України та 3 матеріалах в збірках наукових праць Міжнародних науково-технічних конференцій.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступної частини, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Повний обсяг роботи складає 202 сторінки, з них обсяг основного тексту – 133 сторінки, 47 рисунків на 30 сторінках, 4 таблиці на 2 сторінках, 4 додатки на 23 сторінках, список використаних джерел з 170 найменувань на 14 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано тему дисертаційної роботи, що спрямована на розробку інформаційно-вимірювальної системи контролю безпеки робіт та попередження аварій за допомогою оптоелектронного сканування геометричних розмірів об’єкту в точці з заданою точністю незалежного віддалення від центру скануючої апертури.

В першому розділі увага акцентується на актуальності та виборі напряму дослідження. Проведено аналіз існуючих засобів та методів, які можуть використовуватись для контролю геометричних параметрів та безпеки робіт і попередження аварій, тобто в вимірюванні, реєстрації та розрахунку координат точок, які відповідають конфігурації об'єкту (профілю цього об’єкту), та слідкування за його подальшим станом з метою попередження руйнуваннь та аварій.

Другий розділ присвячений теоретичному обґрунтуванню нового метода контролю геометричних параметрів транспортних комунікацій по життєзабезпеченню робочих місць при аваріях та створенню безпечних умов праці в динаміці виробничого процесу на основі оптоелектронних скануючих систем. Раціональне сполучення методики контролю, заснованої на фотометричному методі, модуляції, амплітудних, фазових і імпульсних методах дозволяє створити ефективну систему. Зроблено висновок, що ці методи дозволяють забезпечити високу точність, але їхні недоліки можна об'єднати умовно в одну загальну групу - непридатність для роботи в мобільних контрольних комплексах, що уніфікуються для рішення принципово різноманітних задач контролю безпеки робіт і системи життєзабезпечення робочого місця.

Метод безперервного контролю об'єктів здійснюється посиланням променя і реєстрацією його відбитку або прийомом природнього випромінювання (у залежності від рішення поставленої задачі). Тобто визначається відстань L від центру сканування до об'єкта A, де встановлений кутковий відбивач (рис. 1).

На валі мікроелектродвигуна, встановленого у точці О перпендикулярно до площини креслення, укріплене плоске дзеркало під кутом 45? до осі обертання, на яке падає зколімований пучок світла, що при обертанні дзеркала зі швидкістю описує площину, у якій розташований об'єкт А. При проходженні променя через напрямок ОО1 у фотоприймачі ФП1 утвориться стартовий сигнал. У момент прийому відбитого сигналу фотоприймачем ФП2 утвориться стоповый сигнал. Часовий інтервал між стартовим і стоповим сигналом дорівнює

, (1)

де , , v - швидкість світла в атмосфері.

Рис. 1. Принцип роботи оптоелектронної скануючої системи:

а) конструкція ОСС; б) утворення часових інтервалів

Так маємо

. (2)

Для визначення невідомих розмірів і L реверсуємо розгортуючий електродвигун. Після перетворень маємо

, (3)

. (4)

Рівняння (2) можна розв'язати щодо і L не тільки змінюючи напрямок вектора на зворотний, але й змінюючи його абсолютне значення. При цьому вирази (3) і (4) можуть змінитися, але суть методу – визначення координат об'єкту для створення безпечних умов праці і попередження аварій – не змінюється: для виміру кута і відстані необхідно дві швидкості сканування.

Між стартовим і стоповими імпульсами виникають паралельно у двох каналах два часові інтервали Т та Т. Указані інтервали вимірюються часово-імпульсними способом, утворюючи коди N, N. Якщо одночасно з кодами N та N утворити код періоду обертання між двома стартовими імпульсами N, отримаємо

, (5)

. (6)

де – кут наклону;

l – відстань між центром скануючої системи та кутковим відбивачем.

На підставі теоретичних досліджень розроблено нову методику контролю геометричних параметрів протяжних об’єктів з метою попередження аварій в динаміці виробничого процесу та екстремальних ситуацій на робочих місцях, в якій використовуються лазери та коліматори в сукупності з цифровими методами вимірювання часу, заснованими на принципі збігу імпульсів, що забезпечує похибку вимірювань, що відповідає фазовим дальномірам, а похибку висот реперів – на рівні сучасних нівелірів.

