CC BY
136
УДК 519.856
МЕТОД ДЕКОМПОЗИЦИИ МЕТОДОЛОГИИ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ
ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
О. В. Литвинов
Предлагается метод декомпозиции методологии исследования эффективности систем пожарной безопасности для обеспечения пожаротушения различного типа объектов. Метод базируется на системе принципов, научных подходов, математических моделей и методов теорий иерархических многоуровневых систем и принятия решений в условиях неопределенности.
Ключевые слова: пожарная безопасность, система пожарной безопасности, принцип, критерий, показатель, эффективность, синтез, анализ, декомпозиция, оптимизация, ресурс.
Введение
В современных условиях актуальной является задача синтеза систем пожарной безопасности (СПБ), предназначенных для обеспечения пожаротушения различного типа элементарных, площадных и пространственно-разнесенных объектов. Её синтез как процесс научного обоснования обликовых (состава, характеристик и алгоритмов функционирования) параметров СПБ с теоретической точки зрения представляет собой совокупность моделей, методов, методик, способов, подходов и операций практического и теоретического обоснования системы. С
теоретической точки зрения синтез - сжатое отображение исторического, настоящего и прогнозного развития СПБ на всех этапах жизненного цикла. С практической точки зрения синтез СПБ в широком смысле представляет систему представлений об общих свойствах, способах применении и устойчивости системы, в узком - совокупность структурных и технических параметров системы.
Реализация траектории синтеза СПБ с теоретической и практической точек зрения предполагает разрешение системы внешних и внутренних противоречий. Внешние противоречия связаны с достижением СПБ заданной эффективностью пожаротушения различного типа объектов. Внутренние же противоречия связаны с обоснованием основных обликовых параметров и реализацией взаимодействия структурных
элементов СПБ при обеспечении целевых или исполнительных действий по тушению пожаров. Эти противоречия разрешаются совокупностью управляющих, информационных и
организационных решений, направленных на поиск технических путей и оптимальных способов применения, реализуемых алгоритмами
оптимального распределения ресурса СПБ. Внешние и внутренние противоречия формируют цель, структуру и существо методического
Литвинов Олег Викторович - инспектор ПЧ-10 по охране Левобережного района ФГКУ «1 ОФПС по Воронежской области», тел. 8 (4732) 244-57-14, e-mail:
litvinovoleg2009@mail.ru.
обеспечения анализа и синтеза СПБ, напрямую связанного с выбором оптимальной совокупности решений по обоснованию концепции обоснования основных обликовых параметров, необходимых для проведения ОКР по её созданию.
До последнего времени в теории преимущественное внимание уделялось развитию методов анализа СПБ, направленных на разрешение трех типов условий пожаротушения различного типа объектов, связанных с: а) неполнотой и
неопределенностью исходных данных о характеристиках объектов; б) детерминированными внешними условиями развития пожаров на различных объектах (рассматривались в основном статистические игры с “живой природой”, которая является инертной средой для применения средств и комплексов пожарной безопасности (ПБ)) и в) частичным рассмотрением вопросов развития методологии оценки эффективности применения СПБ на конечном интервале времени в условиях детерминированных алгоритмов условного противодействия пожара в зонах распространения различных объектов, оставляя в стороне способы их применения в условиях организованного противодействия со стороны различного типа субъектов, заинтересованных в ликвидации
объектов пожаротушения. На практике разработано и используется значительное число методов оценки эффективности, разработанных применительно к конкретным типам комплексов индивидуальной (обеспечение ПБ элементарных объектов), групповой (обеспечение ПБ групп элементов
площадных объектов) и объектовой (обеспечение ПБ пространственно-распределенных объектов) ПБ, функционирование которых осуществляется
применительно к первым двум условиям возникновения и развития пожаров. Требования же обеспечения применения СПБ в условиях нанесения злоумышленниками ущерба объекту до некоторого уровня, ниже которого он не может с заданной эффективностью выполнять поставленные задачи, делают невозможным в полной мере
воспользоваться данными методами (постановками и подходами к решению задач, принципами, используемыми математическими методами) и обусловливают необходимость их теоретического
обобщения и развития применительно к новому классу исследуемых объектов - СПБ. Исходя из этого, целью статьи является разработка метода декомпозиции методологии оценки эффективности применения СПБ на основе дальнейшего развития положений системного подхода.
