CC BY
11
УДК 004.023
ИНФОРМАЦИОННЫЕ РЕСУРС Ы СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА КРУПНЫХ ПОЖАРОВ НА ОБЪЕКТАХ ЭНЕРГЕТИКИ
А. В. КУЗНЕЦОВ, Д. В. ТАРАКАНОВ, М. О. БАКАНОВ, А. В. СУРОВЕГИН
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново E-mail: a.kuznetsov9@yandex.ru, den-pgsm@mail.ru, mask-13@mail.ru, sav-37@mail.ru
В работе представлены аналитические зависимости оценки предельных состояний системы мониторинга для решения комплекса задач по планированию и организации наблюдения при техногенных пожарах на объектах энергетики. Разработаны процедуры для решения практических задач оценки необходимого количества средств мониторинга для его качественной реализации, что обеспечивает требуемые показатели информационного обеспечения при мониторинге параметров безопасного функционирования на энергетических объектах. Разработана процедура планирования резерва средств мониторинга на основе беспилотных авиационных систем (БАС) с целью повышения качества информационного обеспечения действий подразделений, участвующих в ликвидации пожаров на объектах энергетики. Предложена концептуальная модель резервирования средств мониторинга пожара на основе прогноза динамики состояний системы управления. Разработан метод оценки состояний системы мониторинга с целью прогнозирования эффективности ее функционирования в режиме реального времени. Рассмотрены систематизированные результаты, полученные в ходе решения научной задачи, состоящей в разработке моделей комплексной оценки качества системы мониторинга, созданной на базе беспилотных авиационных систем с целью формирования единого информационного пространства для эффективного управления подразделениями, участвующими в предупреждении и ликвидации пожаров на объектах энергетики.
Ключевые слова: планирование мониторинга, информационное обеспечение, резервирование средств мониторинга, объекты энергетики.
INFORMATION RESOURCES OF THE SYSTEM FOR MONITORING LARGE FIRES AT ENERGY OBJECTS
A. V. KUZNETSOV, D. V. TARAKANOV, M. O. BAKANOV, A. V. SUROVEGIN
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo E-mail: a.kuznetsov9@yandex.ru, den-pgsm@mail.ru, mask-13@mail.ru, sav-37@mail.ru
The paper presents analytical dependences for evaluating the limit States of the monitoring system for solving a set of tasks for planning and organizing monitoring of man-made fires at energy facilities. Procedures have been developed for solving practical problems of evaluating the necessary number of monitoring tools for its high-quality implementation, which provides the required information support indicators for monitoring the parameters of safe operation at energy facilities. A procedure has been developed for planning the reserve of monitoring tools based on unmanned aircraft systems in order to improve the quality of information support for the actions of units involved in the elimination of fires at energy facilities. A conceptual model is proposed for reserving fire monitoring tools based on the forecast of the dynamics of the control system States. A method has been developed for assessing the state of the monitoring system in order to predict the effectiveness of its operation in real time. Systematized results obtained in the course of solving the scientific problem of developing models for integrated quality assessment of the monitoring system created on the basis of unmanned aircraft systems in order to form a unified information space for effective management of departments involved in the prevention and elimination of fires at energy facilities are considered.
© Кузнецов А. В., Тараканов Д. В., Баканов М. О., Суровегин А. В., 2020
24
Key words: monitoring planning, information support, reservation of monitoring facilities, energy objects.
Введение
Системы энергетики на сегодняшний день являются ключевой отраслью экономики современного государства. Поэтому, обеспечение безопасности критически важных объектов топливно-энергетического комплекса (ТЭК) - один из основных приоритетов в системе национальной безопасности страны. Система безопасности объектов ТЭК является единой интегрированной системой, состоящей из различных программно-технических средств. К ним можно отнести: автоматизированные системы управления технологическим процессом, системы пожарной автоматики и другие системы мониторинга параметров безопасного функционирования объектов. В свою очередь, средства мониторинга следует разделять на стационарные (пожарная автоматика, АСУТП и т.п.) и мобильные (беспилотные летательные аппараты (БПЛА), робототехнические комплексы и т.п.).
