CC BY
21ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНО-ИНФОРМАЦИОННАЯ ПОДДЕРЖКА ПРИ РЕШЕНИИ ПРОБЛЕМНЫХ СИТУАЦИЙ НА ТРАНСПОРТНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ
Л.А Белякова, кандидат технических наук, доцент; В.Н. Громов, доктор технических наук, профессор. Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России
Предложено производить непрерывное слежение за состоянием воздушной среды в метрополитене с целью предупреждения нежелательных отклонений по важнейшим параметрам, выявление времени возникновения опасной ситуации, возможного места, масштаба и последствий для пассажиров метрополитена. Рассмотрена интеллектуально-информационная система в составе автоматизированных рабочих мест, позволяющая формировать, а оператору - выбирать лучшие варианты решений управления системами безопасности для достижения главной целевой функции.
Ключевые слова: интеллектуально-информационная система, комплексная система безопасности, автоматизированная система контроля параметров воздушной среды, метрополитен, логико-вероятностный метод, ситуационное моделирование
INTELLECTUAL-INFORMATION SUPPORT DURING THE SOLUTION OF PROBLEMATIC SITUATIONS IN THE TRANSPORT ENTERPRISES
L.A. Beliakova; V.N.Gromov.
Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia.
During the monitoring in the metro are produced continuous tracking of the state of air medium for the purpose of the prevention of undesirable deviations with respect to the most important parameters, development of the time of the appearance of dangerous situation, possible place, scale and consequences for the passengers of metro. The presence of intellectual- information system in the composition of the automated work sites makes it possible to form, and to operator to select the best versions of the solutions of control of the security systems for achievement of main objective function.
Key words: intellectual-information system, the integrated system of safety, the automated system of the control of the parameters of air medium, metro, logical-probability method, situation simulation
Информация непосредственно и неразрывно связана с процессом управления. Управление осуществляется для достижения определенной цели, связанной с состояниями объекта и среды, в которой он находится. Критерием оптимальности управления является степень достижения заданной целевой функции управления.
Интеллектуально-информационная система реализует и поддерживает модели, методы и алгоритмы достижения заданной целевой функции управления при решении проблемных ситуаций в технически сложных системах.
Транспортные предприятия, и метрополитен в частности, являются технически сложными системами, предназначенными для интенсивных пассажирских перевозок.
Удельный вес метрополитена в общегородских объемах пассажироперевозок составляет до 55 %. В Москве ежедневно в рабочие дни недели метрополитен перевозит
9-9,5 млн пассажиров, в Санкт-Петербурге - около 3-х млн человек.
Вместе с тем, пребывание в метрополитене может представлять риск для жизни и здоровья людей.
Особенностью метрополитена, как объекта с массовым пребыванием людей, является то, что это подземный объект и в случае пожара, техногенной аварии или теракта его пассажиры становятся заложниками чрезвычайной ситуации (ЧС), так как часто они не могут самостоятельно успешно эвакуироваться через пассажирские помещения станций.
В силу своих специфических особенностей, метрополитен является еще и сооружением коллективной защиты населения при ЧС природного, техногенного и экологического характера, то есть сооружением двойного назначения.
В СП 11-107-98 «Инженерно-технические мероприятия гражданской обороны» в разделе - «Мероприятия по предупреждению чрезвычайных ситуаций проектов строительства» говорится, что сооружение двойного назначения - это инженерное сооружение производственного, общественного, коммунально-бытового или транспортного назначения, приспособленное (запроектированное) для укрытия людей, техники и имущества от опасностей, возникающих в результате последствий аварий на потенциально опасных объектах, а также от воздействия современных средств поражения.
Для защиты здоровья пассажиров метрополитена при повседневной эксплуатации и экстремальных условиях большое значение имеет наличие систем снижения рисков, смягчения последствий ЧС, терактов и защиты от воздействия современных средств поражения.
В общей системе мер противодействия ЧС приоритет отдается комплексу мероприятий, направленных на снижение риска возникновения ЧС и смягчение их последствий.
Комплексно эта задача решается автоматизированной системой контроля параметров воздушной среды (АСКПВС-М) и управления допустройствами метрополитена с системой поддержки принятия решений, образующих систему защитной автоматики (СЗА) транспортного предприятия.