Розглянемо структуру оптоелектронної скануючої системи для рішення практичної задачі контролю геометрії такої транспортної комунікації як міст. Оптоелектронна скануюча система (ОСС) розташована в точці О (рис. 2) так, що її вісь обертання горизонтальна і перпендикулярна до проекційної площини. Гостроспрямований оптичний промінь, обертаючись у вертикальній площині, по черзі обігає куткові відбивачі, встановлені на об'єкті у точці на заздалегідь обміряній відстані. Цифрові еквіваленти кутів утворюються прямим заповненням квантуючими імпульсами часових інтервалів між стартовим імпульсом, що формується усередині самої системи, і стоповими імпульсами, отриманими в результаті відбиття.

Рис. 2. Скануюча система контролю протяжних об'єктів

Період обертання елемента між двома стартовими імпульсами заповнюється квантуючими імпульсами, утворюється код Np, і тоді вимірювані кути визначаються наступним виразом:

, (7)

де f0 – частота квантування.

Похибка визначення висоти точки, віддаленої від ОСС на відстань 200 м, склала 3 мм. Швидкодія ОСС (50…1000 вимірів у секунду) дає можливість осереднювати велику кількість вимірів, за рахунок чого підвищується точність вимірювань з метою попередження аварій. Така методика контролю ґрунтується на роботі ОСС у реальному масштабі часу. Швидкодія системи дозволяє здійснювати не тільки контроль об'єкта, що спостерігається, в статиці, але й оцінку його деформацій у динаміці.

Відповідно до технічних умов (СНиП 3.06.04–91 – Мости і труби) при зведенні та експлуатації споруд мостів відхилення від проектних розмірів становлять від 2 до 50 мм. У таблиці 1 наведено порівняльну оцінку допустимих зміщень та похибки методу оптоелектронного сканування по створенню безпечних умов праці в динаміці усунення аварійних ситуацій.

ГОСТ 21779–82 (СТ СЭВ 2681–80) (Система забезпечення точності геометричних розмірів у будівництві) поширюється на проектування та будівництво будинків і споруд. Технологічні допуски лінійних розмірів для першого класу точності становлять від 0,24 до 5 мм (для номінального розміру від 20 мм до 60 м).

Таблиця 1

Порівняльна оцінка допустимих зміщень та похибки методу оптоелектронного сканування

Допустимі зміщення | Контроль | Похибка методу

1. Поздовжніх осей залізничних пролітних споруд або їхніх балок у плані від розбивочних осей 10 мм

2. Автодорожніх пролітних споруд або їхніх балок 0,0005 прольоту, але не більше 50 мм

3. Дерев’яних пролітних споруд 20 мм

4. Осей обпирання балок пролітної споруди уздовж прольоту 15 мм

5. Від проектної різниці оцінок підфермених площадок у межах однієї опори ± 2 мм |

Кожної балки та пролітної споруди

Те ж

Кожної балки та пролітної споруди

Те ж

Всіх підфермених площадок |

5 мм

8 мм

5 мм

7,22 мм

0,9 мм

Допуски прямолінійності для першого класу точності становлять від 2 до  мм (для номінального розміру від 1 до 60 м). Допуски перпендикулярності для першого класу точності становлять від 0,5 до 1,6 мм (для номінального розміру від 250 мм до 4 м).

Видно, що точність геометричних параметрів у будівництві повинна бути дуже високою, тому що відхилення від граничних розмірів приводять не тільки до аварій на робочих місцях та руйнувань, але й до людських жертв.

Відзначимо також підвищені вимоги до точності кранів баштових будівельних (ГОСТ 13556–91. Загальні технічні умови). Перпендикулярність вісі башти до площини підстави повинна становити (граничний допуск): від 24 мм при 12 м висоти крана до 20 см при 100 м висоти крана. Прямолінійність вісі башти у двох площинах повинна становити не більше 12 мм при 12 м висоти крана та 10 см при 100 м висоти крана. Допуск прямолінійності вісі стріли баштового крану довжиною стріли 20 м – 20 мм, 70 м – 70 мм. Допуск перпендикулярності вісі стріли довжиною 20 м – 40 мм, 70 м – 140 мм.