Для обеспечения надежного функционирования систем мобильного мониторинга следует обеспечить объективность и требуемые показатели качества информационных ресурсов системы мониторинга.
Особенности применения сил и средств пожарно-спасательных подразделений в ходе ликвидации пожаров на объектах энергетики обуславливают потребность в совершенствовании процедур принятия решений при их управлении. Достоверность и объективность получаемой информации, которая поступает с использованием результатов объективного мониторинга пожара, приобретает ключевое значение для реализации формализованных процедур управления.
Информационное обеспечение данной системы полностью основано на результатах мониторинга, которые в совокупности с методами прогнозирования, обеспечивают объективной информацией все этапы предупреждения и борьбы с пожарами на объектах энергетики.
Характер реализации систем мониторинга зависит от видов и специфики их основных функций, к которым относятся: сбор информации, получение прогнозов, оценка без-
1 2
опасности и оценка результативности , .
1 ГОСТ Р 22.1.12-2005. Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Структурированная система мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений. Общие требования.
Вместе с тем, методики мониторинга пожаров разнообразны [1-3] и в настоящее время для мониторинга пожаров и чрезвычайных ситуации применяются беспилотные авиационные системы [4, 5]. Актуальные научные методы определяют количественные показатели, по которым можно проводить научный анализ эффективности применения БАС как средства мониторинга, к ним можно отнести следующие:
• оперативность развертывания системы мониторинга;
• качество передаваемой информации при мониторинге;
• экономическая составляющая: стоимость средства мониторинга.
Однако развитие цифровых технологий определило объективную потребность в оснащении результатов мониторинга, как информационной составляющей управления, интеллектуальным анализом результатов мониторинга - аналитической составляющей управления. Из вышеизложенного можно сделать вывод, что на современном этапе информационно-аналитические системы управления нуждаются в развитии. Важным направлением совершенствования информационно-аналитических систем управления в области борьбы с пожарами является комплексная оценка их организации и функционирования, для чего необходимо иметь объективный количественный инструментарий.
Таким инструментарием может служить модель циклического мониторинга, которая основана на принципах непрерывного получения информации с места пожара или чрезвычайной ситуации [6, 7]. При планировании циклического мониторинга с применением БАС весь процесс сбора информации, необходимой для принятия решений, декомпозируют на циклы. При этом для каждого средства мониторинга формируется циклограмма, состоящая из этапов. Циклограмма мониторинга - диаграмма времени, реализации этапов применения средств мониторинга при реализации задач сбора информации с места чрезвычайной ситуации и этапов восстановления средств мониторинга, включая их техническое обслуживание.
2 ГОСТ Р 56935-2016. Производственные услуги. Услуги по построению системы мониторинга автоматических систем противопожарной защиты и вывода сигналов на пульт централизованного наблюдения «01» и «112».
Основная часть
Рассмотрим следующую схему мониторинга. Пусть имеется продолжительность одного цикла мониторинга Т (мин), включающая следующие этапы (табл. 1). Структурная схема циклического мониторинга представлена на рис. 1.
Согласно принятой структурной схемы предположим, что весь цикл мониторинга будет равен сумме продолжительностей его этапов, то есть:
T = Т +Т2 + Т3 + Т4 (мин). (1)
Соответственно, если нам известны следующие параметры: Т - продолжительность цикла мониторинга; Т1 - следование к месту мониторинга; Т3 - следование к месту восстановления, определяемые на основе технических характеристик средств мониторинга: скорости движения и времени работы, то необходимо определить какова продолжительность этапов мониторинга и восстановления средств мониторинга при заданном количестве средств мониторинга N, обеспечивающих непрерывный и устойчивый мониторинг.
Таблица 1. Этапы циклического мониторинга
Этап Описание этапа циклического мониторинга
Т продолжительность этапа следования средства мониторинга к месту ЧС (мин)
T2 продолжительность мониторинга на месте ЧС (мин)
Тз продолжительность следования средства мониторинга к месту его восстановления (пункту организации мониторинга) (мин)
Т4 продолжительность восстановления средства мониторинга (мин)
Рис. 1. Структурная схема циклического мониторинга
Под непрерывным мониторингом понимается процесс, который характеризуется постоянным наличием в зоне мониторинга одного средства мониторинга. Устойчивость монито-
ринга достигается реализацией мер, обеспечивающих при возникновении непредвиденных ситуаций непрерывность мониторинга, что до-
стигается наличием как минимум одного средства мониторинга в пункте восстановления.
