SK9620Y1 - Zariadenie na detekciu nízkohladinového strihu vetra a spôsob vydávania výstrah pred strihom vetra - Google Patents

Abstract

Zariadenie na detekciu nízkohladinového strihu vetra deteguje radiálne zložky vektora vetra. Na základe nameraných údajov sa určuje nízkohladinový strih vetra a v prípade, že sú prekročené limitné hodnoty, vydá sa buď výstraha pre strihom vetra, alebo výstraha pred mikroburstom. Dopplerovský lidar (1) skenuje vzdušný priestor a zaznamenáva radiálne rýchlosti vetra. Priemyselný počítač (2) riadi tok dát medzi lidarom (1) a ostatnými komponentmi zariadenia, spúšťa na operatívnom serveri (6) softvér so spôsobom vydávania výstrah a zálohuje dáta na zálohovacom serveri (5). LTE router (3) zabezpečuje bezdrôtovú komunikáciu medzi lidarom (1), priemyselným počítačom (2) a oboma servermi (5 – 6). Rozvádzač (4) obsahuje potrebné elektrotechnické prvky na bezpečný a nepretržitý chod častí zariadenia (1 – 3). Softvér IMS4 lidar so zabudovaným spôsobom spracovania a vydávania výstrah na operatívnom serveri (6) zabezpečuje užívateľovi narábanie s lidarovými produktmi, ďalej monitoruje stav lidaru (1). Zálohovací server (5) slúži na dlhodobú archiváciu nameraných a spracovaných údajov o poli vetra.

Description

Oblasť techniky

Dištančné meteorologické pozorovania lidarovou technológiou; pozorovanie poľa vetra v záujmovej oblasti (v okruhu niekoľkých km od prístroja) s vysokým časovým a priestorovým rozlíšením; detekcia nízkohladinového strihu vetra; vydávanie výstrah pred nebezpečným nízkohladinovým strihom vetra, ak zmena čelnej zložky vetra na úseku kratšom ako 4 km presahuje definované kritické hodnoty.

Doterajší stav techniky

Strih vetra predstavuje jedno z najvýznamnejších nebezpečenstiev pre leteckú dopravu. Náhle zmeny v rýchlosti a/alebo smere vetra môžu spôsobiť vážne narušenie aerodynamických podmienok letu a nízkohladinový strih vetra môže ohrozovať bezpečné vzlietnutie či pristávanie lietadiel. Medzinárodná organizácia pre civilné letectvo (International Civil Aviation Organization, ICAO) definuje nízkohladinový strih vetra ako strih vetra v spodnej cca 500-metrovej hladine atmosféry. Včasná detekcia tohto meteorologického javu a vydanie výstrah pred jeho výskytom pre pilotov patria k neodmysliteľnej súčasti služby letovej prevádzky.

Detekcia strihu vetra je možná klasickou technológiou, ktorá pozostáva zo súčasného merania smeru a rýchlosti vetra pomocou niekoľkých anemometrov, umiestnených okolo areálu letiska. Táto metóda je však finančne náročná (vysoké náklady potrebné na nákup pozemkov a vybudovanie siete vetromerov), pritom merania často nemajú dostatočné priestorové rozlíšenie a vertikálny rozsah. Alternatíva k tejto technológii sa ponúka v podobe systémov založených na dištančnej detekcii meteorologických fenoménov, a to buď pomocou malého meteorologického radaru alebo lidaru (alebo obidvoch paralelne). Tieto prístroje sú síce stále pomerne drahé, ale zodpovedajú aktuálnym technologickým štandardom a hlavne sú kompaktné, ich inštalácia a prevádzka nevyžaduje zložitú administratívu a logistiku.

Lidar je skratkou anglického označenia: Laser Imaging, Detection, And Ranging. Dopplerovský lidar emituje pulzy infračerveného svetla do atmosféry a zachytáva lúče, ktoré sa odrážajú od prirodzene existujúcich častíc aerosólu vznášajúcich sa vo vzduchu (prach, kvapky vody v oblakoch alebo hmle, kryštáliky soli, aerosóly z horenia biomasy atď.). Vetrom vyvolaný pohyb aerosólu mení frekvenciu emitovaného lidarového signálu. Porovnaním frekvencie emitovaného a odrazeného svetelného lúča je potom na základe Dopplerovho zákona možné určiť radiálnu rýchlosť vetra. Princíp lidarovej detekcie je podobný k princípu fungovania meteorologických radarov s tým rozdielom, že radar pracuje s rádiovými vlnami, a v dôsledku toho dokáže detegovať iné častice či javy v atmosfére - tie, ktoré súvisia s rôznymi formami zrážok (dážď, sneh, krúpy, oblaky atď.).

