Глава 7. УПРАВЛЕНИЕ МНОГООБЪЕКТНЫМИ КОМПЛЕКСАМИ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОСВОЕНИЯ ОКЕАНА

7.1. Особенности процессов управления судами, осуществляющими исследование и освоение минерально-сырьевых ресурсов океана

Во всем многообразии современных морских геолого- геофизических, поисково-разведочных и добычных работ можно выделить три основные группы, различающиеся по виду сырьевых ресурсов:

1. Геолого-геофизические исследования, направленные на обнаружение горючих полезных ископаемых (нефть, газ, уголь и т. д. ) на шельфе и континентальном склоне.

2. Поиск и разведка негорючих полезных ископаемых (железо-марганцевые конкреции, сульфидные руды и т. д. ) в Мировом океане.

3. Добычные работы, связанные со сбором и подъемом твердых полезных ископаемых со дна Мирового океана.

Технические средства для выполнения этих работ представляют собой сложные комплексы, образованные судами, аппаратами и другими носителями технологических инструментов. Управление движением этих комплексов требует решения новых задач, отличных от задач управления одиночными МПО.

Рассмотрим три типа комплексов, основной отличительной особенностью которых является наличие, кроме судна-носителя, различных по конструкции и назначению буксируемых систем с соответствующими техническими средствами исследования, поиска и добычи минеральных ресурсов океана.

1. Сейсморазведывательный комплекс. Сейсмические и сейсмоакустические методы являются одним из важнейших видов геофизической разведки. Их применение связано с изучением искусственно возбуждаемых упругих колебаний. Морская сейсморазведка по методу отраженных волн получила наибольшее распространение благодаря своей

Рис. 7.1. Сейсморазведочный комплекс.

высокой производительности. С ее помощью определяется структура разрезов земной коры и тем самым сведения о глубине залегания и формах различных геологических образований, прогнозируются физические свойства многих видов минерального сырья.

Морской сейсморазведочный комплекс (рис. 7.1) включает в себя судно с излучателем акустических сигналов и буксируемый на глубине 10—20 м сейсмографный кабель, протяженностью до 4000 м с установленными в нем приемниками отраженных сейсмических сигналов. При сейсморазведке производится зондирование вертикальных разрезов-профилей. Пересечения таких вертикальных плоскостей с поверхностью океана образуют заданные линии профиля. С движущегося судна 1 с помощью излучателя 2 производят периодические посылки акустических сигналов. Отраженные от различных слоев зёмной коры сейсмические волны принимаются пьезоприемниками 3, расположенными в приборных секциях буксируемого сейсмографного кабеля 4. Скорость движения комплекса меняется в. пределах 2—4 м/с.

Кабель, буксируемый в верхнем слое воды, подвергается воздействию поверхностных течений, в результате чего отклоняется от заданной линии профиля.

В процессе управления комплексом на основе оценки пространственного расположения (конфигурации) сейсмографного кабеля и местоположения судна минимизируются отклонения приборных секций кабеля от линии профиля.

Управление осуществляется с помощью судна-буксира. При этом необходимо уменьшать уровень акустических помех, которые возникают в результате работы винтов и других судовых технических средств, а также собственных шумов движущегося кабеля.

2. Поисково - разведочный комплекс с буксируемым глубоководным аппаратом. Поисково-разведочные работы в глубоководных районах океана при изучении рудных полей твердых полезных ископаемых на глубинах до 6000 м выполняются с помощью подводных аппаратов (ПА). На них устанавливается фототелевизионная аппаратура, локаторы бокового обзора, зонды гам-маспектроскопического анализа и проч.

Поисково-разведочный комплекс (рис. 7.2) состоит из судна 7, кабель-троса 2, связанного с судном посредством буксирной лебедки 3, и буксируемого подводного аппарата 4.

Программа движения комплекса зависит от характера работ и специфики функционирования аппаратуры. Исследование заданного района выполняется путем покрытия его сетью опорных (генеральных) траекторий, отстоящих одна от другой на величину, зависящую от ширины захвата поисковой аппаратуры, ее разрешающей способности, точности навигационного обеспечения и комплекса требований к детальности съемки. Сеть траекторий, которые являются линиями профиля, определяет программу движения ПА. Важнейшее требование к качеству проведения работ - движение ПА на заданном расстоянии от дна (обычно от 5 до 20 м) с заданной скоростью, которая не превышает 1-1,5 м/с.