В метрополитенах СЗА взаимодействует с системами тоннельной вентиляции, защитными и фильтрующими элементами [1]. СЗА представляет собой структурированную систему мониторинга и управления инженерными системами метрополитена.
СЗА строится с использованием современных программно-технических средств и обеспечивает видеомониторинг, мониторинг микроклимата, управление допустройствами метрополитена и передачу информации об их состоянии по каналам связи в дежурно-диспетчерские службы (ДДС) [2, 3].
В ДДС (рис. 1) выполняется обработка информации с целью предупреждения, оценки и ликвидации дестабилизирующих факторов в масштабе реального времени, а также для прогноза развития последствий ЧС, в том числе вызванных террористическими актами.
Мониторинг - это постоянный сбор информации, наблюдение и контроль, включающий процедуры измерения биометрических параметров пассажиров, паров и частиц взрывчатых веществ, параметров воздушной среды и технологического процесса на объектах метрополитена, наличия вредных веществ, состояния окружающей среды на прилегающих к объекту территориях.
Мониторинг основан на управлении рисками и прогнозировании развития процессов на технически сложном объекте, которое невозможно без интеллектуально-информационной поддержки для подготовки и принятия управленческих решений по предупреждению и ликвидации ЧС.
При мониторинге в метрополитене производится непрерывное слежение за состоянием воздушной среды с целью предупреждения нежелательных отклонений по важнейшим параметрам, выявление времени возникновения опасной ситуации, возможного места, масштаба и последствий для пассажиров метрополитена.
Рис. 1. Оперативный информационно-управляющий комплекс (ОИУК) дежурно-диспетчерской службы метрополитена и центр сбора данных по микроклимату
Микроклимат в метрополитене должен отвечать требованиям Санитарных правил, которые устанавливают основные санитарно-гигиенические требования к стационарным объектам и подвижному составу метрополитенов и предназначены для создания благоприятных и безопасных условий перевозки пассажиров, сохранения здоровья и поддержания высокой работоспособности персонала, защиты окружающей среды в процессе эксплуатации метрополитенов [4].
Динамичность метрополитена, возможность возникновения опасности в процессе его функционирования и масштабы опасности при ЧС определяют необходимость применения новых, современных подходов к проектированию СЗА.
Принятие обоснованных решений в процессе обеспечения транспортной безопасности предполагает применение интеллектуально-информационной поддержки на основе использования общего логико-вероятностного метода ситуационного моделирования в системе мониторинга параметров воздушной среды метрополитенов.
При участии авторов совместно с НИИФИ г. Пенза на протяжении 30 лет создаются и проектируются СЗА специальных объектов МО РФ и объектов ГО для защиты их от
воздействия современных средств поражения, терактов, техногенных аварий и катастроф.
На конференциях по проблемам метрополитена СНГ, проводившихся в г. Екатеринбурге, г. Тольятти в 2007 г., в г. Брянске, г. Новосибирске в 2008 г., в Москве, г. Харькове, Санкт-Петербурге в 2009 г. - проект СЗА был принят за основу для внедрения на практике в метрополитенах СНГ.
Работы, проводимые авторами с 1994 г. по Антитеррору в метрополитене, известны и поддерживаются Международной Ассоциацией «Метро».
В общем случае СЗА обеспечивает [5]:
- контроль, регистрацию и защиту от поражающих факторов взрывчатых веществ и современных видов оружия;
- контроль температуры, концентрации СО2, СО, влажности, давления и скорости потока воздуха на станциях и в тоннелях;
- автоматическую выдачу сигнала при обнаружение радиоактивных и химически опасных веществ;
- автоматическое документирование фактов превышения установленных уровней по химическим, биологическим и радиационным факторам;
- оценку и прогнозирование развития экологической ситуации при ЧС;
- подготовку данных для принятия решений по действиям операторов систем вентиляции в аварийных ситуациях;
- дистанционную визуальную оценку обстановки на станциях и в тоннелях метрополитена в повседневных и экстремальных условиях;
- подготовку материалов для информирования населения и местных органов власти об изменениях радиационно-химической обстановки в районах вентиляционных шахт метрополитена и степени ее опасности;
- автоматизированный контроль параметров воздуха во внутренних объемах метро для информационного обеспечения оператора систем вентиляции и программную реализацию упреждающих расчетов изменения полей концентраций вредных веществ в тоннелях и на станциях при ЧС.
