INCDFM -  http://infim.ro/

IFIN-HH - http://www.nipne.ro/

INSEMEX - http://www.insemex.ro/

SC EXATEL SRL - http://www.exatel.ro/

Etapa I

Rezultatele activitatile desfasurate in cadrul acestei etape au constat in:

1. Evaluari si explorari privind transferul de date intre senzorii echipamentelor de detectie monitorizare a evenimentelor CBRNE si aplicatia informatica ce urmeza a fi dezvoltata in cadrul proiectului. A fost proiectata arhitectura transferului de date in care au fost incluse module software cu rol in salvarea, sortarea si managementul datelor. In acest sens, s-au utilizat emulatoare software pentru simularea echipamentelor capabile sa genereze serii de date temporale, cu frecventa presetabilita de catre utilizator

2. Stabilirea solutiei tehnice pentru construirea unui sistem portabil autonom si ROV(Remotely Operated Vehicle), pentru detectie si evaluare evolutie situatiilor de tip CBRNe. Justificarea necesitatii dezvoltarii unui astfel de echipament complex, s-a realizat pornind de la identificarea principalelor amenintari la care acesta trebuie sa raspunda. Acestea pot fi formulate astfel: (i) posibilitatea întrebuinţării de către statele inamice sau a gruparilor teroriste  a armelor CBRNE; (ii) producere a emisiilor radioactive sau de materiale toxice industriale, ca urmare a unor accidente/calamitati.

3. Stabilirea unor modele analitice de determinare a vitezei primare si a modului de fragmentare a fragmentelor rezultate in urma  detonarii diverselor tipuri de explozibili confinati in carcase metalice in functie de viteza undei de soc si de puterea exploziei.

3.1 Pentru viteza initiala a fragmentelor s-a propus utilizarea modelului Gurney (1943) descris de Paul W. Cooper in Explosive Engineering, publicata de editura Wiley-VCH, Inc.  in 1996. Modelul presupune ca energia este preluata atat de carcasa metalica a incarcaturii cat si de gazele rezultate a caror expansiune are o dependenta liniara de viteza. Conform acestui model, viteza initiala a fragmentelor se poate exprima in functie de geometrie, de masa carcasei metalice si de masa si tipul incarcaturii explosive. Astfel, in geometrie cilindrica viteza initiala, V, a fragmentelor poate fi exprimata dupa relatia:

este M masa carcasei metalice,  C este masa incarcaturii explosive si E  este o constanta ce tine de tipul de exploziv utilizat (si implicit de energia de explozie a acestuia).

Pentru o incarcatura cu geometrie sferica, viteza initiala este data de:

Pentru o geometrie de tip sandwich simetrica viteza initiala e data de:

Valoarea constantei E este determinata experimental pentru fiecare tip de explozibil si poate fi exprimata prin relatia:  unde D este viteza de detonatie a explozibilului.

Relatiile de mai sus sunt valabile pentru carcase fabricate din materiale ce au rezistenta mare la alungire, astfel incat procesul detonatiei sa poata actiona asupra fragmentelor formate pe o portiune de expansiune a gazului cat mai mare. Daca metalul din care este confectionata carcasa are o rezistenta mica la alungire, atunci fragmentatia s-ar produce prea repede iar procesul de accelerare ar prelua prea putin din energia gazelor rezultate care s-ar propaga pe langa aceste fragmente. In acest caz viteza fragmentelor calculata cu modelul Gurney are o precizie de aprox. 80%.

Distributia dimensionala a fragmentelor rezultate in urma fragmentarii carcasei metalice se poate estima in cadrul modelului Mott [Mott N. F. Fragmentation of Shell gases, Proc. Royal Soc. A189 300-8, 1947]:

unde N(m) este numarul de fragmente cu masa mai mare decat m,  M₀ este masa cilidrului metallic iar M_K este un factor de distributie dat de relatia: ,  unde B este o constanta specifica perechii explozibil-metal, t este grosimea carcasei cilindrice iar d este diametrul interior al acesteia.

Relatiile de mai sus fac astfel legatura intre caracteristicile explozibilului utilizat (masa si energie de explozie), caracteristicile carcasei metalice si vitezele initiale ale schijelor. Evident ca functie de vitezele initiale si masele schijelor (distributia dupa mase poate fi de asemenea estimata) va exista o balistica specifica a acestora.

Etapa II

In aceasta etapa, un numar de activitati a fost dedicat  conceperii, proiectarii, realizarii si implemetarii unei masini informatice de evaluare anticipativa  a evenimentelor de tip CBRNE. Masina informatica in sensul descris este conceputa ca o componenta distribuibila fizic in instante de instalare autonome dar interconectabile si monitorizabile in retea locala, oferind servicii experte diverselor compartimente ale unui Centru de operatii in situatii de urgenta (Emergency Operations Center, EOC).

Varietatile de date ce alimenteaza masinile executive ale modelelor CBRNE, ca si datele ce rezulta din evaluarile modelelor decurg din natura amenintarilor avute in vedere (Figura 1). Astfel, se pot distinge:

• Date radiologice si nucleare;
• Date chimice;
• Date comunitare, inclusiv biologice - reflectand vulnerabilitatea comunitatilor la agresiuni CBRNE;
• Date orbitale - relevante in privinta amenintarilor din spatiul extra-atmpsferic;
• Date documentare.