Запропонована система забезпечує не тільки більш високу точність автоматичного контролю безпеки робіт на робочих місцях, але дає ще низку переваг, таких як універсальність, уніфікованість до мобільних комплексів, можливість осереднювати результати та проводити спостереження не тільки вдень, а і вночі.

У розділі науково обґрунтовані також основні рішення по розробці конструктивних елементів оптоелектронної системи контролю життєзабезпечення на робочому місці. Аналіз похибок показав, що при роботі з застосуванням лазерів особливого значення набувають питання впливу зовнішніх умов. Запропонована система в цьому випадку являє собою скануючу апертуру (СА), що вимірює кути між випромінюючими маяками, розташованими на контрольованих точках об'єкта, і лінією обрію.

На основі функціональної схеми (рис. ) та математичних співвідношень для визначення максимальної відстані між скануючої апертурою і маяком, при якій сигнал надійно виявляється, було створено експериментальний варіант конструкції скануючої апертури. Поряд з дальністю функціонування системи, яка склала 10 км, до числа основних параметрів скануючої апертури слід віднести швидкодію і похибку вимірювання кута. Швидкодія залежить від швидкості обертання , тому можна одержувати 50...1000 вимірів у секунду. Похибка вимірювання кута склала ?? ,13". Слід відзначити, що функціонування створеної оптоелектронної скануючої системи передбачає комп’ютерну обробку інформації. Для вимірювального комплекса розроблений універсальний цифровий багатоканальний вимірювач часових інтервалів.

Рис. 3. Функціональна схема оптоелектронної скануючої системи

У третьому розділі згідно ГОСТ 26433.0–85 та ГОСТ 26433.1–89 (Правила виконування вимірювань. Система забезпечення точності геометричних розмірів в будівництві) були проведені експериментальні дослідження метода оптичного сканування. В ході експериментальних досліджень проаналізовано вплив різних факторів на роботу системи контролю життєзабезпечення робочих місць та можливості зниження похибок оцінки рівня безпеки виконання робіт та практичного використання деяких похибок, наприклад, грубої, для визначення швидкої зміни геометрії об'єкта.

При дослідженні точності вимірювальної системи проведені експерименти по оцінці повторювальності результатів вимірювань кутів при фіксованому положенні приймача відносно блока розгортки. Перший експеримент полягав в поодиночних вимірюваннях кутів з періодичністю 0,01 с після годинного прогріву вимірювальної системи. Другий – в поодиночних вимірюваннях кутів, отриманих з інтервалом 15 с після двочасового прогріву. І третій експеримент проводився з інтервалом 10 хвилин без попереднього прогріву вимірювальної системи.

За експериментальними даними визначені раціональні режими роботи системи життєзабезпечення робочих місць і зроблені такі практично важливі висновки: оптимальним є режим проведення вимірювань, що відповідає умовам проведення і характеристикам роботи системи при першому експерименті; критичними умовами для проведення експериментів є умови проведення і характеристики роботи системи при третьому експерименті; найбільш впливовими факторами є нагрів системи і теплові флуктуації в процесі роботи, а також частота сканування.

Для врахування впливу на кінцевий результат вимірювань випадкових збурених діянь в запропонованій системі (рис. ) виділено чотири основні блоки.

Рис. 4. Структурна схема вимірювальної системи:

1 – первинний вимірювальний перетворювач (система оптичної розгортки);

2 – пристрій перетворювання кут-код, що складається із скануючої апертури з оптоволоконним каналом (СА с ОСК), багатоканального цифрового тракту з фотоелектричною генерацією імпульсів (МЦТ с ФЭГИ) і цифрового верньєрного

блока - лічильника (ЦВБ-С); D, E, R – периферійне обладнання комплексу

3 – блок цифрової обробки даних; 4 – блок індикації.