Najlepšie podmienky na meranie lidarom predstavuje zaprášená alebo zahmlená atmosféra, nakoľko v týchto prípadoch je prítomná optimálna koncentrácia aerosólov. Veľmi čistá atmosféra s výbornou viditeľnosťou nie je priaznivá pre lidary, lebo koncentrácia aerosólov nie je dostatočná na odrážanie vyžarovaného signálu. Naopak, nízka viditeľnosť znamená príliš vysokú koncentráciu aerosólov, čo spôsobuje pohlcovanie lidarového signálu. Meteorologická služba v Hongkongu (Hong Kong Observatory) uviedla do činnosti Dopplerovský lidar na medzinárodnom letisku v Hongkongu v roku 2002. Tento systém bol prvým lidarom na svete, ktorý sa používal na účely vydávania výstrah v leteckej meteorológii, predovšetkým na monitorovanie a výstrahy pred nízkohladinovým strihom vetra. Prvý lidarový varovný systém pred strihom vetra na svete sa dostal do operatívnej praxe v decembri 2005. Odborný článok Shuna a Chana (Shun, C. M. & Chan, P. W.: Applications of an infrared Doppler LIDAR in detection of wind shear. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2008, 25, 5, 637 - 655) opisuje vývoj a nastavenia varovného systému, resp. pozitívne skúsenosti hongkonských meteorológov a pilotov lietadiel v zlepšení detekcie mikroburstov a gust frontov pomocou lidarového varovného systému. Práca autorov Chana a Shuna (Chan, P. W. & Shun, C. M.: Aviation applications of the pulsed Doppler LIDAR - Experience in Hong Kong. 13th Conference on Aviation, Range and Aerospace Meteorology, New Orleans, Louisiana, USA, 20 - 24 January 2008, 8 pp.) potom podáva podrobný prehľad špecifických oblastí meteorológie, kde Dopplerovské lidary prinášajú významnú pridanú hodnotu, napr.:

- automatické výstrahy pred strihom vetra,

- predpovede strihu vetra,

- výstrahy pred turbulenciou,

- dvoj- a trojrozmerné mapy poľa vetra,

- mapy viditeľnosti a

- monitorovanie zmiešavacej/hraničnej vrstvy.

Odborná literatúra ponúka prehľad širokej škály využiteľnosti meteorologického lidaru v letectve. Lidarová technológia sa stáva čím ďalej tým viac dostupná aj z finančného pohľadu a odborníci neustále vyvíjajú nové metódy, prístupy či predpovedné modely založené na pozorovaniach atmosférických javov lidarom. Thobois a kol. (Thobois, L., Cariou, J. P. & Gultepe, I.: Review of lidar-based applications for aviation weather. Pure and Applied Geophysics, 2019, 176, 1959 - 1976) uvádzajú, že na svete je asi iba 15 letísk (napr. Mníchov, Frankfurt nad Mohanom, New York, Atlanta, San Francisco, Londýn, Bangkok alebo Tokio), ktoré sú vybavené Dopplerovským lidarom, ktorý poskytuje charakteristiky veterného poľa (vrátane nízkohladinového strihu vetra), turbulencie alebo aerosólov. Krajiny strednej Európy chýbali v tomto zozname, ale tento stav sa prednedávnom zmenil. Spoločnosť MicroStep-MIS sa rozhodla, že vybuduje - ako prvá v strednej Európe zariadenie na detekciu nízkohladinového strihu vetra lidarom. Pomocou finančnej podpory Agentúry na podporu výskumu a vývoja (APVV) v rámci vedecko-výskumného projektu Inovatívna metóda na výpočet prízemného strihu vetra z údajov meraných LIDARom (2016 - 2020) si spoločnosť zaobstarala lidar od francúzskeho výrobcu Leosphere, ktorý sa nainštaloval na Letisku M. R. Štefánika v Bratislave.

Podstata technického riešenia

Zariadenie na detekciu nízkohladinového strihu vetra deteguje radiálne zložky vektora vetra. Na základe nameraných údajov sa určuje nízkohladinový strih vetra a v prípade, že sú prekročené limitné hodnoty, vydá sa buď výstraha pre strihom vetra, alebo výstraha pred mikroburstom.