CBRNE Software este conceputa ca o platforma desktop de aplicatii, date si documente, dotata cu un server integrat pentru comunicatii Internet. Platforma se realizeaza intr-o structura deschisa, actualizabila, alcatuita din module tematice executabile; utilitati de achizitie, actualizare, editare si pre-procesare a datelor; librarii de date; colectii documentare; si facilitati administrative.

Fig.1 CBRNE Software. In stanga - menu-ul de acces al aplicatiilor

Baza de date suport a aplicatiei web, de tip MySQL, a fost conceputa pentru a permite o dezvoltare pe orizontala (Figura 2), in sensul ca, pentru fiecare echipament adaugat de catre administrator in tabelul “_Equipments”, software-ul de achizitie de date ce urmeaza a fi dezvoltat, specific fiecarui echipament din dotarea beneficiarului, isi creeaza in mod automat propriul tabel in care, ulterior, vor fi stocate valorile masurate: “_Equipment_1”, …, “_Equipment_n”.

Fig. 2 Structura bazei de date suport a aplicatiei web

In aceasta etapa s-au dezvoltat si doua modele: un sistem autonom si un sistem ROV (Remotely Operated Vehicle) ca parte a sistemului integrat dedicat monitorizarii evolutiei situatiilor CBRNE ce va avea la baza utilizarea de echipamente de tip “smart sensors” cu rol de detectare rapida a tipului de amenintare, utilizarea acestuia contribuind la limitarea consecintelor.

In aceasta etapa s-a realizat descrierea componentelor modelelor experimentale de sistem portabil autonom si ROV:  bateria de acumulatori;  blocul electronic de achizitie prelucrare date, protocoale de comunicatie si deasemenea s-a realizat proiectarea circuitului imprimat al modulului electronic si a placii de circuit GNSS precum si necesarul de materiale;

Alte activitati ale acestei etape au vizat elaborarea de scenarii privind distributia spatio-temporala a suprapresiunii din unda de soc in functie de puterea exploziei si configuratia incarcaturii explozive, cat si realizarea de experimente propriu zise in poligonul de la INSEMEX.

Unda de soc ce apare in urma detonatiei unui explozibil conventional poate fi caracterizata in coordonate cantitate explozibil (W) – distanta (R) de urmatorii parametrii masurabili: presiune maxima (suprapresiune) si presiune dinamica, presiune incindenta si reflectata, impuls incident si reflectat, timpul de sosire al frontului de unda, viteza frontului de unda, etc. Coordonatele cantitate explozibil – distanta (WR) sunt legate printr-o relatie, numita si legea de scalare Hopkinson-Cranz :

R₁/R₂ = (W₁/W₂)^1/3

sau echivalent R =ZxW^1/3

unde R este distanta de la locul exploziei si pana in locul in care se masoara parametrul respectiv. Coordonata W  reprezinta cantitatea de echivalent TNT (Tri-Nitro-Toluen)  a explozibilului ce  a fost utilizat in detonatie. Relatia de echivalenta intre un anumit explozibil si referinta TNT este data de:

M_TNT=(E^d_exp/E^d_TNT) x M_exp

Unda de soc produsa de o explozie poate avea o geometrie sferica daca explozia s-a produs in aer la o distanta considerabila fata de suprafata solului sau daca s-a produs in apa la o anumita adancime minima si o geometrie semisferica daca explozia s-a produs pe suprafata solului sau in imediata vecinatate a acestuia. In cazul undelor de soc cu geometrie semisferica pe langa frontul de unda incident apare si un front de unda reflectat la interfata cu suprafata solului. Reflexia undelor de soc se mai poate produce si la interfata dintre aer si suprafetele rigide exterioare sau interioare ale unor constructii civile (ex. pereti, monumente, ziduri, etc). Parametrii componentei reflectate pot avea valori mai mari decat cei ai componentei incidente, deoarece procesele termodinamice ce au loc la interfata mediilor sunt neliniare. La o anumita distanta de locul exploziei unda de soc are profilul aratat in Fig. 3

Fig. 3 Profilul unei undei de soc

In care P_max  este valoarea maxima a presiunii (suprapresiunea) care se atinge intr-un timp extrem de scurt dupa care descreste pana cand atinge valoarea P0 de referinta a presiunii atmosferice. Asa cum se poate observa in Fig. 3, pe langa faza pozitiva, profilul undei de soc are si o faza negativa in care valoarea presiunii scade sub cea a presiunii atmosferice pana la o valoare minima, P_min. Durata fazei pozitive este notata cu t_d, t_a  fiind timpul in care frontul undei de soc ajunge in punctul respectiv si care cuprinde si durata procesului de detonatie. Durata fazei negative este notata cu t_n.

Intre anii 60 si 80 Charles Kingery si Gerald Bulmash au efectuat o serie de experimente in care au masurat parametri mentionati, utilizand cantitati de la sub 1Kg si pana la 400 tone de TNT. Rezultatele masuratorilor au fost fitate cu functii polinomiale ce au devenit un reper in evaluarea efectelor produse de o unda de soc in raport cu masa de explozibil si distanta la care se face evaluarea. In coordonate (WR), experimentele au fost facute pentru un domeniu de variatie a lui Z cuprins intre 0.05 si 40. Pentru unda de soc cu simetrie sferica parametrii caracteristici se pot determina cu ajutorul expresiei polinomiale:

P₀=C₀+C₁U+C₂U²+....C_nUⁿ

unde: P este logaritmul in baza 10 al parametrului (ex. Presiune, Impuls), C_0,1,2..n sunt constante si: U=K₀+ln(K₁xZ) cu K_0,1 constante.

