IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Умный город с защитой от природных стихий и техногенных катастроф
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
С появлением наших далеких предков на Земле появилась необходимость защиты от опасностей человека в среде обитания. Людям угрожали опасные природные явления и представители биологического мира [4]. Но эти природные явления продолжают причинять огромный ущерб всем странам планеты. В начале XXI века человечество пережило заметные изменения своей среды обитания, характеризующиеся увеличением частоты возникновения крупных природных бедствий и техногенных катастроф. Особенностью современных катастроф является их комплексный, взаимоувязанный характер. Так, в результате природных катастроф возникают техногенные, и наоборот, техногенные катастрофы индуцируют природные катаклизмы, а локальные военные действия и террористические проявления вызывают чрезвычайные ситуации в техногенной, социальной, экономической сферах [5].
Актуальность темы:
На данный момент человечество столкнулось с самым большим кризисом нашего поколения, вызванным пандемией коронавируса COVID-19 по всей планете. К сожалению, по мнению ученых, пандемия такого рода не будет последней, и человечеству необходимо готовиться к новым эпидемиям. Стихия учит людей выживать, анализировать свои поступки и встречать любое проявление природы осмысленно, без паники [4].
Так может настало время менять, а не приспосабливаться? Скольким еще нужно погибнуть от стихийных бедствий и техногенных катастроф? Неужели чреда катастроф, да даже за последние 2 года во всем мире, ничему не научила человечество? Мы живем во время научно-технического прогресса, у нас есть все возможности обезопасить себя, ведь человеческая жизнь – самое ценное! Мы должны действовать быстро и решительно.
Цель исследования: Изучение материалов о различных видах катастроф, а также методов их предотвращения, и создание модели Умного города на базе конструктора Lego Mindstorms EV3.
Задачи исследования:
Изучить и проанализировать природные стихии и техногенные катастрофы в мире;
Предложить альтернативную систему обнаружения, оповещения и эвакуации городов;
На основе изученной информации создать на базе конструктора Lego Mindstorms EV3 несколько вариантов города, оснащенного современными и точными системами обнаружения катастроф, и продемонстрировать способы эвакуации таких городов.
В качестве источников информации мы использовали информационные сайты. При оформлении проекта мы брали идеи из большой книги «LEGO Идеи: новая жизнь старых деталей» [1], при конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах, подробно о зубчатых передачах [2], при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике [3].
Глава 1. Природные стихии на планете Земля.
Виды природных стихий
Природные бедствия представляют собой нарушение состояния природной среды вследствие интенсификации природных явлений или процессов, приводящее к разрушительным последствиям и нанесению ущерба. Другими показателями современной тенденции природных бедствий является их разнообразный характер. Так, для территории Российской Федерации наиболее характерными являются катастрофические явления атмосферного характера, землетрясения, наводнения, опасные геологические процессы, крупные лесные и торфяные пожары.
Каждый год на Земле происходит до 1500 землетрясений (Рисунок 1.1.1 Приложения), 300 из них носит разрушительный характер. Стихия учит людей выживать, анализировать свои поступки и встречать любое проявление природы осмысленно без паники. На территории России за год в среднем в 2010-2019 гг. произошло около 350 чрезвычайных ситуаций (ЧС) природного характера. Россия также подвержена опасным экзогенным геологическим процессам и явлениям. Интенсивность этих процессов возрастает с севера на юг и с запада на восток. Высокую опасность представляют оползни (Рисунок 1.1.2 Приложения). Оползнеопасные районы занимают около 40 % площади России.
Практически ежегодно в РФ происходят крупнейшие наводнения (Рисунок 1.1.3 Приложения). По площади охватываемых территорий и причиненному материальному ущербу данная стихия доминирует над остальными. Потенциальному затоплению подвержена территория страны общей площадью 400 тыс.кв.км.
Природные пожары также опасны. Июль-август 2010 года оказались аномально жаркими и засушливыми. В разгар пожаров в пяти субъектах России (Рисунок 1.1.4 Приложения) был введен режим чрезвычайной ситуации. По официальным данным, пострадавших или погибших в результате этого природного катаклизма не было. Во многих регионах центральной России начались лесные и торфяные пожары. Ущерб от пожаров составил 12 млрд руб. [4].
