CC BY
211
УДК 614.8:621:865.8
С.П. Тодосейчук к.т.н., К.И. Самойлов к.т.н., Н.Г. Климачева
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ НАЗЕМНЫХ
РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ
Рассмотрен опыт применения наземных робототехнических средств (РТС) при ликвидации ЧС. Дана оценка эффективности и ТТХ перспективных РТС
Н.Г. Климачева
В развитии экстремальной робототехники в нашей стране можно условно выделить три этапа и соответствующие им поколения машин:
первый этап — конец 80-х и начало 90-х гг. прошлого столетия
— характеризуется в основном доработкой и приспособлением РТС, заимствованных в других отраслях экономики, к нуждам гражданской обороны страны и созданием отдельных образцов на базе промышленных роботов;
второй этап относится к середине 90-х гг., когда наметился переход к разработке РТС специально по заказам гражданской обороны и был создан ряд таких образцов;
третий этап — конец 90-х гг. по настоящее время — характеризуется как период сравнительно интенсивного развития экстремальной робототехники в интересах МЧС России.
Впервые РТС были применены для обеспечения безопасности работы спасателей при ликвидации аварии на Чернобыльской АЭС в июле-октябре 1986 г. [1].
В последующие годы мобильные роботы в целом успешно применялись для ликвидации радиационной аварии в г. Сарове (Арзамас-16) [2], ионизирующих источников в г. Грозном [3], химической аварии в Зеленограде, при обезвреживании взрывоопасных и других опасных предметов в ряде городов России.
Технические характеристики РТС, применявшихся при ликвидации радиационной аварии в г. Сарове, Грозном и в других ЧС, представлены в табл. 1, где использованы следующие сокращения: ЭМ — электромеханический; М — механический; ГД — гидравлический; Г — гусеничный; К — колесный.
На фоне некоторых случаев успешного применения РТС выявился ряд их недоработок:
• низкий уровень надежности технических компонентов;
• недостаточная радиационная стойкость элементов систем управления и контроля;
• недостаточные управляемость, проходимость;
• технологическая недооснащенность.
Большинство роботов, использовавшихся на ЧАЭС, не соответствовали условиям применения и решаемым задачам по основным свойствам: надежности, живучести и стойкости, управляемости, оснащенности, автономности [1]. Эффективность применения наиболее успешно действующих РТС составила по вероятности выполнения операций менее 0,6.
Использовавшаяся в последующие годы робототехника при ликвидации различных ЧС показала более высокую эффективность за счет повышенной оперативно-технической подготовленности и улучшенных ТТХ, в первую очередь мобильности и надежности [2, 3]. Эффективность применения РТС при ликвидации радиационной аварии в г. Сарове (по вероятности выполнения задачи) составила около 0,7.
Научно-технические разработки
Научно-технические разработки
Таблица 1
Технические характеристики РТС, применявшихся при ликвидации радиационных аварий в г. Сарове, Грозном и в других ЧС
Показатели Наименование РТС
МРК-25 МРК-46 МРК-Э MF-3 MF-4 Rascal Hobo BROKK (Германия)
MiniCut 330
Скорость перемещения, м/мин 0-33 0-25 0-83 0-25 0-25 0-25 075 0-25 8 5 0 0 3 0
Тип движителя Г Г Г Г* Г К** К Г Г Г
Тип привода ЭМ ЭМ М ЭМ ЭМ ЭМ ЭМ ГД ГД ГД
Радиус действия, м, при управлении: по радио 500 - 250 1000 1000 250 1000 200 200 200
по кабелю 150 400 100 100 100 - 150 60 10 63
Время непрерывной работы, ч 2 8 не огр. 3 - - - не ограничено
Средняя наработка на отказ, ч > 40 > 40 > 40 - - - - > 50 > 50 >50
Радиационная стойкость, Р/с 2,7 2,7 - 2,7 - - - - - -
Радиационный ресурс, грей (рад) 103 (105) 104 (106) - 3 5) 00 - - - - -
Грузоподъемность манипулятора, кг 25 100 300 80 30 7 75 30 150 500
Масса, кг 180 650 14000 360 280 33 228 380 1400 4100
Преодолеваемые препятствия: подъем, град 40 - - - 32 10 35 - - -
стенка, м 0,20 - - 0,25 0,03 0,30 - - -
Примечание. * - с четырьмя гусеницами
** - с вспомогательными гусеничными лентами
Разработанные в середине 90-х гг. отечественные ] РТС и поступившие на оснащение аварийно-спасательных подразделений МЧС России зарубежные I