In Fig. 4 este reprezentata familia de curbe pentru mase de explozibil de pana la 2Kg si Z corespunzator pragurilor de declansare a efectelor undei de soc asupra corpului uman.

Fig. 4 Reprezentarea in coordonate WR a curbelor de presiune constanta corespunzatoare pragurilor

de aparitie a efectelor undei de soc cu geometrie sferica asupra corpului uman

Prin simulari numerice, s-a modelat propagarea undei de soc cu geometrie sferica pentru diferite cantitati de TNT. Modelarea s-a facut in simetrie axiala 2D, spatiul concret de simulare fiind un unghi solid cu varful in centrul de detonatie al incarcaturii considerate deasemenea sferice (Fig. 5). La diferite distante fata de centrul incarcaturii explozive s-au plasat in simulare sonde care au inregistrat parametrii de explozie. In Fig. 6a este aratat profilul presiunii undei de soc pentru o incarcatura de 1Kg de TNT la diferite distante fata de centrul exploziei (3, 5 si 7m) si dependenta maximului acesteia in raport cu distanta (Fig. 6b). Aceasta dependenta este comparata cu cea generata de modelul Kingery Bulmash.

Fig. 5 Model geometric pentru simularea numerica a undei de soc sferice generate de o incarcatura exploziva de tip TNT

Fig. 6. a) Profilul presiunii undei sferice de soc generate de 1000g TNT_la distantele: 3, 5 si 7 m de centrul de simetrie al detonatiei

Fig. 6. b) Presiune incidenta maxima vs distanta (1000g TNT)

Pentru unda de soc cu geometrie semisferica (Fig 7) parametrii de interes pot fi determinati din expresia polinomiala generalizata:

P=Exp(A+Bln(Z)+C(ln(Z))²+D(ln(Z))³+E(ln(Z))⁴+F(ln(Z))⁵+G(ln(Z))⁶)

unde P este parametrul, iar A, B, C,.. sunt coeficientii polinomului care iau diferite valori in functie de domeniul de variatie al lui Z.

Fig7. Propagarea undei de soc filmata cu camera de mare viteza Phantom la 10000 fps

Referinte:

_{[1] Jinwon Shin, Andrew S. Whittaker, David Cormie, Michael Willford, Design charts and polynomials for air-blast parameters, 3rd International Conference on Protective Structures (ICPS3) Newcastle, Australia, 3-6 February 2015, M.G. Stewart & M.D. Netherton (Eds.)
[2] Jinwon Shin, Andrew S. Whittaker, David Cormie, Will Wilkinson, Numerical modeling of close-in detonations of high explosives, Engineering Structures 81 (2014) 88–97 Michael M. Swisdak, Jr., (Naval Surface Warfare center Indian head Div MD), Defence Technical Information center, 1994
[3] Formulae for ammunition management, in INTERNATIONAL AMMUNITION TECHNICAL GUIDELINE, Second edition, 2015, www.un.org/disarmament/un-saferguard/kingery-bulmash/
[4] Kingery, C. N. and Bulmash, G. (1984) “Airblast parameters from TNT spherical air burst and hemispherical surface burst.” Report ARBRL-TR-02555, US Army Ballastic Research Laboratory, Aberdeen Proving Ground, MD}

Etapa III: Realizare prototip de sistem integrat inovativ pentru interventie la incidente CBRNE

Obiectivul etapei.

Obiectivul acestei etape (etapa III) vizeaza realizarea a 2 softuri specifice privind: (i)  achizitia de date CBRNE de la echipamentele de detectie/senzorii cu amplasament fix sau mobili din dotarea institutiilor beneficiare ale proiectului si respectiv (ii)  Prognoza privind evolutia contaminarii, expunerea, impactul potential si eventualele masuri de reactie necesare, realizarea unor configuratii specifice de senzori CBRNE (fixe si la purtator), definitivarea amenajarii poligonului si continuarea studiilor privind stabilirea metodologiei de determinare a acaracteristicilor exploziei si a efectelor asociate acesteia.

Activitate 3.1 Dezvoltarea aplicatiei informatice pentru monitorizarea in timp real a senzorilor pusi la dispozitie de catre beneficiar si evaluarea si definirea structurii bazei de date support a aplicatiei informatice pentru monitorizarea evenimentelor de tip CBRNE masurate si raportate de catre senzorii integrati in platforma mobile si in locatia fixa.

Activitate 3.2 Integrarea senzorilor mobil/fix in aplicatia informatica de monitorizare in timp real a evenimentelor CBRNE

Aplicatia web “CBRNE Monitor”, versiunea 0.1. beta, conceputa in cadrul Activitatilor 3.1 si 3.2, a fost dezvoltata in Python (limbaj de programare de tip “open source”) utilizand pachetul Flask Framework. Pachetul Flask contine o serie de biblioteci software si un set de instrumente pentru aplicațiile Web Server Gateway Interface (WSGI).