Самой разрушительной стихией являются ураганы. В ночь с 20 на 21 июня 1998 г. на Москву обрушился ураган (Рисунок 1.1.5 Приложения), в результате которого восемь человек погибли и 157 были ранены. Скорость ветра в Москве и области составила 31 м/сек. Было нарушено освещение 193 улиц и отключено электроснабжение 905 домов, повреждено 2157 жилых строений. Ущерб от урагана составил 1 млрд руб.
Причины возникновения
Отличительной чертой современных природных и техногенных бедствий является потенциальная возможность их проявления на значительных территориях с возникновением различных видов опасности для большой численности населения. В России 57 % населения проживает в зонах возможных чрезвычайных ситуаций. Причем возможности появления различных видов природной и техногенной опасности не одинаковы для различных регионов страны [5].
Существует несколько основных факторов, способствующих возникновению крупномасштабных катастроф:
глобальное изменение климата и усиление сейсмической активности;
постоянно растущая эксплуатация природных богатств;
интенсивное освоение территорий в зонах повышенного природного риска;
ограниченные возможности существующих технических средств мониторинга риска и прогнозирования крупномасштабных чрезвычайных ситуаций;
недостаточная оснащенность систем предупреждения и готовность сил и средств к реагированию на природно-техногенные катастрофы.
В настоящее время отмечается опасная тенденция роста числа природных катастроф, так как они происходят в пять раз чаще, чем 30 лет назад, а экономический ущерб, причиненный ими, вырос в восемь раз, а также растет число жертв от их последствий. Это связано с растущей концентрацией населения на урбанизированных территориях, расположенных в зонах повышенного риска.
Глава 2. Техногенные катастрофы.
2.1 Классификация
Техногенная катастрофа (англ. Industrial disaster) — крупная авария на техногенном объекте, влекущая за собой массовую гибель людей и даже экологическую катастрофу [8].
Техногенные катастрофы (Рисунок 2.1.1 Приложения) зачастую происходят как следствие катастроф природных, но кроме того — из-за изношенного оборудования, жадности или невнимательности. Память о них служит важным уроком для человечества, потому что природные катастрофы могут повредить нам, но не планете, а вот техногенные несут угрозу абсолютно всему окружающему миру [7]. Техногенные катастрофы являются опасным явлением, причиной которого довольно часто становится технический сбой систем, приводящих к аварии на промышленных и иных объектах.
Одной из особенностей техногенных катастроф является их случайность (этим они отличаются от терактов). Обычно техногенные противопоставляются природным катастрофам. Однако, подобно природным, техногенные катастрофы могут вызвать панику, транспортный коллапс, а также привести к подъему или потере авторитета власти.
Ряд подобных событий стал печальной страницей в истории государства. События, произошедшие на Чернобыльской АЭС (Рисунок 2.1.2 Приложения), и в результате Кыштымской аварии дали серьезный повод задуматься о дальнейшем развитии безопасности в атомной энергетике. За длительный период времени были разработаны многочисленные правовые акты и заключены многосторонние соглашения. Данные меры оказали существенное влияние на развитие безопасности и мер предотвращение техногенных катастроф, но вероятность их возникновения осталась сравнительно высока. В первую очередь это зависит от ряда факторов, которые играют существенную роль на возможность возникновения катастрофы:
устаревшее оборудование и износ техники;
человеческий фактор;
недостаточно проработанная нормативно – правовая база в сфере безопасности и профилактики техногенных катастроф;
недостаточный уровень подготовки населения и его слабая готовность к принятию превентивных мер в случае техногенной катастрофы (катастроф).
Исходя из обозначенных аспектов, можно выделить следующие виды техногенных катастроф:
преднамеренные;
непреднамеренные.
Существует тенденция, что процент катастроф колеблется от года к году, и является непредсказуемым. Здесь фигурируют как техногенные, так и природные бедствия. Особая категория комбинированных катастроф, является наиболее опасной. Совокупности с природными явлениями, произошедшая техногенная катастрофа становится существеннее опасной и требует привлечения радикальных методов и средств, с целью локализации проблемы.
2.2 Этапы формирования
Каждая катастрофа становится результатом длительного накопления негативных факторов. Со временем формируются благоприятные условия, которые становятся катализатором события. Так выделяют следующие этапы формирования условия для катастрофы:
Первоначальная аккумуляция деструктивных отклонений;
Формирование процесса;
Непосредственно событие (авария);
Последствие, которое является продолжительным;
Меры, направленные по ликвидации катастрофы.