Для оцінки специфіки використання скануючої системи для системи життєдіяльності робочих місць по усуненню аварій, тобто оцінки реакції системи на довільні діяння, запропонована узагальнена модель похибок, яка будується на основі подавання системи як єдиного технічного комплексу. Побудована математична модель вимірювальної системи. Виділені дві складові: модель з безперервним часом і модель з дискретним часом. Доведено, що загальною моделлю похибки є багатомірний нестаціонарний випадковий процесс, а її аргументами є вхідні величини xixi,н, xi,в (координати m-точок, що контролюються), а також Т – час експлуатації вимірювального засобу

{}={k(x1,...,xm,T)}. (8)

Індекс k – порядковий номер реалізації процесу вимірювання кутів. Реалізації процесу {} діються в дійсному часі tTkT. Фізичний зміст похибки як випадкового процесу складається у тому, що вимірювальна система розміщується у m+1 – мірному випадковому просторі з координатами x1, ..., xm+1 (де xm+1 = T). В залежності від положення вимірювальної системи в цьому просторі виходять різноманітні реалізації похибок. Так, якщо xi == const, і l, … m  , T = const (випадок контролю прямолінійності), то процес виникнення похибок одномірний, {}={(x)}.

У багатьох випадках нестаціонарний процес утворення похибок {} можна подати за допомогою стаціонарного процесу {} і функцій h(x1, xm, T), g(x1, xm, T) аргументів, що вимірюються

{} = g(x1,...,xm, T){}+ h(x1,..., xm, T). (9)

Моделювання процесу утворення похибок дозволяє оцінювати функціонування системи життєзабезпечення робочого місця в різноманітних умовах на різних об'єктах.

Проведено аналіз похибок вимірювання за допомогою оптоелектронної скануючої системи. Доведено, що система має високу точність, необхідну для контролю геометричних параметрів транспортних комунікацій з метою попередження аварій. Розраховано середньоквадратичну похибку визначення відхилення контрольованої точки. Вона склала 7,22 мм для одиничного вимірювання точки, віддаленої від системи на 100 м. Показано, що при осередненні n-результатів точність підвищується в раз, і похибка при осередненні результатів вимірювання склала 0,9 мм. Доведено, що похибка визначення геометричних параметрів протяжних об'єктів залишається сталою при різному віддаленні від оптоелектронної скануючої системи.

Четвертий розділ присвячений практичному застосуванню системи життєзабезпечення робочого місця по усуненню аварійного стану мостів, які є найбільш складними і відповідальними спорудами на автомобільних дорогах. Значна частина існуючих мостів експлуатується з різного роду ушкодженнями та дефектами. За багаторічний період Харківським національним автомобільно-дорожнім університетом було виконано обстеження та випробування більш ніж 1500 мостів. З розглянутих нещодавно усіх 796 мостів у Харківській області 9% мають аварійний стан, а 75% вимагають постійного ремонту та обмеження вантажопідйомності. З найпоширеніших дефектів виділено такі як осідання перехідних плит на сполученні (70%), руйнування захисних покриттів і корозія металу сталевих мостів (41%), руйнування конусів насипу підходів через неправильний підбор ґрунтів (43%). У цих випадках може використовуватись запропонована система попередження та прогнозування впливу на людину різних комбінацій стану споруд.

Однієї з основних причин незадовільного стану мостів є несвоєчасне обстеження та контроль роботи споруд. Все це призводить до руйнувань та аварійних ситуацій. Відзначено, що запропоновані метод і система контролю безпеки робіт на робочому місці та попередження аварій мають властивість універсальності. Система дозволяє визначити координати точки у просторі з точністю 0,90 мм.

У розділі розроблено конструктивні елементи інформаційно-вимірювальної системи. Конструкція скануючої апертури (рис. 5) така, що незалежно від напряму падіння променя у щілинній діафрагмі, зважаючи на її здібності виділення “чорно-білої границі”, здійснюється формування імпульсів стандартної форми, під якими маємо на увазі прямокутні імпульси.

Рис. 5. Компоновка скануючої апертури

Відзначено, що швидкодія скануючої апертури цілком визначається швидкістю її обертання. Частота сканування fСА=50…500 Гц дозволяє осереднювати численні виміри з метою підвищення точності. Середньоквадратичне значення похибки виділення часових інтервалів ti склало 8,72·10-8 с або 11,3". Період сканування Тр?2·10-2…2·10-3 с, фокусна відстань об’єктиву 150 – 500 мм.

Розроблено методику застосування автоматичної скануючої системи з метою попередження аварій і руйнувань об'єктів та створення безпечних умов праці, яка має деякі специфічні особливості, а компонування системи залишається незмінним.