Utilizatorii aplicatiei pot avea urmatoarele roluri, si implicit, beneficiaza de niveluri diferite de acces la facilitatile aplicatiei:

• ‘0’ – rolul implicit pe care utilizatorul il primese la inregistrare;
• ‘1’ – nivel “utilizator”: poate introduce date in aplicatie numai de la echipamentele care apartin aceleiasi structuri si poate interoga baza de date pentru generarea hartilor cu eveniment.
• ‘2’ – nivel “operator”: poate introduce date in aplicatie numai de la echipamentele care apartin tuturor structurilor din judetul din care face parte utilizatorul si poate interoga baza de date, pentru generarea hartilor cu eveniment si a rapoartelor.
• ‘3’ – nivel “operator IGSU”: beneficiaza de aceleasi drepturi ca utilizatorul cu nivel “operator”, diferenta facand-o faptul ca acest tip de utilizator, in urma interogarii bazei de date, poate vedea rezultatele nefiltrate (rezultatele pot fi generate pentru toate structurile din toate judetele);
• ‘4’ – nivel “administrator”: beneficiaza de aceleasi drepturi ca utilizatorul cu nivel “operator IGSU”, avand in plus fata de acesta dreptul de a efectua operatiuni de tip CRUD (Create, Read, Update si Delete) asupra modelelor definite in baza de date.

Activitate 3.3 Dezvoltarea aplicatiei informatice pentru prognoza/diagnoza evenimentelor C/R/N/E si dezvoltarea modulului de export al datelor din aplicatia informatica

Activitate 3.4 Dezvoltarea aplicatiei ce pune in practica ERG2016

In cadrul misiunii Proiectului, activitatea prezentata adreseaza obiectivul (iv) al prioiectului – ‘Prognoze automate privind evolutia contaminarii, expunerea, impactul potential si eventualele masuri de reactie necesare’, in intelegerea ca solutia de realizare necesita si contributii semnificative in sensul obiectivelor (i) – (iii), ce privesc modalitati de achizitie, export si afisare a datelor relevante. Intr-un mediu natural si socio-politic in care, la scara globala varietatea, frecventa, severitatea si impredictibilitatea amenintarilor inregistreaza cresteri evidente, orientarea prognostica asumata este apreciata ca un complement indispensabil in indeplinirea informata si eficienta a datoriei de a proteja populatia, infrastructurile, valorile – ca si actorii din teatrele de operatiuni militare.

Adoptand ipoteza de lucru conform careia orice eveniment CBRNE ce poate fi imaginat cu un grad acceptabil de plauzibilitate tehnico-stiintifica trebuie tratat ca o posibilitate reala, ce merita un loc pe agendele institutiilor abilitate in administrarea situatiilor de urgenta activitatea a fost consacrata conceperii, proiectarii, realizarii si implemetarii unei masini informatice de evaluare anticipativa, prognostica a evenimentelor CBRNE, cuprinzand functiuni de diagnoza a efectelor si recomandare consecutiva a masurilor de raspuns pentru o varietate deschisa si scalabila de scenarii de eveniment. Instrumentul este conceput ca o platforma software distribuibila fizic in instante de instalare autonome, dar interconectabile si administrabile in retea locala si cu deschidere input/output pe Internet, oferind servicii experte diverselor compartimente ale unui Centru de operatii in situatii de urgenta.

Instalata pe calculatoare de clasa PC sub un sistem de operare de larga utilizare, platforma integreaza (a) instrumente analitice de elaborare a scenariilor de eveniment; de urmarire a fenomenologiei acestora in desfasurarea proceselor implicate; de evaluare a situatiilor create; de calcul al expunerii persoanelor, mediului si proprietatii de diferite tipuri, al efectelor nocive si pagubelor potentiale; (b) bibliotecile de date si informatie specializata necesare; (c) interfetele de operare a modulelor executabile; si (d) interfetele de comunicare.

Pentru indeplinirea corespunzatoare a misiunii de anticipare si pregatire in timp aproape real (near-real time) pentru interventie in situatii de urgenta, platforma a fost proiectata si realizata spre a indeplini urmatoarele conditii:

Sa se constitue intr-o trusa de instrumente minimalista, capabila insa de o acoperire cuprinzatoare a nevoilor unei analize extinse pe un segment cat mai larg din spectrul problematicii CBRNE.

Sa adopte o arhitectura deschisa spre actualizare, capabila sa acomodeze noi varietati de evenimente CBRNE, pe masura intrarii in atentie a acestora.

Sa prezinte o functionalitate clar orientata spre anticipare, oferind prognoze de situatie în mod '24/7' pe diferite durate relevante.

Sa poata adresa, practic, orice locatie de eveniment de pe Glob, asigurand generarea expeditiva de harti din resurse digitale (DEM) asimilate si date GIS rezidente, eliminand nevoia stocarii masive si, inerent, incomplete, de material cartografic ante-preparat.

Sa poata procura si actualiza in timp real prognozele meteorologice necesare modelelor fizice, chimice, biologice, matematice, ale fenomenelor implicate in evenimente, ori de cate ori vremea constituie un factor influent in determinarea impactului negativ al evenimentelor.

Sa poata acomoda si evalua rapid scenarii de eveniment alternative ('what if' scenarios), edificatoare pentru decidenti in elaborarea, punerea in opera si monitorizarea executiei planurilor de actiune.

Sa asigure robustete operationala, prin (i) asigurarea unei suficiente redundante in obtinerea de input de insemnatate vitala in conducerea analizelor (de exemplu – prognoze meteorologice de la cel putin doi furnizori): si (ii) capacitatea de a opera atat in conditii de disponibilitate Internet, cat si in absenta accesului la retele, prin simulari ale seturilor de date de intrare si constituirea unei cazuistici de scenarii.