Основы структуризации методологии исследования эффективности СПБ
Сложность задачи синтеза СПБ, с одной стороны, и необходимость исследования эффективности её средств ПБ и способов их применения, то есть необходимость детального анализа, с другой стороны, предопределили применение для исследования СПБ методов математического моделирования. На их выбор определяющее влияние оказывают особенности исследуемого процесса, к основным из которых относятся множество учитываемых параметров и степень неопределенности протекающих
информационных процессов; иерархическая структура СПБ и нелинейность связей между её элементами; нелинейный и вероятностный характер исследуемых процессов (обнаружение пожара, распознавание пожарной ситуации, принятие решения, применение средств ПБ и т.д.). Все это затрудняет аналитическое представление исследуемого процесса.
Основу СПБ составляет иерархическая система взаимосвязанных по цели, задачам, способам применения и принципам управления (подчиненности), информационного обеспечения и взаимодействия элементов: средств и комплексов ПБ уровня отделений и караулов ПБ (ОПБ, КПБ), реализующих функции управления, добывания (сбора, анализа и обобщения) информации и исполнения (соответственно, УЭ, ЭДИ, ИЭ). Функционирование СПБ базируется на получении с помощью выделенного (имеющегося) ресурса ЭДИ информации, распознавании экстремальных пожарных условий, быстро меняющейся текущей обстановки и дефицитом времени, оценку степени их угроз, подготовку предложений и использование ресурса ИЭ (пожарных) и ОЭ (различного типа технических средств пожаротушения) на их парирование в динамике развития пожара на объектах. Основными способами применения СПБ на этапах исполнительных (пожаротушение объектов) и защитных (ПБ исполнительных и обеспечивающих элементов) действий является занятие районов расположения, развертывание, непосредственное применение, восстановление работоспособности (при необходимости), пополнение ресурса и последующее занятие заданных районов (пунктов) расположения. Функционирование СПБ может осуществляться совместно со вспомогательными системами ПБ в формах групповых и /или одиночных действий.
Применение СПБ в зоне выполнения поставленных задач осуществляется на основе её системы управления, обеспечивающей реализацию
функций вскрытия, целераспределения и выдачи данных целеуказания о принятых для обслуживания элементах объектов пожаротушения иерархическим элементам уровня КПБ и ОПБ. Её наличие позволяет СПБ в иерархических контурах управления адаптироваться к внешней обстановке в зависимости от вариантов развития пожара на вскрытых объектах пожаротушения
распределением ресурса ИЭ и типов используемых ОЭ - технических средств пожаротушения (количества, вариантов оснащения, распределения ограниченного ресурса средств ПБ, способов их применения) с учетом ресурса вспомогательных систем ПБ.
В общем случае исследование процесса применения СПБ представляется в виде дискретной многошаговой иерархической игры, в которой её ЭУ (с учетом множества способов пожаротушения элементов сложных объектов), обладая правом первого хода, первым выбирает и сообщает ЭУ нижнего уровня иерархии (уровень 2 - КПБ) свою стратегию: какие элементы, входящие в состав сложного объекта подлежат пожаротушению в первую очередь, а какие нет [1].