ВИСНОВКИ

1. Розроблено математичну модель нового методу безперервного контролю життєзабезпечення робочих місць і попередження аварій в динаміці робочих процесів на основі використання оптоелектронного вимірювального комплексу та цифрової часово-імпульсної обробки даних. Вперше запропоновано модель скануючої системи, на якій базується наведений алгоритм обробки даних, отриманих у ході аналого-цифрового перетворення кутів у пропорційні до них цифрові коди, що дозволяє проводити оцінку безпеки у комплексі діючих факторів на робочому місці.

2. Науково обгрунтовано математичний апарат, що дозволяє перейти до якісно нового підходу, який спрямований на забезпечення постійної підтримки життєзабезпечення на робочому місці. Максимальна відстань між скануючою апертурою і випромінюючими маяками небезпечних ділянок склала Rmax 4 м  км. Швидкодія системи залежить від швидкості обертання і становить 50...1000 вимірів у секунду. Встановлено середньоквадратичне значення похибки виділення часових інтервалів при створенні безпечних умов праці на виробничих ділянках, що склало ?? ,72*10-8 с, тобто 11,3".

3. Розроблено математичну модель системи контролю життєзабезпечення робочого місця і попередження аварій, що оцінює похибки при створенні різних оптоелектронних скануючих систем. Середньоквадратична похибка визначення відхилення контрольованої точки, оцінюючої безпеку умов праці, оптоелектронною скануючою системою склала 7,22 мм для одиничного виміру точки, віддаленої від системи на 100 м. Доведено, що похибка визначення безпеки умов праці на протяжних об'єктах не залежить від установки оптоелектронної скануючої системи. Наведено рекомендації з ефективного використання системи життєзабезпечення робочого місця для вирішення прикладних задач з попередження аварій на різних об'єктах. Показано реальні приклади роботи оптоелектронної скануючої системи з контролю геометричних параметрів транспортних комунікацій для створення безпечних умов праці і попередження аварій.

4. Експериментальними дослідженнями встановлені оптимальні режими контролю умов праці на робочому місці за критерієм мінімуму сумарної похибки результатів вимірювань. Встановлено основні фактори, що впливають на розмір похибки від теплового дрейфу частоти шкали квантування та похибки від розсіювання скануючого променя в атмосфері при різних кліматичних умовах і часі обробки сигналу.

5. Науково обґрунтовано необхідність застосування розробленої системи контролю життєзабезпечення робочих місць і попередження на них аварій, яка використовується для визначення геометрії протяжних об'єктів транспортних комунікацій, контролю протяжних об'єктів будівельних споруд та обладнання, цифрового картографування місцевості, навігації транспортних засобів, а також у створенні апаратної реалізації засобів підвищення перешкодостійкості оптоелектронної скануючої системи до впливу середовища та до факторів нестабільності її складових компонентів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Контроль протяженных объектов по предупреждению аварий: (Монография) / А.В. Бажинов, И.А. Бабенко; Харьк. нац. авто-дор. универ. – Харьков, 2007. – 165 с.

2. Тырса В.Е., Бабенко И.А. Контроль геометрии мостов и протяженных сооружений оптическими сканирующими системами // Автошляховик України. – Киев, 1996. - № 3. – С. 47 – 48.

Здобувачем запропоновано принцип дії та конструкцію оптичної скануючої системи, отримано формули, виконано розрахунки і сформульовано основні висновки.

3. Бабенко И.А. Оптическая сканирующая апертура для контроля прямолинейности протяженных объектов // Вестник ХГАДТУ. – Харьков: ХГАДТУ, 1997. - № 5. – С. 61 - 63.

4. Бабенко И.А. Захарнев Е.А. О выборе технических средств для автоматического мониторинга деформируемых и оползневых участков дорогВестник ХГАДТУ. – Харьков: ХГАДТУ, 1999. - № 9. – С. 85 - 88.

Здобувачем обґрунтовано методику, запропоновано конструкцію скануючої апертури, виконано розрахунки та описано використання системи.

5. Бабенко И.А. Оценка погрешностей мониторинга специальной оптической системы для измерения геометрических характеристик протяженных объектов // "Інформаційні керуючі системи на залізничному транспорті". – Харьков: ХГАЖДТ, 1999. - № 3. - С. 77 - 79

6. Бабенко И.А. Применение оптоэлектронных сканирующих систем для навигации автотранспортных средств // "Автомобильный транспорт". – Харьков: ХГАДТУ. - 1999. - № 2. - С. 80 - 82.