Sa dispuna de o consistenta baza de resurse rezidente asigurand independenta in functionare si siguranta disponibilitatii serviciilor, incluzand harti digitale de elevatie (DEM); date GIS, generice si actualizabile; librarii de date fizico-chimice; date de reglementare; si cunostinte de specialitate minimal-necesare.

Sa ofere o interfata-utilizator prietenoasa (user-friendly), inteligibila si flexibila, cu toate elementele de input si rezultatele intermediare ale fazelor executiei secvential acumulate, permanent 'la vedere'.

Sa creeze automat documente de raportare (Situation Reports) inteligibile pentru nivelele de decizie si direct utilizabile in conducerea operatiilor de teren.

Sa sprijine utilizatorii printr-o 'biblioteca virtuala', conceputa ca o selectie actualizabila de documentatie multimedia, rezidenta si online

Sa prezinte o evidenta si efectiva dimensiune educationala, functionand ca instrument operativ in crize reale (‘no-drill situations’), cat si ca mediu interactiv de formare si antrenament (‘drill situations’) al personalului din administrarea situatiilor de urgenta.

Sa realizeze, atat la interfata utilizator cat si in documentele de raportare, un echilibru bine conceput intre limbile de lucru romana si engleza, care sa asigure buna comunicare si interoperabilitatea cu partenerii strategici si de alianta ai Romaniei, ca si cu organizatiile internationale relevante.

Activitate 3.5 Studii privind configurarea modelului experimental pentru sistemul autonom si ROV.

Studiile au avut ca scop alegerea celor mai potrivite componente, ca performante si dimensiuni, data fiind necesitatea amplasarii lor in sistemul portabil.

Activitatea 3.6. Securizarea poligonului in vederea desfasurarii testelor balistice

Pentru securizarea poligonului in vederea realizarii testelor balistice prevazute in proiect, SC EXATEL SRL, partener P3 la proiectul cu denumirea Sistem integrat pentru interventie rapida la incidente CBRNe, a achizitionat si instalat materialul cu denumirea „retea tip fagure tridimensionala realizata din polietilena de inalta densitate.

Activitatatile 3.7. si 3.8 Realizare si testare in laboratoare autorizate a modelului experimental sistem autonom si ROV

Realizarea si testarea modelului experimental a presupus parcurgerea mai multor etape, astfel:

• Realizarea software de test pentru modulul de comunicatie rucsac si calculator central.
• Realizarea si testarea modulului electronic de achizitie si prelucrare date
• Realizarea si testarea modulului de alimentare cu energie
• Realizarea si testarea modulului de comunicatie
• Realizarea structurii mecanice
• Montarea elementelor componente ale sistemului autonom pe structura mecanica
• Realizarea sofware pentru modulul electronic de achizitie, prelucrare si comunicatie
• Realizarea software pentru calculatorul central
• Testarea sistemului in cadrul Exatel
• Testarea in laboratoare autorizate

Activitatea 3.9 - Evaluarea distantelor de penetrare a schijelor si a efectului distructiv al undei de soc.

In simularile numerice au fost exemplificate modele de impact ale fragmentelor metalice cu tinte metalice predefinite (AL, Otel). In acest mod pot fi simulate o multitudine de cazuri in care pot fi analizate diferite materiale implicate in procesele de impact si diferite geometrii ale sistemelor fragment-tinta (forme specifice ale fragmentelor sau tintelor si diferite unghiuri incidente de impact). Aceste modelari numerice sunt utile in analizele balistice ale traiectoriilor schijelor sau proiectilelor ce pot fi generate in urma unui eveniment de tip CBRNE.

Activ. 3.10 Teste balistice aditionale privind efectele exploziilor asupra structurilor de beton si optimizarea celor din urma in vederea realizarii unei securizari adecvate a poligonului. In aceasta activitate au fost evaluate efectele impactului direct al undelor de soc asupra unor structuri de beton construite in poligonul M.A.I in acest scop. In figura de mai jos este prezentata schita unei structuri de beton construita in scopul determinarii experimentale a suprapresiunii undei de soc generata de o cantitate de explozibil plasata in interiorul aceste structuri.

Schita unei structuri de beton construita in poligon in scopul evaluarii efectelor undei de soc asupra acesteia.

Activ. 3.11 - Efectuarea de explozii in regim controlat in vedera investigarii efectelor acestora asupra diverselor materiale. In cadrul acestetei activitati au fost studiate efectele distructive ale unor posibile dispozitive detonante artizanale cu carcasa metalica, cu potential de utilizare in evenimente de tip CBRNE. Pentru acest scop, au fost proiectate si realizate experimente bazate pe detonatii ale unor incarcaturi explozive (RIOMAX, RIOSEIS, SEMPTEX, C4) incastrate in tevi metalice cu sectiune circulara. Au fost alese pentru experimente tevi laminate si sudate construite din oteluri obisnuite (ex. OL37), utilizate in instalatii de apa si gaze. Tot in aceasta etapa, au fost realizate experimente ce au implicat detonatii libere in vecinatatea solului pentru care s-a masurat presiunea undei de soc cu ajutorul unor senzori de presiune dedicati, plasati la diferite distante fata de incarcatura detonanta. O parte din experimente a fost realizata la institutia partenera INSEMEX -  Petrosani, iar o alta parte a fost realizata in poligonul M.A.I construit in cadrul acestui proiect. In paralel au fost realizate simulari numerice utilizand software dedicat atat pentru detonatiile produse in tevi metalice, cat si pentru detonatiile libere. Simularile au permis o extrapolare a cantitatii de explozibil si a materialelor folosite in experimentele reale.