образцы, хотя и имеют по сравнению с РТС первого ]
поколения заметные преимущества по ряду свойств ]
(мобильности, надежности, дальности управления, автономности), но в целом не полностью соответствуют требованиям ведения аварийно-восстановительных и других неотложных работ в условиях ЧС. Указанное несоответствие, исходя из опыта примене- ] ния РТС, сводится к следующему: ]
• недостаточная мобильность в зонах ЧС, обусловленная ограниченными проходимостью и скоростью маневрирования и дефицитом видеоинформа- I ции о месте и процессе работ;
• недостаточная производительность из-за низ- ]
кой скорости поиска источников ЧС, отсутствия не- ]
обходимого для данной ситуации технологического оснащения (рабочего оборудования, измерительного инструмента, выносных телекамер и др.); ]
• недостаточная надежность из-за радиационной ] нестойкости телекамер и других элементов систем управления и относительно низкого уровня безотказности роботов в целом.
Кроме того, выявилась необходимость тщатель- ] ной технологической подготовки РТС, обязательными элементами которой являются дополнительная ] адаптация роботов к внешним условиям, отработка каждой выполняемой ими операции в условиях, близких к реальным, резервирование РТС. Обяза- ] тельное требование — высокий профессионализм
персонала, управляющего и обслуживающего РТС.
В целом опыт применения наземных РТС в рассмотренных случаях и возможность их использования в различных ЧС и опасных зонах свидетельствовали о потребности в мобильных робототехнических комплексах других классов и типов.
В рамках идеологии третьего поколения наземных РТС в интересах МЧС России создаются:
• технолого-разведывательный робототехнический комплекс (РТК) класса РТК-РХ (индекс «Щит») второго среднего типа (согласно классификации РТС) для аварийных работ в зонах химических и радиационных аварий (включая взрывоопасные зоны) (РТС-У на базе гусеничного шасси с экскаватором);
• разведывательно-технологический (учебно-тренировочный) РТК класса РТК-В (индекс МРК-25УТ) первого легкого типа для подготовки высококвалифицированных операторов МРК, обеспечения требуемого уровня их практической подготовки для выполнения реальных операций обращения с взрывоопасными предметами (ВОП).
Принципиальным эксплуатационным достоинством МРК-25УТ является возможность коренного повышения оперативной готовности расчетов и МРК при ликвидации ЧС с ВОП.
Преимуществами РТК «Щит» по сравнению с предыдущими аналогами являются повышенные основные ТТХ: длительность непрерывной и автономной работы, дальность дистанционного управления, надежность, характеристики мобильности и др.
Обобщение опыта применения и разработки РТС
позволили определить ряд основных требований к создаваемым и перспективным образцам. В целях объединения усилий многих научно-производственных организаций в области робототехники и придания целевой направленности их деятельности в интересах МЧС России в ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ) разработаны «Программа создания и внедрения робототехнических средств для решения задач МЧС России на 1997-2000 годы» [4] и «Концепция развития, оснащения и применения робототехнических средств в РСЧС» [5]. В русле этих основополагающих документов разработаны классификационные основы и общие технические требования к РТС. Установлены общая классификация РТС, состав классов и подклассов. Конструктивно и экономически целесообразные типы создаваемых наземных РТС представлены в табл. 2.
ЧС приведены в табл. 3.
Эффективность связывает представленные в табл. 1 и 3 ТТХ, является обобщенным показателем, определяющим прогресс в развитии РТС. Рост реализуемой эффективности РТС за период с 1986 г. по настоящее время и ожидаемый уровень на ближайшую перспективу иллюстрирует представленный рисунок. Возможности повышения реализуемой эффективности перспективных телеуправляемых РТС, на наш взгляд, состоят в следующем.