Obidve časti technického riešenia (kombinácia zariadenia na detekciu nízkohladinového strihu vetra, resp. spôsobu vydávania výstrah pred strihom vetra) budú detailne predstavené v nasledujúcich sekciách.

Hardvérová časť zariadenia na detekciu nízkohladinového strihu vetra

Hardvérová časť zariadenia sa skladá z nasledujúcich komponentov:

- Dopplerovský lidar,

- priemyselný počítač,

- LTE router,

- rozvádzač,

- zálohovací server a

- operatívny server so softvérom IMS4 Lidar.

Dopplerovský lidar

Kľúčovým prístrojom zariadenia je Dopplerovský lidar, ktorého základnými funkciami sú:

- skenovať okolitý vzdušný priestor v dosahu definovanom výrobcom s cieľom získať obraz o poli vetra, t. j. o radiálnych komponentoch rýchlosti vetra,

- zaznamenať a ukladať aktuálne merania radiálnych rýchlostí vetra,

- v súčinnosti s ostatnými komponentmi zariadenia poskytnúť možnosť vzdialeného prístupu k meraniu, nastavovať a kontrolovať technické parametre prístroja a rôznych nastavení meraní, naprogramovať rozdielne režimy snímania, umožniť narábanie s databázou starších meraní atď.

Priemyselný počítač

Hardvérový komponent umožňuje:

- spúšťať softvér IMS4 Lidar na operatívnom serveri s funkciami:

- realizácia spôsobu vydávania výstrah pred strihom vetra a mikroburstmi,

- práca (prezeranie, ukladanie...) s lidarovými produktmi (surové obrázky radiálnych rýchlostí, obrázky s výstrahami, dátové súbory atď.),

- monitorovanie stavu lidaru,

- ďalšie softvérové funkcie;

- spúšťať softvér na zálohovanie dát na zálohovacom serveri,

- spúšťať výrobcom dodaný ovládací softvér lidaru,

- prevádzku lokálneho FTP servera na prijímanie dát z lidaru.

LTE router

Funkcia hardvérového komponentu:

- zabezpečiť komunikáciu medzi lidarom, priemyselným počítačom, zálohovacím serverom, kde sa archivujú všetky namerané dáta (surové aj odvodené), resp. operatívnym serverom, kde je spustený softvér

IMS4 Lidar, zabezpečujúci realizáciu spôsobu vydávania výstrah pred strihom vetra a spracovanie finálnych lidarových produktov.

Rozvádzač

Rozvádzač obsahuje potrebné elektrotechnické prvky (akým je napr. prepäťová ochrana a kabeláž) k bezpečnému a nepretržitému chodu zariadenia v cieľovej destinácii. Priemyselný počítač a LTE router sú fyzicky tiež umiestnené v rozvádzači v bezprostrednej blízkosti lidaru.

Zálohovací server

Vzdialený zálohovací server slúži na archiváciu pozorovaných (surových) údajov, resp. spracovaných lidarových produktov.

Operatívny server so softvérom IMS4 Lidar

Server alebo osobný počítač (nazvaný ako operatívny server) - je na ňom spustený softvér IMS4 Lidar, obsahujúci spôsob vydávania výstrah pred strihom vetra a mikroburstmi. Softvér bude bližšie predstavený v nasledujúcej sekcii dokumentu, venovanej softvérovej časti technického riešenia.

Vzájomné vzťahy medzi komponentmi zariadenia:

Dopplerovský lidar - prostredníctvom pravidelne emitovaných infračervených elektromagnetických vln, resp. zachytených odrazených elektromagnetických vln - skenuje okolitý vzdušný priestor a zaznamenáva radiálne rýchlosti vetra. Namerané dáta sa prostredníctvom priemyselného počítača a LTE routera dostanú na (vzdialený) operatívny server so softvérom IMS4 Lidar na spracovanie a zobrazenie týchto nameraných údajov. Priemyselný počítač riadi tok dát medzi lidarom a ostatnými komponentmi zariadenia, ďalej (prostredníctvom LTE routera) spúšťa na operatívnom serveri softvér IMS4 Lidar so spôsobom vydávania výstrah a riadi zálohovanie údajov (nameraných a spracovaných) na zálohovacom serveri.

LTE router zabezpečuje komunikáciu medzi lidarom, priemyselným počítačom a oboma vzdialenými servermi (zálohovacím, ako aj operatívnym), a to prostredníctvom bezdrôtového GPS pripojenia.