Act 3.12 - Investigari morfo-structurale si compozitionale complexe asupra schijelor si probelor de mediu rezultate in urma exploziilor in regim controlat . Aceasta activitate a implicat efectuarea de analize morfo-structurale si compozitionale asupra fragmentelor ce au rezultat in urma detonatiilor controlate. In acest sens au fost efectuate masuratori de difractie de raze X pentru investigarea structurala a schijelor, utilizand difractometrul Bruker D8 Advance si masuratori magnetometrice cu ajutorul sistemului magnetometric MPMS (SQUID) pentru a evidentia modificari ale proprietatilor magnetice. Difractogramele obtinute pentru o proba martor si doua probe supuse exploziiilor (schije) au aratat diferente de textura in material, in cazul schijelor aparand pick-uri suplimentare la unghiuri cuprinse intre 60-70^o si 80-85^o. Aceste modificari sunt puse pe seama rearanjarii grauntilor de material in urma stresului mecanic si temperaturii la care materialul a fost supus in timpul detonatiei. De mentionat ca prin laminarea materialul din care sunt facute tevile capata un aranjment al grauntilor dupa directia de laminare.

Rezultatele analizei Rietveld ale difractogramelor efectuate cu programul Maud au aratat diferente in ceea ce priveste valoarea constantei de retea, dimensiunii de cristalit si a microstrain-ului intre proba martor si schije, conform tabelului de mai jos

Ciclurile de histerezis obtinute prin masuratori magnetometrice au evidentiat diferente in ceea ce priveste valoarea magnetizarii de saturatie si a campului coercitiv intre proba martor si schije. Diferentele dintre parametrii observati in ciclurile de histerezis pot fi puse pe seama reorientarii grauntilor de metal in urma presiunilor si temperaturilor la care a fost supuse schijele.

Relativ la morfologia suprafetei schijelor, s-au facut investigatii optice la un microscop cu putere de marire mare (1000x).

Etapa IV

Obiectivul etapei.

Obiectivul acestei etape (etapa IV) vizeaza: interconectarea modulelor celor doua softuri informatice realizate in cadrul proiectului, respectiv CBRNE Monitor si CBRNE Software, testarea si optimizarea acestora precum si instalarea la beneficiar, definitivarea si livrarea de protocoale de colectare si investigare a probelor materiale afectate de explozii murdare, testarea in conditii reale a sistemelor autonom si ROV.

Pentru atingerea obiectivului acestei etape s-au desfasurat 7 activitati, fiecare conducand la rezultate specifice. Astfel, in cadrul activitatilor 4.1, 4.2 si 4.3 s-a realizat conectarea intermodulara si optimizarea aplicatiilor CBRNE Monitor si CBRNE Software, ambele aplicatii dezvoltate de IFIN-HH si deasemenea livrarea si instalarea acestora la beneficiar. In cadrul activitatii 4.4 a fost definitivata si livrata o metodologie/protocol de interventie in cazul starii de alerta terorista si post eveniment cu indicarea metodelor de colectare si investigarea a materialelor afectate de exploziile murdare in vederea stabilirii conditiilor in carea cestea s-au produs. In cadrul activitatilor 4.5 si 4.6 s-au efectuat testari si optimizari in conditii reale ale echipamentelor dezvoltate in cadrul proiectului (sistemul autonom si sistemul ROV) si deasemenea tot in conditii reale au fost facute teste privind parametrii de dispersie ai schijelor si parametrii de explozie prin detonarea de dispozitive improvizate. In activitatea 4.7 a fost facuta diseminarea rezultatelor prin organizarea de catre autoritatea contractanta UEFISCDI a unui workshop online.

Activitatea 4.1 Interconectarea intre toate modulele software dezvoltate pentru aplicatia informatica.

Activitatea 4.2 Optimizarea finala a aplicatiilor la sediul executantului.           

Activitatea 4.3 Livrarea si instalarea aplicatiilor la beneficiar

In activitatile 4.1, 4.2, 4.3 a fost finalizata interconectarea functionala intre modulele componente ale celor doua softuri dezvoltate de IFIN-HH (CBRNE Monitor si CBRNE Software), au fost facute optimizarile necesare ale acestor aplicatii si in final aceste softuri au fost instalate pe serverele beneficiarului. In cadrul procedurilor de testare a participat si institutia coordonatoare (INCDFM) unde aplicatia CBRNE Software a fost instalata. S-au facut testari si simulari pentru dispersia de materiale radioactive in urma detonarii unor explozibili clasici in vederea obtinerii de date necesare intocmirii unui protocol de interventie in cazul producerii de evenimente CBRNE. In continuare sunt descrise succint procedurile de executie, capabilitatile si modul de operare integrat al acestor aplicatii.

Activitate 4.4 Livrarea de proceduri/protocoale de colectare si investigare de probe materiale afectate de explozii murdare.      

Metodologie/protocol de interventie in caz de alerta terorista/post-eveniment de tip CBRNE.

