CC BY
9А.В. Мозжилкин
кандидат технических наук, доцент, ФГБУ «33 ЦНИИИ» Минобороны России
Ю.А. Денисеня
ФГБУ «33 ЦНИИИ» Минобороны России
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИМИТАЦИОННОГО МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ОБОСНОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ К АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ РАДИАЦИОННЫМ МОНИТОРИНГОМ
АННОТАЦИЯ. В докладе исследована задача обоснования технических характеристик автоматизированной системы управления радиационным мониторингом с помощью автоматизированной системы поддержки принятия решений. Определена структура системы поддержки принятия решений и перечень базовых алгоритмов имитационной модели функционирования мобильных комплексов радиационного мониторинга. Приведены основные результаты программной реализации представленной модели. Показано, что для оценки основных эксплуатационно-технических характеристик средств передачи данных радиационного мониторинга могут быть использованы приближенные зависимости из теории передачи дискретной информации — определения среднего времени ожидания сообщения на входе в канал связи и вероятности переполнения буфера.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: автоматизированная система управления, математическое моделирование, передача данных, радиационная обстановка, радиационный мониторинг.
По опыту ликвидации аварии на Чернобыльской АЭС и других техногенных катастроф на радиационно опасных объектах для принятия решения по защите населения потребуется оперативная и достоверная информации о складывающейся радиационной обстановке (РО) [1]. Объем этой информации может достигать больших значений, что, несомненно, требует автоматизации процесса сбора, передачи и обработки данных мониторинга обстановки. При этом аварии на радиационно-опасных объектах характеризуются наибольших количеством сведений о масштабах участков радиоактивного загрязнения местности (РЗМ). Таким образом, исследования по обоснованию технических требований к автоматизированной системе управления (АСУ) радиационным мониторингом (РМ) является актуальными и представляют несомненный научно-технический интерес.
Автоматизированная система управления (АСУ) РМ включает в себя технические сред-
ства выявления радиоактивного загрязнения, технические средства автоматизации управления приборами РМ, аппаратуру передачи данных (АПД), средства радиосвязи, электронно-вычислительные средства, размещаемые на мобильных комплексах РМ, стационарных пунктах контроля за РО и информационно-аналитический пунктах. Проведение экспериментальных исследований с целью выявления требуемых технических характеристик автоматизации управления датчиками РМ связано с большими затратами материальных ресурсов и угрозой экологической безопасности окружающей среды, поэтому для системы выявления РО имитационное математическое моделирования является практически безальтернативным методом исследования процессов, протекающих при выявлении РО.
Для решения задачи планирования развития и оптимизации системы автоматизации управления РМ требуется произвести:
МЕАП ОБ СОММИШСЛАОМ Е((и ШМЕОТ. Ъй. 2 (142). 2018
оценку вероятных условий формирования РЗМ (выбор источника радиоактивного загрязнения (РЗ), метеоусловий, топографических условий);
оценку эффективности методов ведения РМ в различных условиях формирования РЗМ;
оценку требуемых и имеющихся количественных и качественных показателей системы РМ для решения задачи выявления РО в заданных условиях;
оценку вероятных источников помех в телекоммуникационных сетях связи;
сравнение нескольких неравноценных вариантов решения в силу различных исходных условий формирования РЗМ и ведения РМ.
В этом случае возникает необходимость поиска оптимального решения, согласованного с выбранным критерием оценки, а именно требованиями по оперативности, достоверности и полноте выявления РО [2]. Данные требования оказывают влияние на показатель вероятности правильного определения воздействия радиационных поражающих факторов (РПФ) на население и личный состав подразделений, осуществляющих РМ, а также адекватность принятых решений по мерам защиты в условиях воздействия РПФ [3].
Сочетание количественных и качественных показателей в задаче оптимизации технического обеспечения системы АСУ РМ соответствует характеристикам слабоструктурированной задачи и, следовательно, не позволяет полностью автоматизировать этот процесс. Слабоструктурированные задачи решаются, как правило, с помощью автоматизированных систем под-
держки и принятия решений (АСППР), в рамках которой процессы машинного решения задач сочетаются с процессами анализа результатов отдельных этапов планирования и принятия эвристических решений ответственным лицом (экспертом).