Rozvádzač obsahuje nevyhnutné elektrotechnické prvky na bezpečný a nepretržitý chod tých častí zariadenia (lidar, priemyselný počítač a LTE router), ktoré sú umiestnené priamo v cieľovej destinácii, v tomto konkrétnom prípade na Letisku M. R. Štefánika v Bratislave.

Operatívny server so softvérom IMS4 Lidar zabezpečuje používateľovi narábanie s lidarovými produktmi vrátane realizácie spôsobu vydávania výstrah pred strihom vetra. Lidarové merania sa na tento server dostávajú prostredníctvom komunikačnej linky, ktorú tvoria priemyselný počítač a LTE router. Táto komunikačná linka funguje aj v opačnom smere, nakoľko z operatívneho servera je možné monitorovať aktuálny stav lidaru a meniť nastavenie parametrov lidaru.

Zálohovací server slúži na dlhodobú archiváciu nameraných a spracovaných údajov o poli vetra. Je prepojený (cez LTE router) s priemyselným počítačom v cieľovej destinácii, ktorý riadi tok dát a proces zálohovania. Zálohovací server je tiež prepojený s operatívnym serverom na zobrazenie nameraných dát a narábanie s nimi.

Softvérová časť zariadenia na detekciu nízkohladinového strihu vetra

Softvérovú časť zariadenia tvorí softvér IMS4 Lidar (výrobca: MicroStep-MIS). Softvér vykonáva kľúčové funkcie zariadenia, ktoré prinášajú finálny benefit pre používateľa:

- realizácia spôsobu vydávania výstrah pred strihom vetra a mikroburstmi,

- narábanie (prezeranie, ukladanie...) s lidarovými produktmi (surové obrázky radiálnych rýchlostí, obrázky s výstrahami, dátové súbory atď.),

- monitorovanie stavu lidaru,

- ďalšie softvérové funkcie:

- konfiguráciu generátora lidarových produktov,

- prezeranie radarových produktov,

- exportovanie reportov,

- zobrazenie meraných dát vo forme grafov a veterných ružíc,

- zobrazenie a export dát z databázy,

- monitorovanie prichádzajúcich a odchádzajúcich správ v zariadení,

- prehliadanie správ v zariadení,

- exportovanie archivovaných dát,

- konfiguráciu prevádzkových výstrah,

- manažment klastra zariadenia,

- údržbu zariadenia,

- správu komunikačných kanálov, - prezeranie a export logovacích súborov.

Spôsob vydávania výstrah pred strihom vetra

Spôsob vydávania výstrah pred nízkohladinovým strihom vetra, resp. pred mikroburstom (skrátene: spôsob vydávania výstrah) vyvinutý kolektívom autorov hlavne zo spoločnosti MicroStep-MIS bol už publikovaný v roku 2019 vo vedeckom časopise International Journal of Environmental Research and Public Health (impakt faktor za rok 2019: 2, 849):

Nechaj, P., Gaál, L., Bartok, J., Vorobyeva, O., Gera, M., Kelemen, M., Polishchuk, V. (2019): Monitoring of Low-Level Wind Shear by Ground-based 3D Lidar for Increased Flight Safety, Protection of Human Lives and Health. International Journal of Environmental Research and Public Health, 16 (22), 4584.

DOI:10.3390/ijerphl6224584.

Je uvedený stručný súhrn spôsobu vydávania výstrah v slovenskom jazyku.

