Введение к работе
Актуальность работы. В последние годы все большее развитие получают исследования, связанные с изучением состояния морских акваторий и влияния на них антропогенных воздействий. Для этих целей проводятся специальные исследования с применением различных технических средств и современных методик. Одной из самых безопасных и наиболее эффективных является методика, основанная на использовании автономных необитаемых подводных аппаратов (D.R. Blidberg, G.R. Griffiths, D.R. Yoerger, A.B. Адрианов, В.И. Дулепов, В.Г. Тарасов, А.Ф. Щербатюк). Применение автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА) позволяет проводить экологический мониторинг, исследовать донные ландшафты, выполнять оценки плотности поселения и биомассы, а также распределения бентосных животных на водных акваториях. С помощью АНПА можно исследовать обширные территории и сохранять целостность биоразнообразия, а также работать на больших глубинах и изучать районы со сложным рельефом и гидрологией.
Особое внимание привлекают процессы распространения различных инородных веществ, связанные с бытовой и промышленной деятельностью, а также с засорением окружающей среды посредством выбрасывания опасных источников в море. Одним из примеров неоднородностей внешней среды является шлейф, который образуется в результате сброса технологических отходов из трубы или от расположенного на дне источника растворенного вещества под воздействием имеющихся в данном районе течений. Задачами обследования могут быть локализация (оконтуривание) образовавшегося района с повышенной концентрацией примеси или определение местоположения источника растворенного вещества. Реальные шлейфы могут иметь неравномерное, скачкообразное распределение химического вещества и не расширяться равномерно с увеличением расстояния до химического источника.
Традиционные методики получения проб с использованием судов в общем случае дороги и не обеспечивают детального покрытия акваторий. При этом обычно заданный район покрывается равномерной сетью галсов в виде меандра. Однако, когда цель обследования состоит в том, чтобы обнаружить и отразить какие-то характерные неоднородности внешней среды, исчерпывающее обследование может занять много времени. В этом случае целесообразно использовать адаптивные алгоритмы формирования траекторий движения АНПА, предназначенные для более эффективного решения задачи.
Очевидно, что платформы, такие как автономные необитаемые подводные аппараты, являются мобильными и способны адаптивно исследовать процессы в зависимости от времени и на значительных дистанциях. АНПА обеспечивают эффективное выполнение мониторинга окружающей среды, а данные, собранные с их помощью, позволяют осуществлять предсказательное моделирование для принятия решений и регулирования, например, вы-
бросов отработанных вод. В связи с этим актуальной является разработка методов автоматического выполнения экологических исследований с помощью АНПА с целью картографирования водных акваторий по заданным параметрам.
Целью работы является разработка алгоритмов и методов обследования водной среды на основе использования нового вида транспортных средств, каковыми являются АНПА.
Основные задачи исследования.
Разработка и исследование алгоритмов пространственной съемки водных акваторий с помощью АНПА и методов обработки данных измерений для картографирования по заданным параметрам.
Разработка и исследование адаптивных алгоритмов формирования траектории движения АНПА при обследовании неоднородностей водных акваторий.
Разработка и исследование алгоритмов группового поведения АНПА для обследования водных акваторий.
Положения, выносимые на защиту.
Алгоритм пространственной съемки водных акваторий и метод обработки данных, полученных АНПА, для картографирования по заданным параметрам.
Алгоритмы формирования траектории движения АНПА при обследовании локальных неоднородностей водных акваторий.
3. Программная реализация алгоритмов формирования траекторий
движения АНПА для обследования водной среды.
4. Результаты обработки натурных данных, полученных с использова
нием АНПА.
Методы исследования. При выполнении работы применялись методы численного анализа, теории фильтрации, принятия решений и математического моделирования.
Научная новизна диссертационных исследований заключается в том, что разработаны и реализованы алгоритмы формирования траекторий движения для обследования водных акваторий, предназначенные для нового вида транспортных средств - АНПА, позволившие значительно повысить эффективность выполнения съемки, а также принципиально решить задачу автоматического обнаружения точечных источников неоднородности; предложены алгоритмы обработки полученных с помощью АНПА данных для 3D картографирования водных акваторий по заданным параметрам.
Практическая ценность работы. Практическая значимость работы состоит в том, что ее результаты непосредственно ориентированы на решение прикладных проблем, связанных с экологическими исследованиями. Работа выполнялась в рамках целевой комплексной программы ДВО РАН «Биобезопасность дальневосточных морей», а также при поддержке грантов РФФИ 050833333а, 060807501k, 060896928р_офи, 070800596а и 100800249а.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным применением использованных в работе математических методов и подтвер-
ждается численным моделированием и натурными экспериментами. Результаты исследования соответствуют основным общепринятым теоретическим и практическим положениям.
Апробация работы. Полученные в процессе работы над диссертацией результаты прошли апробацию на международных и всероссийских конференциях: международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация» (Барнаул, 2004); IX международной научной конференции «Экология и жизнь» (Пенза, 2006); II всероссийской научной конференции «Технические средства освоения океана» (Владивосток, 2007); 5-й научной конференции «Управление и информационные технологии» (Санкт-Петербург, 2008); XI международной научно-технической конференции «Современные методы и средства океанологических исследований» (Москва, 2009).
Результаты работы докладывались и обсуждались на научно- технических семинарах Института проблем морских технологий ДВО РАН и Института автоматики и процессов управления ДВО РАН (2005 - 2010 гг.).
Публикация результатов работы. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, из которых 7 работ - доклады на международных и всероссийских конференциях, 3 работы - в журналах и сборниках (две - в изданиях из списка, рекомендованного ВАК), и одна работа - глава книги, выпущенной издательством Дальнаука.
Личный вклад автора. Основные научные положения, теоретические выводы, а также практические результаты модельных экспериментов и обработки данных морских испытаний, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. В совместных работах автор внес следующий вклад: [1, 6, 9] - разработка алгоритмов движения АННА и обработки данных при обследовании водных акваторий; [2] - алгоритм и компьютерная реализация обработки данных морских исследований; [5, 7] - анализ и выбор экономичных современных датчиков для малогабаритного АННА; [4, 8, 10, 11] - программная реализация и компьютерное моделирование разработанных алгоритмов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Основная часть работы изложена на 112 страницах машинописного текста, содержит 70 рисунков, 4 таблицы. Список литературы включает 103 наименования.