Решения по составу датчиков СЗА принимаются на основании:
- санитарных правил эксплуатации метрополитенов (СП 2.5.1337-03), которые определяют перечень измеряемых и регулируемых параметров микроклимата метрополитена на основании санитарно-гигиенических требований к пассажирским и служебным помещениям метрополитенов, системам вентиляции и кондиционирования воздуха;
- наличия близко от метро потенциально опасных объектов (ПОО) и транспортных коммуникаций, аварии на которых могут стать причиной возникновений ЧС на метрополитене;
- расчета максимально возможных зон действия основных поражающих факторов и концентраций химически опасных веществ, при авариях на рядом расположенных ПОО, а также объектах транспорта на основе применяемых методик расчетов;
- сведений о максимальной численности людей на станциях и в поездах метрополитена, которые могут оказаться в зоне ЧС, вызванной авариями на рядом расположенных объектах.
Управление работой метрополитена при возникновении крупномасштабных чрезвычайных ситуаций следует предусматривать из командного пункта метрополитена и подчиненных ему командных пунктов на линиях.
Методы проектирования систем защитной автоматики, основываются на следующих принципах:
- принцип многоуровневой защиты (создание последовательных уровней защиты, сокращающих вероятность поражения людей и ограничивающих их последствия). Этот принцип применяется для компенсации потенциальных ошибок человека или отказов технических устройств. Принцип реализуется в первую очередь путем создания серии барьеров для удержания опасных веществ, которые должны быть обнаружены, прежде чем
может быть нанесен ущерб человеку (остановка системы вентиляции, реверс вентиляторов, закрытие затворов и клапанов и т.п.);
- принцип единичного отказа (система должна оставаться работоспособной при отказе любого элемента);
- принцип безопасного отказа (отказы системы защитной автоматики в любой ситуации должны приводить к ее срабатыванию, но не перерастанию из-за этого аварийной ситуации в аварию);
- принцип независимости и разнообразия, когда СЗА проектируются так, чтобы влияние дефектов, ошибок, отказов на работоспособность системы было минимальным. При этом независимость достигается физическим, функциональным и пространственным разнесением (отдельные от других систем каналы связи, применение разнесенных каналов связи и т.п.), а разнообразие - разнотипностью физических, методических и аппаратных принципов реализации (применение бесконтактных и контактных элементов, применение датчиков - реле прямого действия и т. п.);
- принцип надежности и живучести, когда обеспечивается высокий уровень надежности функционирования важнейших элементов в нормальных условиях эксплуатации и при проектных внешних воздействиях (дублирование, климатическая защита, применение автономных и встроенных источников питания, энергонезависимая память и т. п.);
- принцип естественной технической безопасности, который реализуется путем применения автономных специальных средств защиты, максимально упрощенной и надежной конструкцией технической системы, а также исключением влияния ошибок оператора на развитие аварийных процессов.
При реализации СЗА должны выполняться следующие правила:
- максимальное упрощение систем управления с целью повышения надежности;
- минимизации роли ошибок человека при ЧС.
Структурно СЗА может быть представлена в виде следующих укрупненных основных частей [6].
Измерительная часть системы (ИЧС), содержащая наборы измерительной аппаратуры (датчики, преобразователи и т.д.), непосредственно воспринимающие изменение параметров воздушной среды и наличие примесей химически-опасных веществ. В состав ИЧС, расположенной на всем протяжении линий метрополитена и станциях, может входить различное количество и различный набор датчиков с локальным устройством связи.
Коммуникационная часть обеспечивает передачу данных от ИЧС и управляющих воздействий средствами вычислительного ядра. Каналы связи могут быть самые различные: коммутируемые телефонные и/или телеграфные линии, выделенные физические линии, радиоканалы, оптоэлектронные связи и т.д. Коммуникационная часть строится на базе телемеханических изделий и может задавать различные конфигурации сопряжений изделий между собой с протоколами обмена, соответствующими требованиями локальных или открытых вычислительных сетей, либо нестандартными протоколами, присущими только данной СЗА.