Процесс целераспределения в СПБ по стадиям тушения пожара осуществляется на основе поступающей информации, начиная с ЭУ 1 -го уровня принятия решения с учетом реальных возможностей ЭУ 2 -го уровня по пожаротушению элементов сложного объекта. На последнем, 3 -ем уровне (ОПБ) с помощью выделенных для пожаротушения элементов объекта по информации с ЭУ 2 -го уровня, осуществляющих дальнейшее уточнение элементов объекта, производится непосредственное выполнение задач по пожаротушению конкретных элементов объекта (назначение ИЭ и ОЭ) при использовании наиболее эффективных типов технических средств ПБ в прогнозируемой обстановке. При этом в зависимости от “качества” информации возможно дополнительное добывание информации для вскрытия пространственно-распределенного
расположения элементов объекта. Назначение ИЭ и ОЭ СПБ для пожаротушения вскрытых элементов объекта осуществляется на основе реализации принципов максимума возможности
использования, сопоставимости времени осуществления действий с нахождением элементов в зоне действия назначенных ИЭ и эффективности использования ОЭ, а также точности знания координат о расположении элементов объекта.
В условиях условного противодействия пожара по зонам распространения эффективность выполнения СПБ задач в совокупности действий будет снижаться. Задачи СПБ будут выполнены, если она за время тушения пожара сможет выполнить максимальное количество задач подчиненными комплексами ПБ (при заданной эффективности применения ИЭ), используя для обеспечения ПБ элементов объекта и ИЭ (ОЭ) ОПБ и КПБ.
Система управления СПБ при решении задач пожаротушения различных объектов может функционировать в смешанном или в одном из трех режимов управления: централизованном,
децентрализованном или автономном.
В режиме централизованного управления СПБ с ЭУ верхнего уровня ЭУ 2 -го уровня выдается распределение по пожаротушению определенных элементов объекта пожаротушения, должны быть обслужены ПБ. Это значит, что они должны быть назначены для пожаротушения какому-либо ОПБ. Кроме того, ЭУ 2 -го уровня, обладая большей информированностью по наблюдаемому множеству элементов объектов, может принять на пожаротушение при наличии возможности и другие элементы, выполнив обязательно предписание вышестоящего ЭУ верхнего уровня. В случае невыполнения этого условия ЭУ 2 -го уровня сообщает ЭУ верхнего уровня номер элемента и всю информацию, относящуюся к нему. При наличии времени для пожаротушения элемент может быть переназначен другому ЭУ 2 -го уровня или заносится в список необслуженных элементов объекта.
В режиме децентрализованного управления ЭУ 2 -го уровня по полученной информации об элементах пожаротушения производит выбор наиболее опасных (важных) и назначение на них ОПБ.
Аналогично в режиме автономного управления формулируется задача ИЭ ОПБ по элементам пожаротушения. В первую очередь подлежат пожаротушению те элементы объекта, которые заданы предписанием вышестоящего КПБ - ЭУ 2 -го уровня. В обязанности ОПБ входит решение задачи распределения ограниченного ресурса ИЭ и ОЭ различных типов по рубежам действий исходя из условия максимизации чис ла обслуженных элементов объекта.
Как известно, для моделирования таких процессов применения СПБ возможно использование имитационных методов в двух вариантах: аналитические и стохастические. Опыт разработки таких методов показывает, что для исследовательских целей приемлемы как те, так и другие. Вместе с тем стохастические методы имеют ряд недостатков, связанных с необходимостью набора статистики и расчета большого количества реализаций процессов; для аналитического же метода требуется формальное предс тавление
исследуемого процесса. Поэтому для получения зависимостей интегрального показателя
эффективности от рассматриваемых вариантов СПБ необходимо проведение декомпозиции
процесса её применения с последующей
разработкой для его моделирования смешанного аналитико-стохастического метода моделирования.
Основы метода декомпозиции методологии исследования эффективности СПБ
Сущность метода декомпозиции для исследования эффективности применения СПБ состоит в следующем [2]. Временной непрерывный процесс применения СПБ заменяется дискретным процессом. При этом используются два типа процесса: дискретный с постоянным шагом и дискретный с переменным шагом. Модель с постоянным шагом (или циклом) используется для формирования пространства состояний элементов объекта пожаротушения и исследования вариантов СПБ. Процесс функционирования отдельных элементов СПБ моделируется с переменным шагом, соответствующим длительности
пребывания этих элементов в том или ином состоянии.