Учитывая, что анализируется техногенный вид аварий, следует рассмотреть основные причины, являющиеся катализаторами для их наступления:
перенасыщенность и явная усложненность в производственных процессах;
допущенные в процессе деятельности ошибки при проектировке и создании (изготовлении);
износ различного оборудования и средств производства;
ошибки либо умышленное причинение вреда;
недопонимание в ходе совместных действий.
Согласно прогнозам, в ближайшие годы количество техногенных катастроф относительно возрастет. В зоне риска могут оказаться АЭС, химические предприятия, нефте- и газопроводы, гидротехнические сооружения. Следовательно, зона бедствия может расшириться до существенных размеров, что влечет тяжкие последствия для социальной, экономической и экологической сфер. В настоящее время актуальным направление является грамотное и рациональное управление возможными рисками катастроф. Целенаправленная политика в рамках предупреждения подобных катастроф и в сфере защиты населения и территорий, восстановления жизнедеятельности, оказания помощи пострадавшим, приобретает особое значение. Без принятия оптимальных и эффективных мер в области борьбы с такими катаклизмами, ни одна страна не сможет добиться устойчивого (эффективного) развития.
Глава 3. Меры обеспечения безопасности в разных странах мира.
Защита населения от чрезвычайных ситуаций является важнейшей задачей территориальной подсистемы Единой государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций, органов государственной власти и управления, а также местного самоуправления всех уровней, руководителей предприятий, учреждений организаций всех форм собственности.
Защита достигается в результате применения различных средств и способов защиты и осуществления комплекса мер, который включает:
прогноз возможных чрезвычайных ситуаций и последствий их возникновения для населения;
непрерывное наблюдение и контроль за состоянием окружающей среды;
оповещение (предупреждение) населения об угрозе возникновения и факте чрезвычайных ситуаций;
эвакуацию людей из опасных зон и районов;
инженерную, медицинскую, радиационную и химическую защиту;
применение специальных режимов защиты населения на зараженной территории;
оперативное и достоверное информирование населения о состоянии его защиты от чрезвычайных ситуаций, принятых мерах по обеспечению безопасности людей, прогнозируемых и возникших чрезвычайных ситуациях, порядке действий;
подготовку к действиям в чрезвычайных ситуациях населения, руководителей всех уровней, персонала предприятий, организаций и учреждений, а также органов управления и сил Единой государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций (РСЧС);
проведение спасательных и других неотложных работ в районах чрезвычайных ситуаций и очагах поражения;
обеспечение защиты от поражающих факторов чрезвычайных ситуаций продовольствия и воды;
создание финансовых и материальных резервов на случай возникновения чрезвычайных ситуаций [6].
Для непосредственной защиты пострадавших от поражающих факторов аварий, катастроф и стихийных бедствий проводятся аварийно-спасательные и другие неотложные работы в зоне ЧС. Мероприятия по подготовке к защите проводятся заблаговременно с учетом возможных опасностей и угроз. Они планируются и осуществляются дифференцированно, с учетом особенностей расселения людей, природно-климатических и других местных условий. Объемы, содержание и сроки проведения мероприятий по защите населения определяются на основании прогнозов природной и техногенной опасности на соответствующих территориях, исходя из принципа разумной достаточности, с учетом экономических возможностей по их подготовке и реализации.
В результате рассмотренных мер обеспечения безопасности и примеров систем оповещения, а также эвакуации, мы пришли к выводу, что на сегодняшний день в мире существуют в основном лишь сдерживающие факторы природных или техногенных катастроф, но почти не одна из них, к сожалению, не способна справиться с глобальными последствиями, к которым могут привести подобного уровня катастрофы. Именно по этой причине мы и решили создать проект, который бы отвечал современным требованиям, был многофункциональным и возможно, стал бы отличным решением этой насущной проблемы.
Глава 4. Создание модели «Умный город» на базе конструктора Lego Mindstorms EV3.
4.1 Город-убежище
Наш проект «Умный город с защитой от природных стихий
и техногенных катастроф» состоит из нескольких отдельных моделей, каждая из которых представляет собой не в полном варианте город, а лишь его часть – жилой квартал или район, то есть мы показали несколько вариантов таких районов города, которых может быть создано и неограниченное количество (к примеру, несколько городов-убежищ, городов-спутников и городов-кораблей в виде отдельных районов). Мы сконструировали каждую модель на базе конструктора Lego Mindstorms EV3, используя также детали набора Lego City и WeDo 1.0.