Рис. 7.2. Поисково-разведочный комплекс с буксируемым глубоководным аппаратом.

Рис. 7.3. Добычный комплекс.

Большинство ПА не имеют активных средств управления, поэтому управление движением комплекса по заданной программе осуществляется посредством судна-буксира и буксирной лебедкой. При этом необходимо обеспечивать минимизацию отклонений подводного аппарата от заданной линии профиля, стабилизацию скорости аппарата и его отстояния от дна на основе оценки пространственных конфигураций кабель-троса, а также взаимного расположения судна и ПА. Во время перехода комплекса с одной линии профиля на другую требуется координированное управление всеми элементами комплекса, при котором достигается его безопасность и целостность.

3. Комплекс добычи твердых полезных ископаемых. Наиболее ценными твердыми полезными ископаемыми в океане являются железомарганцевые конкреции (ЖМК) и сульфидные полиметаллические отложения руды, распространенные в глубоководных районах Мирового океана. Добыча твердых полезных ископаемых требует специальных технических средств, разработка которых в настоящее время ведется во многих странах.

Океанский добычный комплекс для сбора ЖМК и подъема их на поверхность эрлифтным способом (рис. 7.3) состоит из судна 7, колонны труб 2, оканчивающейся буферной платформой 3, и донного самоходного агрегата сбора 4, связанного с буферной платформой гибким шлангом 5.

Предполагается, что впереди агрегата сбора движется телеуправляемый подводный аппарат 6 для изучения донной обстановки на пути движения комплекса. Аппарат соединен с буферной платформой кабель-тросом.

Донный агрегат осуществляет сбор, загрузку, предварительную промывку и дробление породы, которая в виде пульпы (смесь породы, воды и воздуха) через гибкий шланг и колонну труб откачивается на борт добычного судна. Гибкий шлан? обеспечивает относительную свободу перемещений агрегата сбора, необходимую для обхода препятствий и технологических маневров.

Добычный комплекс движется со скоростью 0,25-1,0 м/с. Основная цель управления при этом заключается в том, чтобы обеспечивать координированное перемещение всех элементов комплекса в соответствии с программой движения агрегата сбора, которая определяется технологией обработки месторождения и необходимостью обходить препятствия. Другими словами, в процессе управления должно выполняться условие безопасности, заключающееся в том, чтобы расстояния между отдельными элементами комплекса (судно-буферная платформа, буферная платформа - агрегат сбора) не превосходили допустимые значения. Для этого система управления добычного комплекса должна выполнять следующие функции:

- определять оптимальный курс добычного судна с целью минимизации энергетических затрат в условиях ветро-волновых возмущений;

— стабилизировать судно на оптимальном курсе во всех режимах работы при спуске и подъеме колонны труб, при позиционировании в точке, при движении по заданной траектории и т. п.;

— обеспечить динамическую стабилизацию судна и буферной платформы на основе оценки взаимного расположения движущихся объектов;

— формировать координированные программные траектории движения и определять желаемые изменения кинематических параметров элементов комплекса по условиям технологии сбора, наличия препятствий, динамических свойств объектов и т. п.;

— обеспечивать координированное движение комплекса в соответствии с программными траекториями его элементов;

— предотвращать аварийные ситуации, связанные с внезапной остановкой агрегата сбора, уходом судна с программной траектории и т. п.

Рассмотренные специфические конструктивные и динамические свойства многообъектных комплексов исследования и освоения океана, несмотря на существенные различия объектов и выполняемых ими задач, имеют ряд общих признаков и условий функционирования. Во всех комплексах присутствуют элементы с распределенными параметрами (сейсмографный кабель, кабель-трос, колонна труб), математическое описание которых основано на дифференциальных уравнениях в частных производных. Это дает возможность сформировать некоторые общие подходы к разработке математических моделей, анализу и синтезу управления движением этих комплексов.