Všeobecné odporúčania na odhad nízkohladinového strihu vetra pochádzajú z definície systému LLWAS (Low Level Windshear Alert System), opísané detailne v publikácii organizácie Federal Aviation Administration (Siting Guidelines for Low Level Windshear Alert System (LLWAS) Remote Facilites; Document ID: 6560.21A; Washington, DC, USA, 1989). Tento systém sa skladá z niekoľkých anemometrov (najmenej šiestich, najviac 32), ktoré tvoria sieť meraní rýchlosti a smeru vetra nad dráhami a v ich okolí do 3 námorných míľ (NM, ~5,4 km) od okraja dráhy v príletovom koridore, 2 NM (~3,6 km) od okraja dráhy v odletovom koridore a 0,5 NM na oboch stranách stredovej čiary pristávacej dráhy. Pozorovania rýchlosti a smeru vetra z jednotlivých anemometrov sa pozbierajú centrálne a následne sa spracúvajú pomocou metodiky LLWAS. Vypočíta sa divergencia v trojuholníkoch reprezentovaných troma senzormi, resp. na hranách trojuholníkov medzi dvoma senzormi a nakoniec sa určujú odhady nárastu/poklesu čelnej/zadnej zložky vetra. Rozsiahly manuál Medzinárodnej organizácie pre civilné letectvo (Manual on Low Level Wind Shear and Turbulence, lst ed.; International Civil Aviation Organization: Montreal, Canada, p. 9817, 2002) obsahuje podrobný návod na detekciu nízkohladinového strihu vetra alebo turbulencie a definuje postupy na vydávanie výstrahy pred strihom vetra (wind shear alerts, WSA) alebo výstrahy pred mikroburstom (microburst alerts, MBA). Tie sa pilotom vydávajú na základe odhadu nárastu alebo poklesu čelnej/zadnej zložky vetra na vzdialenosti kratšej ako 4 km. Výstraha „strih vetra so stratou (wind shear with loss) sa vydá, keď pokles čelnej/zadnej zložky vetra presiahne 7,5 m/s, ale rovná sa alebo je menšia ako 15,0 m/s. Ak sa deteguje pokles čelnej/zadnej zložky vetra prevyšujúca 15,0 m/s na úseku s dĺžkou maximálne 4 km, vydá sa výstraha pred mikroburstom. Strih vetra, ktorý sa deteguje na vzdialenosti presahujúcej 4 km, sa považuje za menšie riziko, nakoľko zmena v rýchlosti vetra je menej prudká. Je dôležité poznamenať, že pojem „výstraha pred mikroburstom nemusí nevyhnutne znamenať, že mikroburst je na dráhe doslova prítomný. Namiesto toho táto výstraha iba naznačuje to, že mikroburst môže byť prítomný na základe pozorovaných veterných podmienok.

Výstrahy pred strihom vetra a pred mikroburstom sa doručujú pilotom a špecialistom na riadenie dopravy prostredníctvom systému Weather System Processor (WSP), ktorý detailne opisuje manuál ICAO (Agenda Item 6: Wind Shear, Turbulence and Tsunami Warnings. In Proc. of the 4th Meeting of the Meteorological Warning Study Group, Montreal, QC, Canada, 15 - 18 May 2012). Správa WSP obsahuje informácie o pozorovaných meteorologických javoch, konkrétne špecifikuje ich:

- širšiu lokalitu (identifikácia pristávacej dráhy a to, či meteorologické javy ovplyvňujú príletový alebo odletový koridor),

- charakter (mikroburst, strih vetra alebo gust front),

- veľkosť (zmena v rýchlosti čelnej zložky vetra: nárast alebo pokles) a

- približné miesto prvého stretnutia lietadla s javmi (či lietadlo čelí danému javu nad dráhou, alebo vo vzdialenosti 1, 2 alebo 3 NM od okraja dráhy).

Spôsob vydávania výstrah pred strihom vetra a pred mikroburstom je v súlade s uvedenými odporúčaniami ICAO a správ WSP s cieľom odhadnúť závažnosť vybraných poveternostných udalostí. V operatívnej praxi sa varovania ICAO vydávajú iba pre smer dráhy a s presnosťou 1 NM. Uvedený spôsob vydávania výstrah upúšťa od týchto zásad a koncepcia ICAO sa rozšírila v nasledujúcich smeroch:

1. Nezameriava sa výlučne na existujúce smery dráhy a ich príslušné koridory. Namiesto toho sa analyzuje každý lúč lidaru.

2. Neobmedzuje sa na presnosť 1 NM, t. j. na dĺžku imaginárnych obdĺžnikov v príletovom a odletovom koridore. Namiesto toho sa používa presná lokalizácia výstrahy pred strihom vetra/pred mikroburstom, pričom táto presnosť zodpovedá nastaveniu presnosti priestorového rozlíšenia lidaru, ktorá je voliteľná, ale štandardne býva rádovo 100 m.

Lidar zaznamenáva radiálne zložky vetra po jednotlivých laserových lúčoch, ktoré sú rozdelené na úseky nazývané ako brány. V štandardnom nastavení (ktoré je vždy konfigurovateľné) lidarový lúč, vyslaný pod elevačným uhlom 3°, má šírku 3 azimutálnych stupňov a jeden lúč, v závislosti od meteorologických podmienok, môže byť rozdelený na cca 60 až cca 100 brán s dĺžkou 100 m v radiálnom smere. Podstata spôsobu vydávania výstrah pred strihom vetra alebo výstrah pred mikroburstom spočíva v tom, že radiálne zložky rýchlosti vetra na všetkých možných úsekoch tvorených z dvoch rozdielnych brán pozdĺž vybraného lidarového lúča sú navzájom porovnané. Takto získané magnitúdy nárastu alebo poklesu radiálnej zložky vetra na analyzovaných úsekoch sú následne vyhodnotené tak, že ak magnitúda nárastu alebo poklesu radiálnej zložky vetra na úseku s dĺžkou kratšou ako 4 km presiahne hodnotu 7,5 m/s, vydá sa varovanie pred nízkohladinovým strihom vetra. Podobný postup platí aj na silnejšiu alternatívu meteorologického javu: ak magnitúda nárastu alebo poklesu radiálnej zložky vetra na úseku s dĺžkou kratšou ako 4 km pozdĺž lidarového lúča presiahne hodnotu 15,0 m/s, vydá sa varovanie pred mikroburstom.