7. Бабенко И.А. Анализ погрешностей измерения профиля при помощи оптоэлектронной сканирующей системы // Вестник ХНАДУ. – Харьков: ХНАДУ, 2005. - № 28. – С. 81 - 84.

8. Бабенко И.А. Использование автоматической сканирующей системы для решения практических задач // Технические и экономические перспективы развития автотранспортного комплекса и дорожного строительства. Материалы международной научно-технической конференции. Украина, Харьков, Вестник ХНАДУ. – Харьков: ХНАДУ, 2005. - № 29. – С. 24 - 28.

9. Бабенко И.А. Лазерная сканирующая система автоматизации геодезического контроля геометрии мостов и протяженных сооружений // Тезисы докладов 1-го Международного молодежного форума "Электроника и молодежь в ХХІ веке". – Харьков: ХГТУРЭ, 1997. – С. 100.

10. Бабенко И.А. Применение оптических сканирующих систем для автоматизации геодезического контроля деформаций протяженных объектовСборник трудов международной научно–технической конференции "Метрология в электронике". – Харьков: ГНПО "Метрология", Т. 2. 1997. – С. 158 – 160.

11. Алексеев О.П., Бабенко И.А. Терминологические проблемы определения мониторинга транспортных коммуникаций // Сборник трудов научно–методической конференции "Эргономика на автомобильном транспорте". – Харьков, ХГАДТУ, 1997. – С. 78 – 79.

Здобувачем сформульовано основні терміни: моніторингу, моніторингу транспортних комунікацій, протяжних об'єктів, стану протяжних об'єктів та інших.

АНОТАЦІЯ

Бабенко І. О. Інформаційно-вимірювальна система контролю безпеки робіт по попередженню аварій. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.26.01 – Охорона праці. – Харківський національний автомобільно-дорожній університет, Харків, 2007.

Дисертація присвячена розробці нових засобів і методів контролю безпеки робіт та попередження аварій за допомогою оптоелектронного сканування, попередньої обробки оптичних сигналів і цифрової часово-імпульсної обробки інформації в реальному масштабі часу.

Розроблено оптоелектронні технічні засоби вимірювального комплексу автоматичної скануючої системи зі збираючою апертурою і цифровою часово-імпульсною обробкою даних для попередження аварій та екстремальних ситуацій на протяжних об'єктах та транспортних комунікаціях. Проведено моделювання роботи комплексу, особливостей побудови оптоелектронних скануючих систем і алгоритмізацію процесів обробки значень даних у таких системах на прикладі оцінки протяжних об'єктів. Пропоновані апаратні засоби підвищення перешкодостійкості оптоелектронних скануючих систем до умов і середовища їхньої роботи, до факторів нестабільності складових її компонентів. Оцінено створену систему, співвідношення дальності і точності, розроблено методичні рекомендації для рішення різноманітних практичних задач контролю безпеки робіт та попередження аварій. Проаналізовано універсальний характер розробленої системи та описані можливі варіанти її застосування для контролю транспортних комунікацій, при цифровому картографуванні місцевості, рішенні задач навігації транспортних засобів з метою попередження аварій та руйнувань об'єктів і створення безпечних умов праці.

Ключові слова: інформаційно–вимірювальна система, контроль, безпека робіт, попередження аварій, екстремальні ситуації, оптоелектронна скануюча апертура, часово-імпульсна обробка даних.

АННОТАЦИЯ

Бабенко И. А. Информационно-измерительная система контроля безопасности работ по предупреждению аварий. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.26.01 – Охрана труда. – Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, Харьков, 2007.

Диссертация посвящена разработке новых средств и методов контроля геометрических параметров и контроля безопасности работ и предупреждения аварий с помощью оптоэлектронного сканирования, предварительной обработки оптических сигналов и цифровой время-импульсной обработки информации в реальном масштабе времени.

Разработаны оптоэлектронные технические средства измерительного комплекса автоматической сканирующей системы с собирающей апертурой и цифровой время-импульсной обработкой данных для предупреждения аварий и экстремальных ситуаций на транспортных коммуникациях. Оригинальные конструктивные особенности оптической части системы позволяют достаточно просто и эффективно задать алгоритм выполнения измерительной операции. Та же конструкция в сумме с детально проработанным математическим обеспечением процесса обработки информации делают систему инвариантной относительно флуктуаций полезного сигнала. Система не исключает мобильного варианта реализации, обеспечивает заданную весьма высокую точность измерения угловых отклонений (которые легко трансформируются в любые линейные геометрические характеристики) для создания безопасных условий труда и предупреждения аварий на транспортных коммуникациях.

