CC BY
22
УДК 378.355.55
ОБЩАЯ СТРУКТУРА МЕТОДИКИ ОБОСНОВАНИЯ РАЦИОНАЛЬНОГО ВАРИАНТА ГРУППИРОВКИ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ВЗРЫВОТЕХНИЧЕСКИХ РАБОТ
Д.С. Найденов
адъюнкт кафедры (спасательных
робототехнических средств)
Академия гражданской защиты МЧС России
Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки,
мкр. Новогорск
E-mail: naidenov - dndQmail.ru
Е.В. Полевой
преподаватель кафедры (спасательных
робототехнических средств)
Академия гражданской защиты МЧС России
Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки,
мкр. Новогорск
E-mail: е.polevoiQamchs.ru
С.С. Носков
кандидат технических наук, доцент,
заведующий кафедрой (спасательных
робототехнических средств)
Академия гражданской защиты МЧС России
Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки,
мкр. Новогорск
E-mail: s.noskovQamchs.ru
В.В. Ватырев
доктор технических наук, профессор, президент Ассоциации
Объединение организаций - разработчиков систем комплексной безопасности (ОРСКВ) Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки, мкр. Новогорск E-mail: vbatyrevQinbox.ru
Аннотация. Представленные в статье основные положения методики отбора робототехнических средств, предназначены для решения задачи формирования рациональной группировки робототехнических средств при проведении взрывотехнических работ. Предлагается данную задачу решать в два этапа. На первом этапе определяется приспособленность робототехнических средств к условиям и видам взрывотехнических работ. В основу алгоритма решения задачи на первом этапе предлагается положить морфологический анализ, расчет частных показателей и их свертку.
На втором этапе планируется определить номенклатуру и количество робототехнических средств, обеспечивающих выполнение взрывотехнических работ без привлечения ручного труда спасателей за отведенное время с минимальными затратами на применение робототехники. Для решения данной задачи может быть использован метод линейного программирования. Ключевые слова: робототехнические средства, робототехника, рациональная группировка, взрывотехнические работы.
Цитирование: Найденов Д.С., Носков С.С., Полевой Е.В., Ватырев В.В. Общая структура методики обоснования рационального варианта группировки робототехнических средств специального назначения при проведении взрывотехнических работ / / Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2020. № 4 (47). С. 43 - 51 .
Экстремальная робототехника стала активно развиваться после аварий на Чернобыльской АЭС и в закрытом административно-территориальном образование (далее — ЗАТО) Арзамас-16. При ликвидации аварии в ЗАТО Арзамас-16 впервые были применены робототехнические средства
(далее - РТС) МЧС России [1, 2].
Сведения о количестве примененных РТС основным робототехническим подразделением - центром спасательных операций особого риска (далее — ЦСООР) «Лидер» с 1997 по 2019 года представлено на рисунке 1 [3, 4, 5].
Рисунок 1 Количество примененных РТС ЦСООР «Лидер» при .ликвидации ЧС с 1997 но
2019 года
Анализ статистики применения РТС показал, что с 2008 года наметилась динамика роста применения робототехники, в том числе группового. В открытых источниках [6] указано, что робототехника МЧС России в период с 1997 но 2020 годы в 67% случаев применялась для обезвреживания взрывоопасных предметов (далее ВОП), в 14% при проведении работ с источниками ионизирующих) излучения и радиоактивным загрязнением, 19%; с аварийно-хими чеекими веществами.
В Концепции развития робототехничееких комплексов (систем) специального назначения в системе МЧС России до 2030 года отмечается, что наиболее значимыми спасательными операциями с использованием робототехники МЧС России являются разминирование территории [7].