В системах «человек-оператор-робот» как системах «человек-машина» имеет место энергетический и информационный обмен между объектом управления (роботом) и системой управления, с одной стороны, и информационный обмен между человеком-операто-ром и системой управления — с другой. Максималь-
Таблица 2
Типы наземных РТС и их параметры
№ п/п Подкласс Тип (подтип) Общая масса, кг Ряды по массе, кг Грузоподъемность манипулятора, кг, не менее*
1. Разведывательные и разведывательнотехнологические Сверхлегкие (СЛ) < 100 не устанавливаются 10 % от общей массы
2. Разведывательно- технологические легкий (Л) первый 101-300 101-150; 151-200; 201-300 10; 15; 20
легкий (Л) второй 301-1000 301-400; 401-600; 601-800; 801-1000 30 40 60 80
3. Технолого- разведывательные средний (С) первый 1001-5000 1001-2000 2001-3000 3001-4000 4001-500 ; ; ; ) 100; 200 300; 400
средний (С) второй 5001-20000 5001-10000; 10001-15000; 15001-20000 500; 1000; 1500
4. Технологические Тяжелые (Т) 20001-50000 20001-30000; 30001-40000; 40001-50000 2000; 3000; 4000
5. Технологические Сверхтяжелые (СТ) св. 50000 не устанавливаются 10 % от общей массы
Известно, что все свойства и ТТХ робототехнических средств должны формироваться на основе заданной эффективности их применения. Основными свойствами РТС являются: производительность, мобильность, надежность, эргономичность, живучесть и стойкость, конструктивность, безопасность. При объединении эргономической составляющей надежности с надежностью РТС как системы «человек
— машина» основные свойства, явно связанные с эффективностью, сводятся к трем: производительности, надежности и мобильности.
Исходя из возможностей реализации потенциала по эффективности и потребностей практики определены общие технические требования к перспективным РТС наземного применения, которые являются составной частью разработанного в ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ) в 2000 г. проекта ГОСТ «Робототехнические средства для ликвидации ЧС. Классификация. Общие тактико-технические требования». Основные ТТХ перспективных наземных РТС для ликвидации
ной (потенциальной) эффективности функционирования таких систем на основе экспоненциального закона надежности объекта управления можно достичь только путем оптимизации обоих видов обменов с максимальным учетом эргономических факторов. Исходя из структуры формирования эффективности применения и закона надежности РТС, оценка ее показателя проводится по следующим формулам:
Р^п) = к.корРц^о,,) ,
где: кор = (Тпл—Тз)/Тпл;
Тш — время планирования применения РТС;
Тз — время запаздывания РТС к месту работ относительно времени возникновения ЧС;
Рц(^ш) — вероятность успешного действия РТС у цели (объекта):
Рц(*оп)= Р^ОП^),
Рт(0 — вероятность безотказной работы тех-
Научно-технические разработки
Научно-технические разработки
Р 0,5'
О 10 20 Т, годы
Рис. 1. Рост количества РТС по показателю эффективности (за Т = 0 принят 1986 год)
Таблица 3
Тактико-технические характеристики перспективных наземных РТС для ликвидации ЧС
Р = 1-0,44ехр(- 0,5Т)
Тактико-технические характеристики Значение ТТХ Условия определения (обеспечения) показателя
Время непрерывной работы РТС 1, ч 2-8
Эффективность применения РТС (вероятность выполнения задачи за оперативное время 1оп, Р(1оп) >0,9; >0,8 Для РТС классов РТС(АТ) и РТС(В); для остальных классов РТС
Автономность функционирования Тавт, сут >6
Коэффициент оперативного реагирования, кор > 0,85
Скорость перемещения, м/мин 0-100
Вероятность безотказного функционирования технических компонентов РТС Р (1 ), ч т оп > 0,96-0,99 1 = 2-8 ч оп
Среднее время безотказного функционирования технических компонентов РТС Т0, ч >200
Вероятность безошибочного выполнения оператором алгоритма управления при выполнении задачи РТС Ра1(1оп) > 0,995 1 = 2-8 ч оп