Расчет моментов и вероятностей перехода элементов объекта пожаротушения из одного особого состояния в другое состояние, а также свертка вероятностей по стадиям
функционирования и уровням принятия решений в элементах и СПБ в целом осуществляется с использованием аналитических функций, которые являются статистическими эквивалентами эффективности её элементов. Эти аналитические функции зависят от обстановки, которая формируется всякий раз к рассматриваемому дискретному особому (“узловому”) моменту времени. Таким образом просматривается взаимосвязь значений интегрального показателя эффективности СПБ от изменяющейся во времени обстановки на элементах и объекте пожаротушения в целом.
Вследствие физической последовательности применения СПБ по стадиям пожарных действий представляется возможным декомпозировать общую задачу исследования её эффективности на ряд частных.
В общем виде структуру процесса исследования эффективности СПБ можно представить трехуровневой иерархической аналитико-стохастической модели анализа пространственно-временной динамики процесса пожаротушения объекта. Она состоит из системы взаимосвязанных и согласованных по показателям эффективности входной и выходной информации частных моделей, методов и методик, позволяющих рассчитать значение выбранного показателя.
Построение модели осуществляется на основе реализации системных принципов моделирования, полученных модификацией метода узловых точек [3].
Каждая подсистема (КПБ, ОПБ) и комплексы СПБ структурируются на типовые элементы, функционирование которых должно найти отражение в модели.
Каждому выбранному типовому элементу СПБ ставится в соответствие множество этапов применения, в которых он может пребывать при функционировании (этап получения информации,
этап оценки обстановки и т.д.) и ряд переменных величин, которые в зависимости от эффективности рассматриваемого и других элементов СПБ характеризуют возможность выполнения тех или иных функциональных задач пожаротушения. Каждый этап характеризуется принятием некоторого решения (задача выполнена - задача не выполнена и т.д.). Принятие каждого решения соответствует переходу элемента в особое состояние. Переходы могут быть
детерминированными и вероятностными.
Длительность пребывания, моменты и вероятности перехода элементов из состояния в состояние определяют временной процесс применения рассматриваемого элемента СПБ. Применение подсистем (комплексов)
рассматривается как взаимосвязанное
функционирование их исполнительных и обеспечивающих элементов, которое выражается в последовательном обобщении вероятностей переходов из состояния в состояние. Длительности пребывания в состояниях и моменты перехода определяют временную структуру эффективности применения элементов и СПБ в целом. Непосредственно следующий момент абсолютного времени СПБ определяется как ближайший из всех будущих моментов перехода из состояния в состояние составляющих её элементов.
Количественная оценка эффективности СПБ осуществляется по интегральному показателю эффективности, определяющему основные направления исследования её характеристик для выполнения поставленных задач. Внутреннее строение структуры СПБ определяется также из данного принципа и взаимообусловленной структуры её частных показателей эффективности на уровне средств ПБ, систем уровня СПК и СПО и собственно СПБ (спуск по иерархическим уровням обеспечивает детальное раскрытие системы; подъем же обеспечивает раскрытие её содержания и назначения). Данным иерархическим показателям ставятся в соответствии информационные, информационно-системные и интегральный показатели эффективности. В основу их расчета положено сопоставление временного баланса, располагаемого соответственно средством, комплексом, подсистемой и СПБ в целом с требуемым для эффективного решения декомпозированной задачи. Это позволяет, исходя из анализа возможности построения и исследования эффективности протекающих физических процессов, структуру методологии оценки эффективности СПБ представить в виде иерархической системы связанных по входной и выходной информации (показателям
эффективности) математических методов оценки эффективности средств и способов ПБ (см. рис. 1). Данная структура отражает состав, содержание и показатели эффективности методов исследования эффективности СПБ при пожаротушении различного типа объектов и позволяет по
интегральному показателю эффективности обосновать оптимальный вариант облика системы с учетом технической реализуемости и совокупности противоречивых требований к составляющим её средствам ПБ.