Вычислительное ядро обеспечивает работу с линиями и станциями метрополитена и проведение в реальном масштабе времени расчетов для различных режимов работы системы вентиляции по разработанным моделям. С помощью датчиков снимается информация, которая используется как входная для расчетов на модели метрополитена оптимальных, энергосберегающих режимов работы системы вентиляции в повседневных режимах эксплуатации. В состав вычислительного ядра входят: системное устройство связи с объектом, процессоры, обеспечивающие вычисления на модели, устройства отображения и устройства документирования, которые могут создаваться как на стандартных вычислительных средствах (мониторы, принтеры, флоппи-диски, стримеры и т.д.), так и на нестандартном оборудовании (мнемотабло, мнемощиты и т.п.) в зависимости от требований реального пользователя.
Экспертный блок интеллектуально-информационной поддержки при решении проблемных ситуаций, где производится комплексная и тематическая обработка информации, полученной в ходе наблюдения за объектами метрополитена; моделирование и прогнозирование сценариев развития опасных ситуаций на объектах; экспертная оценка и выдача рекомендаций по совершенствованию мероприятий по снижению риска ЧС; и режимов, обеспечивающих снижение концентрации или исключение появления химически-опасных примесей в воздухе, оценка эффективности принимаемых решений.
С помощью экспертного блока в результате расчетов формируются данные по динамике развития процессов в воздушной среде на станциях и в тоннелях метрополитена, либо рассчитываются производные характеристики важные для принятия правильных решений оператором систем вентиляции метрополитена или другого пользователя (например, МЧС).
Измерительные функции могут быть различными, но вне зависимости от типа используемой модели объекта или процесса здесь обычно обеспечивается многоканальный сбор данных; предварительная обработка сигналов (нормирование, центрирование, прореживание данных и т. д.); определение параметров сигналов; формирование файлов для регистрации или трассировки; визуализация и документирование данных; контроль, редактирование и отбраковка полученных результатов; калибровка трактов, тестирование и диагностика оборудования; взаимодействие оператора с системой в интерактивном режиме.
Вычислительные функции напрямую зависят от типа используемой модели объекта и контролируемого процесса. Здесь главную роль играют потенциальные возможности вычислительного ядра, определяющие производительность вычислительных средств системы (пропускную способность) и возможности ее увеличения.
Эффективные алгоритмы счета на выбранной модели метрополитена должны обеспечивать комплексную, взаимосвязанную работу всех необходимых систем безопасности и жизнеобеспечения. Для каждого вида ЧС, в том числе вызванных террористическими актами, должны быть разработаны свои алгоритмы предупреждения и ликвидации ЧС.
Для исследования сценариев в системе мониторинга используется интеллектуально-информационная поддержка при решении проблемных ситуаций и управлении риском.
Основным следствием из приведенного материала является необходимость совместного рассмотрения модельного описания метрополитена и структурных характеристик вычислительного ядра СЗА, определяющих эффективность выполнения вычислительных функций системы в целом.
Магистральным направлением создания СЗА является использование готовых типовых технических средств и программного обеспечения, существенно ускоряющих длительный и трудоемкий процесс оснащения метрополитена или ПОО конкретной системой.
Важным шагом на пути снижения затрат на разработку и создание СЗА является автоматизация сначала трудоемких, а затем и большинства (если не всех) стадий проектирования на основе применения систем автоматизированного проектирования.
К сожалению, механически перенести методы анализа и проектирования СЗА для всех метрополитенов, весьма затруднительно в силу индивидуальности метрополитенов различных городов РФ и стран СНГ. Несмотря на определенную общность архитектурных решений СЗА и некоторых задач для метрополитенов разных городов, все же такие комплексы в каждом случае уникальны. Иными словами, СЗА проектируются строго индивидуально, с учетом особенностей самого метрополитена.
При этом должен проводиться полный цикл работ, связанных с организацией предпроектного обследования метрополитена перед разработкой СЗА.
Для комплексной оценки технически сложных систем обычно используют показатель - эффективность. В широком смысле эффективность системы характеризует степень целесообразности ее применения в данных условиях.