С учетом вышеизложенного схема взаимодействия эксперта и АСППР по развитию и оптимизации технического обеспечения АСУ РМ принимает вид, представлена на рис. 1.
Для решения задачи выявления оптимальных характеристик АСУ РМ необходима разработка математического аппарата, позволяющего формализовать процессы функционирования технических комплексов РМ в ходе инструментального выявления РО.
Целью функционирования имитационной математической модели, является проигрывание процессов, протекающих в системе выявления РО в различных условиях и анализ степени их влияния на требования к техническим характеристикам АСУ РМ.
В процессе принятия решения по направлениям развития и оптимизации АСУ РМ необходимо решить следующие задачи:
1. Эффективность использования парка мобильных комплексов РМ. Этого можно добиться за счет выбора оптимальных методов ведения РМ, что позволит рассчитать по заданному оперативному времени выявления РО необходимое (или достаточное) количество мобильных комплексов для проведения радиационного мониторинга местности или по заданному количеству мобильных комплексов — необходимое время ведения РМ местности.
Функции эксперта
Источник РЗ и метеоусловия 1 Топографический условия 1 Выбор и ввод исходных даннь ЙХ Анализ и коррекция выработанных предложений > Предложения по техническому обеспечению АСУ РМ
Требования полноты, оперативности, достоверности {выбор метода ведения РМ) Технические характеристики мобильных комплексов РМ, количество 1 Качество радиоканала г
II I I | н-1-1-1-1-г
II I | | А
^_ у у у _
Имитационная математическая модель ведения РМ
Рис. 1. Схема взаимодействия эксперта и АСППР по развитию и оптимизации АСУ РМ
2. Рациональность распределения канала связи при передаче данных о РЗМ от мобильных комплексов РМ на информационно-аналитический пункт. К настоящему времени возможности электронно-вычислительных комплексов РМ и информационно-аналитических пунктов (ИАП) позволяют обрабатывать значительные объемы измерительной информации, что могло бы позволить проводить более детальный РМ местности. Единственным фактором, ограничивающим плотность точек контроля мощностей доз (МД) на местности, является пропускная способность канала связи. Это влечет за собой необходимость поиска компромисса между требованиями полноты и достоверности выявления РО и оперативности поступления и обработки измерительной информации на информационно-аналитический пункт.
Для решения поставленных задач необходимо исследовать:
влияние технических характеристик средств РМ (измерительных средств, средств автоматизации управления приборами РМ, подвижной платформы) на требования к техническим характеристиками АПД;
влияния технических характеристик средств передачи данных РМ на показатели оперативности, достоверности и полноты выявления РО;
оптимальные режимы функционирования системы выявления РО с точки зрения оперативности и полноты сбора данных РМ.
Таким образом, разрабатываемая математическая модель функционирования АСУ РМ должна имитировать процессы формирования РЗМ и выявления фактической РО мобильными комплексами РМ и включать в себя:
1. Модель источника радиоактивного загрязнения [4].
2. Модель формирования РЗМ с учетом влияния внешних случайных факторов на базе моделей переноса примесей в атмосфере [5].
3. Алгоритм определения областей инструментальной РМ местности с мобильных комплексов наземного и воздушного базирования с учетом дальности действия радиосвязи и исходного местоположения мобильных комплексов РМ).
4. Алгоритмы расчета необходимой плотности точек измерения МД.
5. Алгоритм определения необходимого количества мобильных комплексов РМ для решения поставленной задачи в соответствии с за-
данными требованиями по оперативности и полноте получения данных РМ.
6. Алгоритмы распределения маршрутов движения мобильных комплексов радиационного мониторинга.
7. Модель сбора данных о РО мобильными комплексами с учетом неравномерности их движения по маршруту. Функция распределения средних скоростей движения по этапам маршрута РМ может быть построена на базе модификации логарифмически нормального закона
распределения:
/» = " 1
х ехр
4?ж<51 (а + v3| / о3)- у) 2(а + % /°)
- 1п
2о,
(1)
где а — заданная средняя скорость движения на маршруте РМ; Vзl — центральный момент 3 порядка распределения величины 1п(у); Ст1 — значение дисперсии распределения величины 1п(у).
8. Модель передачи данных от датчиков РМ по телекодовым каналам связи на ИАП), учитывающая неоднородность каналов [6].