Структура модели оценки эффективности
Структура модели оценки эффективности СПБ базируется на информационных взаимосвязях иерархической системы математических моделей, методов и методик исследования эффективности, которые по сложности построения и возможности анализа моделируемых процессов декомпозируется на виды, типы и уровни.
1. Виды методов (моделей):
метод (модель) учета общесистемных эффектов применения СПБ в динамике решения задач пожаротушения пространственно-распределенных объектов (уровень сценария);
система методов определения показателей эффективности применения КПБ на уровне
пожаротушения площадных объектов (уровень
эпизода);
система методов определения показателей эффективности применения ОПБ на уровне
пожаротушения элементарных объектов (уровень
ситуации);
система методов оценки эффективности рассматриваемых физических эффектов и реализующих их средств (уровни дуэлей и состояний).
2. Типы математических моделей оценки действий СПБ:
модель применительно к условиям сценариев (уровень исследования эффективности СПБ);
модель применительно к условиям эпизодов (уровень исследования эффективности КПБ);
модель применительно к условиям ситуаций (уровень исследования эффективности ОПБ).
Возможна и дальнейшая структуризация математических моделей исходя из принципа допустимой сложности до уровней дуэлей и состояний - уровней обоснования средств и устройств реализации физических эффектов для достижения целей в простейших подклассах пожаров.
3. Уровни взаимосвязанной по входу и выходу иерархической системы математических методов и моделей:
уровень «0» - модель верхнего уровня, обеспечивающая по интегральному показателю исследование применения СПБ; модель разрабатывается на основе моделирования дискретных поэтапных действий пожарной части (отряда) и представляется в усредненных конечно -разностных дискретных (по этапам действий) оценках динамики пожаротушения различного типа объектов;
уровень «1» - модели для оценки частных иерархических показателей эффективности элементов СПБ, предназначенных для
формирования исходных предпосылок («данных») для модели обоснования облика СПБ на уровне
«0»;
уровень «2» - модели физических эффектов, разрабатываемые на основе методов
математического программирования для детального исследования и разработки предложений по составу, структуре и способам реализации различного рода физических эффектов для воздействия на различные виды пожара.
Структурная схема исследований эффективности систем пожарной безопасности
Таким образом, предложенный метод декомпозиции методологии оценки эффективности применения СПБ позволяет целостно представить информационный процесс исследования
эффективности, определить важнейшие
взаимосвязи между составляющими элементами
модели и иерархической системой средств и комплексов ПБ по частным и интегральному показателям. Он обеспечивает непосредственный переход к разработке моделей и методов оценки эффективности иерархической структуры СПБ при
организационно-технических систем в конфликте // Наука производству. 2004. №11. С. 58 - 63.
2. Мистров Л.Е. Метод декомпозиции в задаче синтеза функциональной организационно -технической системы / Л.Е. Мистров, В.А. Дворников // Наука производству. 2004. №6 (74). С. 33 - 39.
3. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М.: Наука, 1978. 400 с.
Отделение профилактики пожаров пожарной части №10 по охране Левобережного района федерального государственного казенного учреждения «1 отряд федеральной противопожарной службы по Воронежской области».
METHOD TO DECOMPOSITIONS TO METHODOLOGIES OF THE STUDY TO EFFICIENCY OF
THE SYSTEMS FIREMAN TO SAFETY
O.V. Litvinov
It is offered method to decompositions to methodologies of the study to efficiency of the systems fireman to safety for ensuring пожаротушения different type object. Method is based on system principle, scientific approach, mathematical models and methods theory hierarchical layered systems and decision making in condition of the uncertainties.
Keywords: fireman safety, system fireman to safety, principle, criterion, factor, efficiency, syntheses, analysis, decomposition, optimization, resource.
решении задач пожаротушения различного типа объектов.
Литература
1. Мистров Л.Е. Методический подход к моделированию действий функциональных