Predložený spôsob vydávania výstrahy pred strihom vetra (WSA) pozdĺž lúčov lidaru je pre programátorov algoritmizovaný nasledujúcim spôsobom:

1. Zvolí sa lidarový lúč a nájde sa najvzdialenejšia brána s meraním radiálnej rýchlosti vetra. Označí sa táto bránu ako Ai s radiálnou rýchlosťou vetra Vai.

2. Zvolí sa najbližšia brána k A1 s meraním radiálnej rýchlosti vetra pozdĺž vybraného lúča smerom k lidaru. Označí sa táto brána ako Bi s radiálnou rýchlosťou vetra v_Bi.

3. Nech d je vzdialenosť medzi bránami Ai a Bi a Δν = v_Bi - Vai.

4. Ak Δν > 7,5 m/s a d < 4 km, potom sa vydá výstraha WSA pre segment AiBi a označí sa na snímke lidarových rýchlostí adekvátnym symbolom (napr. prázdnymi kruhmi vybranej farby).

5. Vyberie sa iná brána B (B₂, B3,..., Bn) tak, že tá nová sa posunie o jednu, dve,..., N-1 brány bližšie k lidaru, zatiaľ čo brána Ai a vybraný lidarový lúč zostanú nezmenené.

6. Opakujú sa kroky 3. a 4. N - i-krát pre rôzne brány B, pokiaľ platí d <14 km. Finálny segment s výstrahou WSA pre bránu Ai (označený ako AiBwsi) vznikne zlúčením segmentov AiBi, AiB2,..., AiBn s výstrahami WSA.

Poznamenáva sa, že všetky segmenty označené v kroku 4., ako segmenty s výstrahou WSA, zostanú tiež označené po zlúčení segmentov.

7. Opakujú sa kroky 1. až 6. pre rôzne brány A (A₂, A₃,...) pozdĺž vybraného lidarového lúča. Finálny segment s výstrahou WSA pre vybraný lidarový lúč bude pozostávať zo spojenia segmentov AiBwsi, A2BWS2, A3BWS3,... s výstrahami WSA.

Spôsob na identifikáciu výstrahy pred mikroburstom (MBA) je podobný s dvoma malými rozdielmi v kroku 4.: 4. Ak Δν > 15,0 m/s a d < 4 km, potom sa vydá výstraha MBA pre segment AiBi a označí sa na snímke lidarových rýchlostí odlišným symbolom ako pre WSA (napr. plnými kruhmi vybranej farby).

Prehľad obrázkov na výkresoch

K dokumentu sa prikladajú 3 obrázky.

Obr. 1 znázorňuje schému technického riešenia s jeho komponentmi a vzájomnými prepojeniami medzi nimi.

Obr. 2 znázorňuje pole vetra bez aplikácie spôsobu vydávania výstrah.

Obr. 3 znázorňuje pole vetra po aplikácii spôsobu vydávania výstrah.

Príklady uskutočnenia

Konkrétne uskutočnenie zariadenia je nasledujúce. Väčšina komponentov zariadenia je umiestnená na Letisku M. R. Štefánika v Bratislave, na parcele meteorologickej záhrady Slovenského hydrometeorologického ústavu. Približná pozícia lidaru (v súradnicovom systéme WGS84: 48°10'12.7N, 17°12'26.7E) je vo vzdialenosti 254,30 m od osi pristávacej dráhy RWY 13-3i a 298,03 m od osi RWY 04-22. Zálohovací server na zálohu údajov, resp. operatívny server sa nemusia fyzicky nachádzať v blízkosti lidaru, v tomto konkrétnom prípade sú umiestnené v sídle firmy MicroStep-MIS. Dopplerovský lidar je produktom firmy Leosphere, typ WindCube 200S. Priemyselným počítačom je Advantech ARK-2250L-U3A1E a za LTE router bol vybraný produkt Teltonika RUT955.