В нашем проекте были рассмотрены несколько моделей:
– город-убежище (Рисунок 4.1.1 Приложения), в случае опасности уходящий под землю в целях спасения от техногенных катастроф, ураганов, лесных пожаров и т.п.;
– город-спутник (Рисунок 4.1.2 Приложения), который при угрозе помодульно сворачивается в колесо и покидает опасную зону, защищаясь от любых видов угроз;
– город-ковчег (Рисунок 4.1.3 Приложения), способный взлететь в случае катастрофы и приземлиться в более безопасной точке на твердую или водную поверхности.
В модели города-убежища установлено:
2 модуля EV3 для управления всеми подключениями и работой района города;
2 больших мотора (Рисунок 4.1.4 Приложения), отвечающих за подъём района на поверхность и спуск в убежище;
2 средних мотора (Рисунок 4.1.5 Приложения), открывающие и закрывающие крышки на поверхности;
1 датчик касания (Рисунок 4.1.6 Приложения), реагирующий на стихийные бедствия, источником которых служит ветер, и передающий сигнал району;
1 датчик ультразвука (Рисунок 4.1.7 Приложения), который способен зафиксировать приближение неопознанного объекта и подать сигнал о возможности техногенной катастрофы;
1 большой мотор (Рисунок 4.1.8 Приложения), к которому прикреплён рычаг с неопознанным объектом или к примеру, имитирующий летящую бомбу.
Программа работает следующим образом (Рисунок 4.1.9 Приложения):
Жилой район поднимается в своё обычное положение (Рисунок 4.1.10 Приложения) на Больших моторах CD и издаёт звуковой сигнал, что свидетельствует о мирном времени на данный момент;
Далее абсолютно в любом порядке может сработать система оповещения района как в случае стихийного бедствия (источником, которого здесь предусмотрен пока только ветер), так и в случае угрозы техногенной катастрофы, то есть датчики Ультразвука (порт 2) и Касания (порт 4) находятся в состоянии ожидания внешнего воздействия;
Запускается со 2 модуля EV3 Большой мотор D, пролетая мимо Ультразвукового датчика (порт2), после чего на модуле срабатывает звуковой сигнал тревоги;
Район на Больших моторах CD опускается вниз, панели поверхности на Средних моторах AB закрываются в целях защиты района и ожидают, когда угроза опасности спадёт;
После ожидания панели поверхности на Средних моторах AB вновь открываются, и жилой район на Больших моторах CD возвращается на поверхность, вновь издав звуковой сигнал положения покоя, а блок в программе Поддержания в активном состоянии помогает району не падать;
Далее при возникновении урагана срабатывает Датчик касания (порт 4) со звуковым сигналом и район вновь повторяет те же действия, что и при угрозе техногенной катастрофы.
В данной модели присутствуют следующие механизмы:
– 2 червячных и 2 реечных передачи для передвижения 2 панелей поверхности (открытия и закрытия района);
– система рычагов, расположенных в основании района, которые служат для подъёма и спуска района;
– 2 рычага, один из которых включает Датчик касания, а другой перемещает (Рисунок 4.1.11 Приложения) летающий объект в сторону Ультразвукового датчика.
Город-спутник
В модели города-спутника (Рисунок 4.2.1 Приложения) установлено:
1 модуль EV3 для обеспечения контроля системы и перемещения района города;
2 больших мотора, сворачивающие район в своеобразное колесо;
2 больших мотора, вращающие гусеничный механизм для перемещения в более безопасную зону.
Программа работает следующим образом (Рисунок 4.2.2 Приложения):
С помощью ручного управления Большими моторами BC район из разложенного варианта в ситуации опасности сворачивается в колесо, состоящее из системы рычагов;
Скрепляются гусеницы (Рисунок 4.2.3 Приложения), и район начинает перемещаться по программе с модуля EV3 на Больших моторах AD с максимальной мощностью в более безопасную зону.
Город-ковчег
Реализация описанного в этом параграфе города ещё на стадии разработки, можно посмотреть его чертёж в приложениях, и далее краткое детальное описание.