Коэффициент технической готовности РТС, кг > 0,99 Среднее время восстановления Тв < 2 ч
Живучесть и стойкость к внешним воздействиям избыточное давление в воздушной ударной волне в момент удара, 105 Па > 0,3 Значение коэффициента снижения живучести и стойкости к внешним воздействиям Г| < 0,1, Г| (р- р)Р где р,У> эффективность функционирования РТС соответственно без учета и с учетом внешнего воздействия
удар о преграду (соударение), 105 Па > 1
температура окружающей среды, °С -35 ... +40
скорость воздушного потока, м/с >40
интенсивность ионизирующих излучений, Р/с > 10
плотность потока нейтронов, с-1 м-2 < 1019
интегральная доза радиации, Р < 106
концентрация аварийно химически опасных веществ Не менее, чем соотв. началу поражения обслуживающего персонала
количество ПДК
плотность теплового потока, кВт/м2 > 14,5
нической части управляющей системы за время 1 ;
Ра.(1) — вероятность выполнения оператором алгоритма 1-ой задачи (операции) за время 1:
Р«№) = РвОО РсвОО, '
где: Рб(^), Рсв(11) — вероятность соответственно безошибочного и своевременного выполнения оператором алгоритма 1-ой задачи (операции) за время 1;
Р (I) = Р(1 < Т .);
св' 1 4 1 допг ’
Тдоп1 — допустимое (нормативное) время.
Заданному значению Р(1 ) при 1 (времени непрерывной работы), равном 2—8 ч, соответствуют:
К*оп)-0,8<
КО >0,9
кг > 0,99;
кор > 0,85 (при Т3 < 24 ч); Рт (О >0,96-0,99; Ра,(0> 0,995; кг > 0,99;
кор > 0,98 (при Т3 < 2 ч); Рт (О >0,96-0,99; Р*0ор) > 0,995;
Значения представленных в табл. 3 основных ТТХ, рассчитанные на основе оптимизации по критерию «эффективность — стоимость», должны обеспечить экономически целесообразный и функционально необходимый уровень реализуемой эффективности РТС.
Дальнейшее развитие и рост качества РТС для ликвидации ЧС должен, на наш взгляд, происходить путем их системотехнического и эргономического совершенствования на основе реализации потенциальных возможностей систем данного вида.
Таким образом, из изложенного можно сделать следующие выводы:
• опыт применения наземных РТС первого поколения показал
возможность успешного применения РТС при ликвидации радиационных аварий и вскрыл ряд недостатков, связанных с низким уровнем радиационной стойкости, управляемости, технологической оснащенности;
• отечественные наземные РТС второго поколения при ликвидации ЧС показали более высокий уровень эффективности, но имели основные недостатки образцов предыдущего поколения;
• оценка опыта применения РТС и потребностей практики позволила определить классификацию РТС и общие технические требования к перспективным образцам, исходя из задаваемого уровня их эффективности.
Рис. 3. Разведывательно-технологический РТК (МРК-25) легкого типа, успешно применявшийся при ликвидации последствий радиационных аварий
Литература
1. Опыт применения роботизированных средств при ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС: Отчет, НЦ МО РФ. - М., 1986.
2. Отчет о работах, выполненных при ликвидации последствий аварии во ВНИИЭФ с помощью мобильных робототехнических комплексов. — М.: МГУТ им. Н.Э. Баумана, 1997.
3. Отчет о проведении спасательной операции особого риска при ликвидации радиоактивных источников в г. Грозном. — М.: 294 ЦСООР МЧС России, 2000.
4. Программа создания и внедрения робототехнических средств для решения задач МЧС России. — М.: ВНИИ ГОЧС, 1997.
5. Концепция развития, оснащения и применения робототехнических средств в РСЧС / ВНИИ ГОЧС // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. — М.: ВИНИТИ, 1999. — Вып. 9.
РТС-У на базе гусеничного шасси с экскаватором
Рис. 2. Разведывательно-технологический РТК (РТК-У «Щит») среднего типа для аварийных работ в химических, радиационных и взрывоопасных зонах
Научно-технические разработки