Necesitatea unui protocol pentru interventie in cazul alertelor teroriste de tip CBRNE (ante eveniment) sau post eveniment (in eventualitatea in care un asemenea eveniment a avut loc) este justificata de complexitatea metodelor prin care evenimentul se poate produce, implicit a efectelor pe care acesta le poate avea asupra populatiei civile, echipelor de interventie si/sau bunurilor materiale. Un eveniment CBRNE poate fi generat de o incarcatura pur exploziva (cu sau fara carcasa metalica), chimica (toxica sau neurotoxica), biologica sau radiologica. In cazul evenimentelor teroriste care presupun surse chimice, biologice sau radiologice se utilizeaza in general mici incarcaturi explozive care sa disperseze sursa contaminanta. Daca in cazul incarcaturilor pur explozive cu sau fara carcasa metalica, efectul asupra populatiei sau a bunurilor materiale este unul local, avand o raza de propagare de cativa zeci sau sute de metri, in cazul surselor chimice, biologice si radioactive, efectele produse se manifesta la scara larga, pe distante de pana la zeci sau sute de kilometri. Protocolul de interventie va include doua metodologii de lucru corespunzatoare starii de alerta terorista asupra unui potential eveniment CBRNE si starii post-eveniment cand evenimentul CBRNE deja s-a produs.

Protocolul, furnizat strict beneficiarului direct, SIAS, presupune un numar de pasi care odata efectuati conduc la diminuarea sau eliminarea completa a efectelor in cazul starii de alerta sau post eveniment de tip CBRNE si de asemenea propune metode de investigare post – eveniment a circumstantelor in care acesta s-a produs.

Conform protocolului elaborat, in cazul starii de alerta CBRNE se procedeaza in pasi consecutivi, luandu-se initial masuri pentru evacuarea populatiei, apoi pentru estimarea caracteristicilor unei posibile explozii, rularea softului CNRNE software pentru estimarea mai corecta a efectelor exploziei si luarea in final a masurilorv de protective a populatiei in concordanta cu efectele asteptate.

In cazul starii post eveniment CBRNE, protocolul analizeaza trei situatii distincte : (i) Eveniment ce consta in detonatia unei incarcaturi explozive fara carcasa sau elemente metalice generatoare de schije petrecut in interiorul sau in exteriorul cladirilor, (ii) evenimentul ce consta in detonatia unei incarcaturi explosive imbracate in carcasa metalica sau continand obiecte metalice  si (iii) eveniment ce consta in dispersia de material chimic toxic/neurotoxic sau radiologic in urma detonatiei unei incarcaturi explozive.

De mentionat ca pasii si masurile propuse in protocol se bazeaza pe argumentatii stiintifice expuse pe larg in anexele asociate acestuia. Acestea au fost obtinute pe baza de calcule, simulari si experimente in teren efectuate de-a lungul tuturor etapelor proiectului.

Activitate 4.5 Testarea in conditii reale prin organizarea de exercitii si simulari in teren

In poligonul MAI, construit in cadrul proiectului, INCDFM si INSEMEX au efectuat experimente privind evaluarea efectului letal al schijelor metalice generate in urma detonarii unor dispozitive explozive improvizate a interferentei undelor de soc generate in cazul exploziilor simultane.

În paralel cu experimentele, au fost effectuate simulări numerice ale unor dispozitive de detonare similar celor utilizate in experimente. Scopul al simulărilor a fost analizarea procesului de fragmentare si evaluarea efectului letal prin analiza dispersiei spatiale a schijelor.

1. Experimente privind evaluarea interferentelor undelor de presiune aeriene la detonarea simultana a încărcăturilor explozive.

Experimentele au constat in detonarea simultana a unor mici cantitati de explozibil pentru vizualizarea si analiza interferentei undelor de soc generate de acestea.

Activitate 4.6 Optimizarea conditiilor de testare finala si instruire beneficiar  

In cadrul acestei etape au fost realizate urmatoarele activitati specifice:

1. Integrarea in rucsac a detectorului de urme de explozivi;
2. Achizitia de smartphone-uri dedicate operatorilor sistemelor portabile tip rucsac. Realizarea pe smartphone a unei aplicatii de vizualizare a datelor de detectie radiologic si chimic si alarmare in conditii de pericol pentru operatori;
3. Optimizarea si finalizarea aplicatiei software a dispeceratului central.
4. Elaborarea manualului de utilizare a sistemului autonom.
5. Testarea finala, impreuna cu beneficiarul, a sistemului portabil tip rucsac si a sistemul de detectie radiatii montat pe ROV.;
6. Instruirea personalului operator al beneficiarului cu privire la utilizarea optima a sistemului portabil tip rucsac, precum si a sistemului montat pe ROV.

Testarea finala, impreuna cu beneficiarul, a sistemului portabil tip rucsac si a sistemului de detectie radiatii montat pe ROV

Testarea a avut loc in luna noiembrie si s-a realizat la sediul INCDFM, in prezenta reprezentantilor INCDFM,  IGPR-SIAS, Exatel Srl.

Activitate 4.7 Diseminarea si promovarea rezultatelor si organizare workshop final.

In data de 16.11.2020 sub coordonarea autoritatii UEFISCDI si la initiativa doamnei monitor de proiect Emilia Dumitras, fost organizat un workshop online in care au fost diseminate rezultatele acestui proiect. Au fost sustinute prezentari atat din partea coordonatorului (INCDFM) prin persoana domnului director de proiect Dr. Victor Kuncser, cat si din partea partenerilor, prin persoanele: Ing. Fiz Marian Craciun, (EXATEL), Dr. Bogdan Zorila (IFIN-HH), Dr. Valentin Acasandrei (IFIN-HH). La acest workshop au participat invitati din partea Comisiei interministeriale pentru Securitate, Beneficiarului MAI (SIAS si IGSU) si respectiv din partea partenerilor implicate in proiect.