Для определения значений математического ожидания М((пер) и дисперсии Д^пер) при передаче сообщения по каналу связи с учетом матрицы вероятностей переходов были получены следующие аналитические выражения:
М (пер)
(
= (,
пер
X (1 - Р )-1 Р
V/=1
D ((пер ) = (Ипер - М (пер ) X (1 - Р)^ Р
V /=1
(2)
(3)
где Р — вероятность доведения сообщения до адресата; п — количество повторных передач.
На рис. 2 представлены основные функциональные блоки программно-математического обеспечения для решения задачи обоснования технических требований к АСУ РМ.
Программная реализация модели функционирования системы РМ методом параллельных галсов показала, что распределение длительности временных интервалов между запросами на
MEANS OF COMMUNICATION EQUIPMENT. Iss. 2 (142). 2018
Модель формирования радиационной обстановки ♦
Модель ведения радиационного мониторинга ♦
Модель сбора и передачи данных радиационного мониторинга
I
Интерпретация результатов моделирования радиационного мониторинга
I
Предложения по техническим требованиям к АСУ радиационного мониторинга
Рис. 2. Основные функциональные блоки имитационной модели функционирования мобильных комплексов РМ
передачу стремится к экспоненциальному виду. При этом математическое ожидание временного интервала между запросами на передачу данных практически равно значению среднего ква-дратического отклонения, что соответствует распределению Эрланга 1 порядка.
Таким образом, полученные в результате имитационного моделирования данные согласуются с теорией массового обслуживания, где распределение Эрланга (к, X) используется для описания распределение длительности интервала времени до появления к событий процесса Пуассона с параметром X (интенсивность потока данных, сообщ./с).
Полученные результаты имитационного моделирования сопоставимы с результатами, получаемыми по аналитическим зависимостям из теории дискретной передачи данных для определения среднего времени ожидания сообщения на входе в канал связи и вероятности переполнения буфера. Таким образом, для оценки основных эксплуатационно-техниче-
ских характеристик средств передачи данных РМ могут быть использованы приближенные зависимости из теории передачи дискретной информации — определения среднего времени ожидания сообщения на входе в канал связи и вероятности переполнения буфера. С помощью предложенной модели можно также оценить условия бесперебойной работы для существующих и перспективных технических средств сбора и передачи данных радиационного мониторинга.
Выводы:
1. Для обоснования технических характеристик АСУ РМ может быть использована АСППР, ядром программно-математического обеспечения которой должна стать имитационная модель функционирования мобильных комплексов РМ в процессе выявления РО.
2. Сочетание количественных и качественных показателей в задаче обоснования технических характеристик АСУ РМ соответствует характеристикам слабоструктурированной задачи, которая может быть эффективно решена с помощью АСППР.
3. Разрабатываемая математическая модель функционирования мобильных комплексов РМ должна имитировать процессы формирования РЗМ и процессы выявления фактической РО мобильными комплексами РМ на всех этапах. Определен перечень основных алгоритмов и моделей предлагаемой АСППР, произведено распределение задач между экспертом и программной средой АСППР.
4. Результаты программной реализации модели показали, что для оценки требуемых технических характеристик средств передачи данных РМ применима теория передачи дискретной информации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Руководство по мониторингу при ядерных или радиационных авариях. МАГАТЭ. Вена. IAEA-TECDOC-1092/R. ISSN 1011-4289. IAEA, 2002, 313 с.
2. Садовников Р.Н., Бойко А.Ю., Васильев А.В.
Планирование режима разведки в районе аварийного выброса радиоактивных веществ с учетом метеорологических условий формирования загрязнения местности. АНРИ, 2011, № 2 (65). С. 54-61.
3. Садовников Р.Н. Оценка достоверности решений по защите населения после крупномасштабной
радиационной аварии. Экологические приборы и системы. 2004, № 4. С. 55-57.
4. Израэль Ю.А. Мирные ядерные взрывы и окружающая среда. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 135 с.
5. Метеорология и атомная энергия (пер с англ.) — Л: Гирометеоиздат, 1971. 647 с.
6. Ведерникова А.П., Самхарадзе Т.Г. Математическая модель и методика расчета параметров потока измеренных данных. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, 2010, № 12. С. 24-31