Тогда для обеспечения непрерывности циклического мониторинга необходимое коли-
чество средств мониторинга определяется по формуле:
m = M
Г1? v T j
(
= M
T + T + T + T
Л
(
^ m = M
T +T +T
+1
(2)
где М - оператор округления к большему целому.
В случае если продолжительность этапов следования к месту мониторинга и обратно к месту восстановления равны, то есть Т1=Т3, то необходимое количество средств мониторинга можно определить по формуле:
m = М
'2T, + ТЛ
+ 1
(3)
при условии, что Т4 > T2.
Для сохранения стабильности мониторинга должно быть принято решение о необходимости применения резервного средства мониторинга. Процедура принятия решения базируется на оценке вероятности события, заключающегося в том, что на пункте восстановления нет ни одного средства мониторинга.
Для этого воспользуемся разработанной моделью:
<TP, Te, a, m, Pm, P*>,
(4)
где Тр - продолжительность нахождения средства мониторинга в работе, мин; Тв - продолжительность нахождения средства мониторинга на восстановлении, мин; а - параметр мониторинга; т - необходимое для непрерывного мониторинга количество средств мониторинга; Рт - вероятность события при котором все средства мониторинга находятся в работе; Р* - предельное значение вероятности.Для моделирования состояний мониторинга предлагается система уравнений аналогичных уравнениям Эрланга с восстановлением [8], которая представляет собой следующую совокупность:
^ = -f Р„ (Т)+± Р, (Т)
dT
^ = - f Pk (Т) - Y Pk (Т )+f pk-1 (Т )+f pk+1 ( Т )
dl TP TB TP TB
(5)
dPm (T)
dT
= -fPm (ТPm-1 (Т)
2
2
\
j
\
j
где к - количество средств мониторинга, находящихся в воздухе; Р< - вероятность состояния системы, при котором к из т средств мониторинга находится в воздухе.
Принятие решения о привлечении резервного средства мониторинга основано на строгом неравенстве: если Рт<Р*, то необходим резерв.
Здесь Р(а,т) определяется по соотношению:
1
А
Р_ л m-k
m = Т > Ak = а
, А = Ja , k=0,1,...,m. (6)
Результаты анализа соответствующих определителей систем линейных уравнений и аналитические соотношения для определения предельных вероятностей состояния системы мониторинга представлены в табл. 2.
Согласно предложенной схеме циклического мониторинга, продолжительность нахождения средства мониторинга в небе будет определяться по формуле Т = 2Т + Т (мин). В свою очередь, длительность нахождения средства мониторинга на земле - это время восстановления, то есть Тв=Т4 (мин).
k=0
Таблица 2. Расчет предельных состояний системы мониторинга
Количество средств мониторинга m=1 m=2 m=3
Определители матриц
А о А = а А = а2 А = а3
Ai А i = 1 А = а А = а2
А 2 - А = 1 А = а
А з - - А з = 1
А А = 1 + а А = 1 + а + а2 А = 1 + а + а2 +а3
Искомые вероятности состояний системы
Состояние 0 а Г° 1 + а р = а2 р0 1 2 1 + а + а P = а3 р0 , 2 3 1 + а + а2 +а3
Состояние 1 Pi = 1 1 1 + а а P1 2 1 + а + а P = а2 1 2 3 1 + а + а +а
Состояние 2 - P2 = 1 , 1 + а + а P = а 1 +а +а2 +а3
Состояние 3 - - P=, '2 ■ 1 + а +а +а
Из рис. 2 видим, что процесс принятия решения о применении резервного средства мониторинга начинается с ввода исходных данных: Т, Т1, Т2, Р*.
Продолжительность восстановления средства мониторинга на базе беспилотных авиационных систем определяется по формуле:
Т4 = Т - 2\ -Т2 (мин).