Zariadenie je schematicky znázornené na obr. 1, kde vzťahové značky označujú Dopplerovský lidar 1, priemyselný počítač 2, LTE router 3, rozvádzač 4, zálohovací server 5 a operatívny server 6 so softvérom IMS4 Lidar. Dopplerovský lidar 1 monitoruje vzdušný priestor a zaznamenáva radiálne rýchlosti vetra. Priemyselný počítač 2 riadi tok dát medzi lidarom 1 a ostatnými komponentmi zariadenia, spúšťa na operatívnom serveri 6 softvér 1MS4 Lidar so spôsobom vydávania výstrah a zálohuje dáta na zálohovacom serveri 5. LTE router 3 zabezpečuje komunikáciu medzi lidarom 1, priemyselným počítačom 2, operatívnym serverom 6 a zálohovacím serverom 5. Rozvádzač 4 obsahuje potrebné elektrotechnické prvky na bezpečné a nepretržité fungovanie tých častí zariadenia, ktoré sú nainštalované lokálne na letisku (t. j. lidar 1, priemyselný počítač 2 a LTE router 3). Softvér IMS4 Lidar inštalovaný na operatívnom serveri 6 zabezpečuje užívateľovi narábanie s lidarovými produktmi vrátane realizácie spôsobu vydávania výstrah, ďalej monitoruje stav lidaru 1. Zálohovací server 5 slúži na dlhodobú archiváciu nameraných a spracovaných údajov o poli vetra.

Fungovanie spôsobu vydávania výstrah sa predstaví na príklade vybranej meteorologickej situácie z 5. júla 2018, kedy sa nad Letiskom M. R. Štefánika v Bratislave vyskytlo hneď niekoľko gust frontov.

Vybraný moment v čase 15.36 UTC (17.36 SELČ) je znázornený na obr. 2. Časť zariadenia (lidar 1, priemyselný počítač 2 a LTE router 3) sa nachádza v strede obrázka, označený červeno-čiernym symbolom „+, v blízkosti prekríženia pristávacích dráh (vyznačené fialovým krížom). Ďalšie symboly „+ označujú postupne koniec danej pristávacej dráhy, resp. vzdialenosti 1, 2 a 3 námorné míle (1 NM = ~1,8 km) od konca pristávacej dráhy. Snímka znázorňuje výsledky merania lidarom, ktorý pracuje v režime PPI (Plan Position Indicator). PPI označuje režim skenovania, v ktorom uhol elevácie lidaru je nastavený na konštantnú hodnotu a optika prístroja sa opakovane točí od azimutu 0° po 360°. Hodnota elevačného uhla je nastavená na 3°, nakoľko tento sa zhoduje so sklonom pristávacej trajektórie lietadiel. Ďalej na základe konvencie platí, že hodnota radiálnej rýchlosti vetra je kladná, ak fúka smerom k lidaru.

V kontexte uvedených poznatkov o lidarovom zábere sa môžu dešifrovať meteorologické informácie z obr. 2. Prevládajúce prúdenie v oblasti letiska je juhozápadné, fúka vietor približne s rýchlosťou 9 m/s. O tomto fakte informujú oblasti so žltými a červenými odtieňmi na juhozápade a juhu, resp. so zelenými odtieňmi v blízkosti lidaru. Na druhej strane je však možné rozoznať vpád gust frontu do oblasti, a to zo severovýchodného smeru. Tento útvar predstavuje výtok z búrkového jadra, ktoré sa nachádza pár kilometrov severovýchodne od pristávacích dráh a rýchlosť vetra v ňom dosahuje až 15 m/s. V blízkosti lidaru sú teda dve protichodné prúdenia: prevládajúce prúdenie z juhozápadu, resp. prúdenie z prichádzajúceho gust frontu zo severovýchodu, ktoré takto vytvárajú podmienky vzniku nebezpečného strihu vetra.

Obr. 2 je základným výstupom zo zariadenia: iba zobrazenie nameraných dát, bez aplikácie spôsobu vydávania výstrah pred nízkohladinovým strihom vetra. Na druhej strane, obr. 3 už prezentuje výsledok po realizácii spôsobu vydávania výstrah. Základ obr. 3 je totožný s obr. 2, len sú pridané symboly, ktoré znázorňujú výsledky realizácie spôsobu vydávania výstrah pozdĺž jednotlivých lúčov lidaru:

- WSA (wind shear alert, výstrahy pred strihom vetra): prázdne ružové guľôčky,

- MBA (microburst alert, výstrahy pred mikroburstom): plné ružové guľôčky.