Следовательно, приоритетным направлением исследования является организация и применение грушшровки РТС МЧС России для проведения взрывотехничееких работ (далее ВзТР). Группировкой робототехничееких средств специального назначения для ликвидации ЧС (далее ЧС) называется совокупность РТС, предназначенных для комплексного выполнения аварийно-спасательных и других неотложных работ, а также пожаротушения. Группировка РТС
характеризуется номенклатурой, количеством робототехники, производственными возможностями. При создании грушшровки РТС для ликвидации ЧС возможно одиночное и групповое применение робототехники [8].
Под групповым применением робототехничееких средств специального назначения при ликвидации ЧС следует понимать согласованную по месту, времени, задачам и технологическим операциям одновременную работу двух и более робототехничееких средств с учетом совместимости систем управления по применяемым радиочастотам. Взрывотех-ничеекие работы это комплекс специальных работ, связанных с поиском, обнаружением, извлечением и обезвреживанием взрывоопасных устройств [9].
Результаты анализа научной литературы позволяют сделать вывод о том, что при групповом использовании РТС возможно значительное повышение тактических возможностей по сравнению с одиночным применением РТС, что особо актуально при ликвидации крупномасштабных ЧС [8, 10]. Данный вывод подтверждают результаты анализа тенденции увеличения группового применения РТС, доля которого к настоящему времени составляет более 30%; от общего числа применения роботов в чрезвычайных ситуациях.
Анализ известного научно-методического аппарата показал, что разработанные теоретические положения и методики не позволяют учесть ряд факторов при обосновании номенклатуры и количества робототех-ничееких средств для выполнения аварийно-спасательных работ и пожаротушения. В частности, существующие модели и методики не учитывают стойкость РТС к поражающим факторам ЧС, защищенность оператора, пока-
затель оперативности и технической готовности робототехники, а также ряд других факторов.
Для определения рационального состава РТС при проведении ВзТР, где наиболее востребована робототехника, разработана комплексная методика, обобщенная схема которой представлена на рисунке 2 с учетом указанных выше факторов.
Рисунок 2 Блок схема алгоритма комплексной методики обоснования рационального варианта группировки РТС при проведении ВзТР
Комплексная методика состоит из двух этапов отбора РТС для выполнения ВзТР.
На первом этапе производится отбор РТС, способных выполнять ВзТР в конкретных условиях ЧС. Исходными данными для решения данной задачи являются:
тактико-технические характеристики (далее _ ТТХ) РТС, имеющихся в распоряжении руководителя ликвидации ЧС {РТС1, РТС2, ... ,РТСь}, основными из которых являются: безотказность при воздействии поражающих факторов ЧС, производительность при различных видах работ и т.д. - блок 1;
оперативные характеристики РТС (время доставки РТС, способ доставки, время разворачивания и подготовки к работе РТС и т.д. -блок 2);
показатели, характеризующие ЧС (масштаб, вид, потребный объем работ для ликвидации ЧС - блок 3).
В блоке 4 производится сравнение техни-
В ячейки морфологического ящика заносятся количественные значения частных коэффициентов соответствия ТТХ РТС требованиям, вытекающим из условий ЧС. Методика расчета показателей и оценки соответствия
ческих и оперативных характеристик РТС из множества {РТС^ РТС2, ... ,РТСь} с требованиями, вытекающими из условий ЧС.
Отбор производится с применением аппарата морфологического анализа. Идея применения метода морфологического ящика состоит в определении соответствия технических и оперативных возможностей РТС требованиям по ликвидации ЧС. Проведение морфологического анализа позволило систематизировать большой объем данных о возможностях РТС при проведении ВзТР.
Морфологический ящик может быть представлен в виде таблицы, входами которой являются:
по столбцам - перечень РТС, имеющихся в распоряжении руководителя ликвидации ЧС;
по строкам - перечень частных требований, вытекающих из условий ЧС.
Пример морфологического ящика представлен в таблице 1.
технических возможностей РТС условиям ЧС представлена в работе [11].