Для расчета необходимого количества средств мониторинга т применяем формулу:
m = М
+ T4 ^
V Т2 у
+ 1
(7)
Далее выполняют расчет параметра схемы мониторинга а:
а =
271+ T
(8)
После проведения вышеуказанных расчетов оценивают вероятность события, при котором все средства мониторинга находятся в работе:
P =
а А
, \=am-k, А = £А, , k=0,1,...,m. (9)
Принятие решения о привлечении резервного средства мониторинга производится исходя из условия: Рт>Р*. Необходимо учитывать, что при увеличении времени следования средства мониторинга к чрезвычайной ситуации или крупному пожару, повышается вероятность применения резервного средства мониторинга.
Принятие решения о привлечении резервного средства мониторинга производится исходя из условия: Рт>Р*. Необходимо учитывать, что при увеличении времени следования средства мониторинга к чрезвычайной ситуации или крупному пожару, повышается вероятность применения резервного средства мониторинга.
k=0
Рис. 2. Алгоритм принятия решений о применении резервного средства мониторинга
Заключение
При разработке модели циклического мониторинга и ее последующем внедрении в комплекс алгоритмических и структурных решений для проектирования сложных систем управления при мониторинге крупных пожаров на основе беспилотных авиационных систем произведен учет современного уровня развития технологий и информационных ресурсов систем мониторинга, в части касающейся качества информационного обмена в системе управления. Модернизированный комплекс решений позволяет на практике, при математическом описании состояний мониторинга пожара, использовать элементы модели циклического мониторинга. Таким образом, при постановке задачи планирования мониторинга была предусмотрена возможность учета изме-
нений состояний системы управления вследствие воздействия внешней среды, что носит определяющий характер при оценке адекватности результатов моделирования.
Совокупность полученных результатов является теоретической основой для разработки концептуальной модели резервирования средств мониторинга пожара на основе прогноза динамики состояний системы управления, что в свою очередь дополняет и расширяет информационную систему крупных пожаров на объектах энергетики. В дальнейшем результаты исследования позволят развить метод оценки состояний системы мониторинга с целью прогнозирования эффективности ее функционирования в режиме реального времени.
Список литературы
1. Половинчук Н. Я., Иванов С. В., Тимофеев В. И. Алгоритм терминально-оптимального управления беспилотным летательным аппаратом // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2017. №1. С. 13-17.
2. Татаринов В. В., Калайдов А. Н., Муйкич Э. Применение беспилотных летательных аппаратов для получения информации о природных пожарах // Технологии техносфер-ной безопасности. 2017. № 1(71). С. 160-168.
3. Фоменко А. А. Управление группой беспилотных летательных аппаратов при мониторинге лесных пожаров // Научное обозрение. 2013. № 4. С. 137-143.
4. Ростопчин В. В. Элементарные основы оценки эффективности применения беспилотных авиационных систем для воздушной разведки // Беспилотная авиация. http://uav.ru/articles/basicuavefficiency.pdf.
5. Руководство по повышению эффективности действий подразделений пожарной охраны при ликвидации пожаров на начальных этапах развития в зданиях с использованием информации от мониторинговых систем поддержки управления / А. О. Семенов, Д. В. Тараканов, М. О. Баканов [и др.]. Иваново: ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2017. 35 с.
6. Модели качества мониторинга пожаров и чрезвычайных ситуаций с учетом специфики их развития / М. О. Баканов, Д. В. Тараканов, А. В. Кузнецов Баканов [и др.] // Мониторинг. Наука и технологии. 2018. № 3(36). С. 51-54.
7. Баканов М. О., Тараканов Д. В. Дистанционный мониторинг техногенных пожаров и чрезвычайных ситуаций // Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности. 2018. № 1(373). С. 173-177.
8. Абрамов А. П. Автоматизированная система информационной поддержки принятия решений при тушении пожаров: структура и содержание информационного обеспечения // Пожары и окружающая среда: сборник материалов XVII Международной научно-практической конференции. Балашиха: ВНИИ-ПО, 2002. С. 363-365.
References
1. Polovinchuk N. Ya., Ivanov S. V., Timofeyev V. I. Algoritm terminal'no-optimal'nogo upravleniya bespilotnym letatel'nym apparatom [Algorithm of terminal-optimal control of an unmanned aerial vehicle]. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2017, issue 1, рр. 13-17.