Livrabile

Astfel, in cadrul proiectului au fost realizate si livrate:

1. Aplicatia informatica pentru monitorizarea in timp real a senzorilor pusi la dispozitie de beneficiar, incluzand integrarea senzorilor de la o locatie specificata, sub forma de proof of concept (1 soft complex- CBRNE Monitor).
2. Aplicatia informatica pentru prognoza/diagnoza evenimentelor CBRNE (1 soft complex – CBRNE Software).
3. 4 sisteme autonome portabile tip rucsac pentru echipa de interventie, 1 sistem compact integrat pentru platforma robotica, 1 sistem tip rucsac pentru sediul IGSU.
4. Poligon amenajat la locatia stabilita, conform solutiei tehnice agrate cu MAI.
5. Metodologie de interventie rapida la un posibil eveniment CBRNE pe baza estimarii efectelor unei explozii (interventie ante-eveniment) cat si o Metodologie de interventie rapida post-eveniment, cu colectarea de probe si estimarea efectelor unei explozii pe perioada mai indepartata si au fost realizate baze de date privind efectele macroscopice si microscopice ale diverselor tipuri de explozii.

Cele 2 metodologii de interventie propuse (ante- si post-eveniment) au fost elaborate pe baza seturilor de baze de date privind efectele macroscopice si microscopice ale diverselor tipuri de explozii, obtinute astfel: (i) prin experimentare directa in poligon si caracterizare ulterioara in laborator, (ii) prin dezvoltarea de modelari matematice analitice si simulari numerice implementate in softuri proprii si prin dezvoltarea de modelari prin simulare numerica.

Rezumat publicabil

Proiectul si-a propus dezvoltarea unui sistem ingrat de interventie in cazul unor incidente tip CBRNE, in speta a celor asociate unor actiuni infractionale. S-a urmarit fundamentarea stiintifica, configurarea corespunzatoare, implementarea, optimizarea si testarea unui astfel de sistem multicomponent format din: (i)     aplicatie informatica pentru monitorizarea evolutiei si evaluarea efectelor evenimentelor CBRNE, (ii) sistem de senzorii integrati intr-o configuratie inovativa, (iii) complex modular si baza metodologica de evaluare a caracteristicilor exploziilor cu componente CBRN.

Un prim rezultat al proiectului s-a concretizat prin dezvoltarea si implementarea la beneficiari (Inspectoratul General pentru Situatii de Urgenta-IGSU si Serviciul pentru Interventii si Actiuni Speciale – SIAS) a doua aplicatii software (CBRNE Monitor si respectiv CBRNE Software) de utilitate maxima in prevenirea si monitorizarea incidentelor de tip CBRNE. Capabilitatile acestor aplicatii permit pe de o parte monitorizarea continua si transmiterea de date provenind de la senzori dedicati de detectie a substantelor cu risc pentru securitatea si sanatatea populatiei, precum substante radiologice si chimice (prin aplicatia CBRNE Monitor), cat si prognoza evolutiei in timp a contaminarii in teritoriu cu substante de risc in urma unor potentiale evenimente de tip CBRNE (prin aplicatia CBRNE Software).

Interfata CBRNE Monitor (sus) si CBRNE software (jos)

Un al doilea rezultat al proiectului a fost proiectarea, constructia si punerea in functiune la beneficiar (SIAS) a doua sisteme de detectie a substantelor de risc (explozive, chimice, radiologice si biologice) bazate pe integrarea unor senzori de detectie cu posibilitatea achizitiei si transmisiei de date catre centrul de comanda. Unul dintre sisteme este caracterizat de functionalitate autonoma, fiind instalat pe un robot, iar celalalt sistem este caracterizat de portabilitate (rucsac) cu pastrarea capabilitatilor functionale.

Un al treilea rezultat al proiectului l-a reprezentat conceperea, proiectarea si realizarea complexului modular de evaluare a caracteristicilor exploziilor cu componente CBRN. A fost amenajat un poligon modular de antrenament,  ce permite atat efectuarea de exercitii de tragere cu armamentntul specific trupelor de interventie, cat si testari si simulari de scenarii ale exploziilor, cu posibilitatea inregistrarii parametrilor undelor de soc si a imaginilor corespunzatoare fazei de detonatie. Pe baza experimentelor efectuate in poligon si a simularilor computerizate a fost realizata o baza de date privind efectele macroscopice si microscopice ale exploziilor asupra diverselor materiale si a fost propus un protocol de lucru aplicabil in situatii de interventie in cazul starilor de alerta si post eveniment de tip CBRNE.

Sistem integrat de senzori autonom pe platforma robotica-stanga, portabil - dreapta

Poligon modular destinat exercitiilor de tragere si testarii dispozitivelor explozive. In inset sunt prezentate imagini cu experimente efectuate.

National Institute of Materials Physics

Atomistilor Str., No. 405A
PO Box MG 7, 077125, Magurele, Romania

Telephone:

+40-(0)21-3690185, +40-(0)21-2418100

Fax:

+40-(0)21-3690177