Na obr. 3 je vidno, že v širokom sektore v oblasti pristávacieho koridoru RWY 22 (t. j. severovýchodne od pristávacej dráhy RWY 22) existujú podmienky na vydanie výstrahy pred strihom vetra. Podmienky na vydanie výstrahy pred mikroburstom sú tam tiež, ale v užšom sektore, v tesnej blízkosti RWY 22. Maximálny strih vetra v tomto prípade je 22,0 m/s, a to v azimutálnom smere 33°.

Priemyselná využiteľnosť

Technické riešenie (t. j. kombinácia zariadenia na detekciu nízkohladinového strihu vetra a spôsobu vydávania výstrah pred strihom vetra) je možné využiť výlučne na letiskách. Účelom použitia je monitorovanie výskytu nízkohladinového strihu vetra v areáli letiska, resp. v jeho okruhu do vzdialenosti 10 - 12 km, ktorý by ohrozoval podmienky bezpečného pristávania (prípadne vzlietnutia) lietadiel. Nízkohladinový strih vetra je mimoriadne nebezpečným meteorologickým fenoménom predovšetkým z toho dôvodu, že často nie je sprevádzaný viditeľnými príznakmi počasia, a tak bol v minulosti hlavnou príčinou nemalého počtu leteckých nešťastí. Nutnou súčasťou technického riešenia je samotné zariadenie: merací prístroj Dopplerovský lidar s príslušnými prístrojmi na zabezpečenie funkčnosti zariadenia a komunikácie s ním, resp. získavania, spracovania a zálohovania nameraných dát a pod. Podotýka sa, že spôsob vydávania výstrah je nezávislý od typu a výrobcu meracieho prístroja.

Claims (2)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zariadenie na detekciu nízkohladinového strihu vetra, vyznačujúce sa tým, že pozostáva z Dopplerovského lidaru (1), priemyselného počítača (2), LTE routera (3), rozvádzača (4), zálohovacieho servera (5) a operatívneho servera (6); Dopplerovský lidar (1) na vysielanie laserového signálu a detekciu odrazených laserových lúčov je vzájomne prepojený s priemyselným počítačom (2) na riadenie toku údajov z Dopplerovského lidaru (1), zabezpečenie monitorovania stavu a nastavenia parametrov Dopplerovského lidaru (1); priemyselný počítač (2) je ďalej vzájomne prepojený s LTE routerom (3) na zabezpečenie obojstrannej bezdrôtovej komunikácie; LTE router (3) je následne na báze bezdrôtovej komunikácie napojený na operatívny server (6) na narábanie s nameranými údajmi, monitorovanie stavu a nastavenie parametrov Dopplerovského lidaru (1) a na zálohovací server (5) na zálohovanie meraní a analýz, pričom zálohovací server (5) a operatívny server (6) sú tiež navzájom prepojené; rozvádzač (4) obsahuje zdroj elektriny, kabeláž a prepäťovú ochranu potrebné na bezpečné a nepretržité fungovanie Dopplerovského lidaru (1), priemyselného počítača (2) a LTE routera (3).
2. 2. Spôsob vydávania výstrah pred strihom vetra, vyznačujúci sa tým, že Dopplerovským lidarom sú s pravidelnou frekvenciou emitované do bezprostredného okolia laserové lúče, ktoré sa od aerosólových častíc vznášajúcich sa vo vzduchu odrážajú naspäť smerom k prístroju, následne sú radiálne zložky vetra pozdĺž trajektórií laserových lúčov, resp. po bránach, na ktoré sa delí trajektória každého lúča, lidarom detegované; radiálne zložky rýchlosti vetra na všetkých možných úsekoch tvorených z dvoch rozdielnych brán pozdĺž vybraného lidarového lúča sú navzájom porovnané; takto získané magnitúdy nárastu alebo poklesu radiálnej zložky vetra na analyzovaných úsekoch sú následne vyhodnotené tak, že ak magnitúda nárastu alebo poklesu radiálnej zložky vetra na úseku s dĺžkou kratšou ako 4 km presiahne hodnotu 7,5 m/s, vydá sa varovanie pred nízkohladinovým strihom vetra, a ak magnitúda nárastu alebo poklesu radiálnej zložky vetra na úseku s dĺžkou kratšou ako 4 km pozdĺž lidarového lúča presiahne hodnotu 15,0 m/s, vydá sa varovanie pred mikroburstom.