Рассмотрены причины возникновения погрешностей оптоэлектронной сканирующей системы. Снижение случайной погрешности при контроле геометрических параметров протяженных объектов достигается путем осреднения результатов многократных измерений. Поскольку при высокой скорости сканирования значительное количество осредняемых результатов получено за чрезвычайно короткий интервал времени, эффективность способа снижения случайной погрешности очень высокая.

Для исследования точности измерительной системы проведены эксперименты, целью которых была оценка повторяемости результатов измерений углов при фиксированном положении приемника относительно блока развертки.

Проведено моделирования работы комплекса, особенностей построения оптоэлектронных сканирующих систем и алгоритмизация процессов обработки значений данных в таких системах на примере оценки протяженных объектов и систем.

Анализ погрешностей автоматической сканирующей системы с собирающей апертурой и цифровой время-импульсной обработкой данных показал, что система имеет высокую точность, необходимую для контроля геометрических параметров протяженных объектов с целью создания безопасных условий труда и предупреждения аварий. Показано, что погрешность определения геометрических параметров протяженных объектов остается постоянной при различном отдалении от системы.

Предложены аппаратные средства повышения помехоустойчивости оптоэлектронных сканирующих систем к условиям и среде их работы, факторам нестабильности составляющих ее компонентов.

Проведена оценка созданной системы, соотношения дальности и точности, разработаны методические рекомендации для решения различных практических задач контроля для создания безопасных условий труда и предупреждения аварий. Проанализирован универсальный характер разработанной системы и описаны возможные варианты ее применения для контроля транспортных коммуникаций, цифровом картографировании местности, при решении задач навигации транспортных средств с целью предупреждения аварий и разрушений объектов и создания безопасных условий труда.

Ключевые слова: информационно-измерительная система, контроль, безопасность работ, предупреждение аварий, экстремальные ситуации, оптоэлектронная сканирующая апертура, время-импульсная обработка данных.

ABSTRACT

Babenko I. O. Data-measuring system for controlling work safety for accident prevention. – Manuscript.

Thesis for competition of scientific degree of candidate of technical sciences. Profession 05.26.01 – Labour protection. – Kharkiv National Automobile and Highway university, Kharkiv, 2007.

The thesis is dedicated to preparation of new facilities and methods of work safety controlling and accident prevention using optoelectronic scanning, pretreatment of optical signals and digital time-impulse real-time data processing.

Optoelectronic technical facilities of an automatic scanning system measuring complex with a gathering aperture and a digital time-impulse data processing for prevention of accidents and extreme cases at long drawn-out objects and transport services have been devised. The modeling of complex operation, particular features of the optoelectronic scanning system construction and the algorithmization of data processing processes in such systems have been carried out by the example of evaluating long drawn-out objects. The hardware for noise immunity increase of optoelectronic scanning systems against the conditions and environment of their functioning and the factors of instability of their component parts have been suggested. The created system and the correlations of remoteness and precision have been evaluated. The methodical guidelines for solving various real-world problems of work safety control and accident prevention have been developed. The universal character of a worked out system has been examined and the possible variants of its practical usage (controlling of transport service, digital cartography of locality, navigation of vessels with the purpose of accident and the object destruction prevention, creating the safe labour conditions) have been described.

Key words: information-measuring system, control, work safety, accident prevention, extreme cases, optoelectronic scanning aperture, time-impulse data processing.

Підписано до друку 26.11.2007 р.

Формат 6084 1/16. Папір офсетний. Гарнітура Times New Roman.

Друк RISO. Умов. друк. арк. 0,9

Замовлення № 991/07 Тираж 100 прим.

Видавництво ХНАДУ, 61002, м. Харків - МСП, вул. Петровського, 25

Свідоцтво Державного комітету інформаційної політики, телебачення та радіомовлення України про внесення суб’єкта видавничої справи до Державного реєстру видавців, виготівників і розповсюджувачів видавничої продукції,

серія ДК № 897 від 17.04.2002 р.