Данный город поделён на районы. В этих районах, в нескольких местах (в нашем случае в 4-х) расположены арт-объекты в виде вертикальных стел. В момент чрезвычайной ситуации, эти стелы раскрываются как лепестки, превращаясь в большие вентиляторы, которые вращаясь будут поднимать наши районы в воздух, и районы будут улетать в благополучные места расположения. Раскрытие лепестков в нашем макете будет осуществляться поднятием вертикальных осей, расположенных в центре стелы, которые будут приводиться в движение 2 средними моторами через систему рычагов. Вращение вентиляторов будет осуществляться от одного большого мотора через оси с шестернями. Имитация полета будет осуществляться посредством четырех опор с расположенными на них рейками (прикреплённых к основанию коробки), а два больших мотора (закреплённых на платформе) будут вращать оси с шестеренками. Таким образом платформа будет подниматься и опускаться.
Заключение
Зачастую мы предпочитаем не думать о катастрофах, пока они не произойдут. Бедствия, катастрофы, чрезвычайные ситуации подают сигнал: траектория мирового развития стала неустойчивой, и задача современной науки – найти выход и предложить его обществу.
Сегодня в центре нашего внимания – человек, люди, общество, и цель этого общества – защита жизни и интересов человека. А чтобы научиться защищать человека, нужна не только научная система взглядов на способы управления рисками катастроф и стихийных бедствий. Необходима конкретная система программных мер по снижению рисков и смягчению последствий чрезвычайных ситуаций.
В процессе нашей работы мы нашли выход из сложившейся печальной ситуации, мы предложили в разработку современные системы эвакуации, которые не только спасут миллионы жизней, но и сохранят города и экологию. Можно посмотреть подробнее фото и видео нашего проекта ещё по ссылке в списке используемой литературы [9]. Наша работа может быть использована на уроках робототехники и внеклассных мероприятиях. А также, уверены, и в будущем!
Список используемой литературы:
LEGO Книга идей: новая жизнь старых деталей: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. А. Аревшатян]. – Москва, Издательство «Эсмо», 2015. - 200 с.;
Богданова С.М., Попова Е.Е. Благодаря механическим передачам Lego- конструкции оживают / С.М. Богданова, Е.Е. Попова// «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании»: материалы VII Международной научно-технической конф. 2017 С. 160-163. Режим доступа- https://elibrary.ru/item.asp?id=30700400
Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;
Интернет источники:
https://cyberleninka.ru/article/n/sovremennaya-otsenka-opasnosti-i-riskov-vozniknoveniya-stihiynyh-bedstviy;
https://cyberleninka.ru/article/n/sovremennye-tendentsii-prirodnyh-bedstviy-i-razvitie-sistemy-monitoringa-bedstviy-i-katastrof-v-rossii;
https://mo.astrobl.ru/sedlistinskijselsovet/zashchita-naseleniya-i-territorii-ot-chs;
https://www.popmech.ru/technologies/233516-10-samykh-strashnykh-tekhnogennykh-katastrof/;
https://bigpicture.ru/?p=425483;
https://drive.google.com/drive/folders/16d_Ew3XTHnMFNmvProUCF8aFBbsn9rE_?usp=sharing
Приложение
Рисунок 1.1.1 Землетрясение в Нефтегорске – 28 мая 1995г.
Рисунок 1.1.2 Оползень
Рисунок 1.1.3 Наводнение
Рисунок 1.1.4 Пожары в России
Рисунок 1.1.5 Ураган
Рисунок 2.1.1 Техногенная катастрофа в Мексиканском заливе – 2010г.
Рисунок 2.1.2 Авария на Чернобыльской АЭС
Рисунок 4.1.1 Город-убежище
Рисунок 4.1.2 Город-спутник
Рисунок 4.1.3 Город-ковчег
Рисунок 4.1.4 Большие моторы
Рисунок 4.1.5 Средние моторы (виден один)
Рисунок 4.1.6 Датчик касания Рисунок 4.1.7 Датчик ультразвука
Рисунок 4.1.8 Большой мотор с рычагом
Рисунок 4.1.9 Программа Города-убежище
Рисунок 4.1.10 Город-убежище Рисунок 4.1.11 Программа рычага
Рисунок 4.2.1 Город-спутник Рисунок 4.2.2 Программа Города-спутник
Рисунок 4.2.3 Город-спутник
14