2. Tatarinov V. V., Kalaydov A. N., Muy-kich E. Primeneniye bespilotnykh letatel'nykh ap-paratov dlya polucheniya informatsii o prirodnykh pozharakh [The use of unmanned aerial vehicles to obtain information about wildfires]. Tekhnologii tekhnosfernoy bezopasnosti, 2017, vol. 1(71), рр. 160-168.
3. Fomenko A. A. Upravleniye gruppoy bespilotnykh letatel'nykh apparatov pri monitoringe lesnykh pozharov [Controlling a group of unmanned aerial vehicles while monitoring forest fires]. Nauchnoye obozreniye, 2013, issue 4, рр. 137-143.
4. Rostopchin V. V. Elementarnyye osno-vy otsenki effektivnosti primeneniya bespilotnykh aviatsionnykh sistem dlya vozdushnoy razvedki
[Elementary foundations for assessing the effectiveness of the use of unmanned aerial systems for aerial reconnaissance]. Bespilotnaya aviatsiya. http://uav.ru/articles/basicuavefficiency.pdf.
5. Rukovodstvo po povysheniyu effek-tivnosti deystviy podrazdeleniy pozharnoy okhrany pri likvidatsii pozharov na nachal'nykh etapakh razvitiya v zdaniyakh s ispol'zovaniyem informatsii ot monitoringovykh sistem podderzhki upravleniya [Guidelines for improving the efficiency of fire protection units in the elimination of fires at the initial stages of development in buildings using information from monitoring systems of management support] / A. O. Semenov, D. V. Tarakanov, M. O. Bakanov [et al.]. Ivanovo: FGBOU VO Ivanovskaya pozharno-spasatel'naya akademiya GPS MCHS Rossii, 2017. 35 p.
6. Modeli kachestva monitoringa pozharov i chrezvychaynykh situatsiy s uchetom spetsi-fiki ikh razvitiya [Models of the quality of monitoring of fires and emergency situations, taking into
account the specifics of their development] / M. O. Bakanov, D. V. Tarakanov, A. V. Kuznetsov [et al.]. Monitoring. Nauka i tekhnologii, 2018, vol. 3(36), pp. 51-54.
7. Bakanov M. O., Tarakanov D. V. Dis-tantsionnyy monitoring tekhnogennykh pozharov i chrezvychaynykh situatsiy [Remote monitoring of technogenic fires and emergency situations]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Tekhnologiya tekstil'noy promyshlennosti, 2018, vol. 1(373), pp. 173-177.
8. Abramov A. P. Avtomatizirovannaya sistema informatsionnoy podderzhki prinyatiya resheniy pri tushenii pozharov: struktura i soderzhaniye informatsionnogo obespecheniya [Automated system of information support for decision-making when extinguishing fires: structure and content of information support]. Pozhary i okruzhayushchaya sreda: sbornik materialov XVII Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konfer-entsii. Balashikha: VNIIPO, 2002, pp. 363-365.
Кузнецов Александр Валерьевич
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
адъюнкт очной формы обучения
E-mail: a.kuznetsov9@yandex.ru
Kuznetsov Alexander Valerievich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of
State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination
of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
postgraduate student
E-mail: a.kuznetsov9@yandex.ru
Тараканов Денис Вячеславович
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново,
доктор технических наук, профессор кафедры
E-mail: den-pgsm@mail.ru
Tarakanov Denis Vyacheslavovich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of
State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination
of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
doctor of technical sciences, professor chairs
E-mail: den-pgsm@mail.ru
Баканов Максим Олегович
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново,
кандидат технических наук, начальник кафедры
E-mail: mask-13@mail.ru
Bakanov Maxim Olegovich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo
candidate of technical sciences, head of chair E-mail: mask-13@mail.ru
Суровегин Антон Вячеславович
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново,
начальник научно-исследовательского отделения
E-mail: sav-37@mail.ru
Surovegin Anton Vyacheslavovich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of
State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination
of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
head of the research division
E-mail: sav-37@mail.ru