Наиболее общим критерием в настоящее время является стоимостной (экономический) критерий, учитывающий затраты на создание системы, ее последующую эксплуатацию и эффект (доход) от применения системы.
Однако стоимостной критерий для систем, обеспечивающих защиту людей при ЧС неприемлем, так как, во-первых, невозможно получить достоверные сведения о величине потерь, возникающих при ЧС, и во-вторых, трудно привести к одному масштабу эффект от применения системы и стоимость потерь.
В нашем случае наиболее важным является социальный фактор, а не экономический, поэтому целесообразно использовать частный критерий - эффективность функционирования, понимая под этим характеристику, которая оценивает степень приспособленности системы к выполнению поставленной перед ней задачи вне связи с теми затратами, которые необходимы для ее создания.
Например, в случае радиоактивного заражения одного из участков метрополитена (станция, вестибюль, воздухозаборная шахта), необходимо будет закрыть его на длительный срок, так как конструкции метрополитена плохо поддаются дезактивации.
При этом возникнет проблема обеспечения транспортными средствами большой группы населения, живущей в районе закрытого участка метрополитена, что создаст экономическую и социально-политическую напряженность в районе и городе.
Таким образом, рассматривая последствия, следует признать, что отсутствие СЗА на метрополитене или ее неисправность в момент возникновения ЧС или теракта может привести к несоизмеримо большим экономическим потерям, чем затраты на создание самой системы.
На текущий момент, под руководством авторов:
1. Созданы ведомственные строительные нормы по проектированию и расчету СЗА для объектов ГО, метрополитенов и потенциально опасных объектов.
2. Получено 19 авторских свидетельств, из которых пять, реализованы в серийных изделиях СЗА.
3. Проектные решения оцениваются на надежность и безопасность на основе применения программного комплекса с использованием общего логико-вероятностного метода моделирования [7] - аттестационный паспорт Федеральной службы по экологическому и атомному надзору (РОСТЕХНАДЗОР) РФ, регистрационный № 222 от 21 февраля 2007 г.
4. Проведено научное сопровождение проектирования и внедрение систем Антитеррор в Минском метрополитене (2005-2008 гг.), Казанском и Уфимском метрополитене (НИР «Концепция-М», 1998-2000 гг., Заказчик - Институт «Нижегородметропроект». Проекты прошли Госэкспертизу РФ. В Санкт-Петербургском метрополитене системы контроля воздуха внедрены в 2009 г. на новых станциях «Спасская» и «Волковская».
Исходя из изложенного, и на основании многолетнего опыта работы в данной области имеется возможность быстро и с минимальными затратами внедрить СЗА с интеллектуально-информационной поддержкой при решении проблемных ситуаций в метрополитенах крупных городов, на объектах ГО и на потенциально опасных объектах
Литература
1. Цодиков В.Я. Вентиляция и теплоснабжение метрополитенов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра,1975. 568 с.
2. ГОСТ 34.602-89. Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Техническое задание на создание автоматизированной системы. М.: Изд-во стандартов, 1989.
3. ГОСТ 24.104-85. Единая система стандартов автоматизированных систем управления. Автоматизированные системы управления. Общие требования. М.: Изд-во стандартов, 1985.
4. Белякова Л. А., Громов В.Н. Проблемы санитарно-гигиенического мониторирования воздушной среды метрополитенов в повседневных и экстремальных условиях // Современные технологии исследований в гигиене и экологии: сб. тезисов докладов Всерос. науч.-практ. конф. 25-26 окт. 2004 г. СПб.: Изд-во ВМедА, 2004.
5. Белякова Л.А., Громов В.Н. Комплексная система контроля микроклимата на подземных объектах метрополитена в повседневных и экстремальных условиях // Организация воздухообмена в тоннелях и на станциях метрополитенов: сб. тезисов докладов Всерос. конф. 18-19 марта 2004 г. Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 2004.
6. ГОСТ Р 22.1.12-2005. Структурированная система мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений. Общие требования. М.: Изд-во стандартов, 2005.
7. Можаев А. С., Громов В.Н. Теоретические основы общего логико-вероятностного метода автоматизированного моделирования систем. СПб.: ВИТУ, 2000. 144 с.