По результатам морфологического отбора может быть получено множество {РТС**, РТС2, ... ,РТСУ, где К > Ь, т.е. пе-
Таблица 1 — Сведения, характеризующие соответствие ТТХ РТС условиям ЧС
Показатели, характеризующие РТС РТС
РТС1 РТС2 РТСЬ
Производительные площадь разведки к31 к82 к3ь
объем завалов кХ1 кг2 кхь
объем земляных работ кд1 кд2 кдь
масса обломков и конструкций к VI ку2 к'иЬ
Оперативные время доставки в зону ЧС ка 1 к<12 каь
время подготовки к выполнению АСДНР кг 1 кГ2 кгь
требуемое время проведения работ &ко м1 $ко м2 ЗК0 мЬ
Эксплуатационные показатель безотказной работы в условиях ионизирующего излучения ^ии 1 2 &ии £
показатель безотказной работы в условиях агрессивной среды кхо 1 к^0 2 кхо ь
показатель безотказной работы в условиях воздействия ударной волны квз 1 квз 2 квз ь
показатель безотказной работы в условиях воздействия высокой температуры кП01 кП0 2 кп0 £
Значение интегрального показателя /рТ К1 /рТ к2 /рТ к2
речень РТС, способных выполнять ВзТР в конкретных условиях ЧС.
Вполне возможно, что после морфологического отбора может быть получено пустое множество, то есть К = 0. Это значит, что РТС не соответствуют условиям ЧС (низкая стойкость к ионизирующему излучению, слабая защищенность от осколков, недостаточный радиус действия системы управления и т.д.). В этом случае должны быть приняты технические решения по дооснащению РТС (обеспечение дополнительной защиты, применение ретрансляторов, нестандартное рабочее оборудование и т.д.). Выполнение этих мероприятий предусмотрено в блоке 5.
Выходной информацией первого этапа комплексной методики является множество робототехники {РТС*, РТС2, ... ,РТС^} (блок 6), приспособленной к условиям ЧС, из которого производится отбор рациональной группировки.
Второй этап комплексной методики предназначен для формирования рациональной группировки РТС при выполнении ВзТР с учетом технологии обезвреживания ВОП и ограничений на время выполнения ВзТР.
В качестве исходных данных для реше-
ния задачи на втором этапе необходимо выбрать операции ВзТР, выполняемые робототехникой. Для этого ВзТР рассматривается как целенаправленный процесс функционирования системы: оператор - РТС - ВОП.
Взрывотехнические работы характеризуются большим количеством видов работ, которые должны быть выполнены в установленные сроки и представляют собой последовательности операций направленных на устранение возможного негативного воздействия поражающих факторов ВОП.
В общем виде операции ВзТР можно представить как множество {^1,^2,... Каждый элемент N1 ^ = 1 ,Н) будет характеризоваться объемом операции Qi. В качестве объема может рассматриваться площадь участка, на котором необходимо провести разведку, количество грунта, которого необходимо удалить для доступа к ВОП, протяженность путей, которые необходимо проложить для доступа к ВОП и т.д.
Использование ^'-го РТС при выполнении г-ой операции ВзТР будет характеризоваться затратами. Общие затраты на применение го РТС при выполнении г-ой операции могут быть определены по формуле
„прим _ писп , /^разв . побор . пдост ,л ч
^ij ij + ъ ij + ъ ij + ъ j , V-U
где С"?™ - стоимость использования j-го РТС оборудования для j-го РТС при выполнении
при выполнении г-ой операции, руб.; г-ой операции, руб.;
С??зв - стоимость развертывания и свер- С^ост - стоимость доставки j-ro РТС в зону
тывания j-го РТС при выполнении г-ой one- ЧС, руб.
рации, руб.; Стоимость использования РТС будет зави-
C°fp - стоимость использования сменного сеть от времени применения робота
/~шсп _ (-ччас у- (п\
= х , К^)
где С?ас - стоимость эксплуатации одного часа В свою очередь стоимость одного часа ра-
рте, руб/ч. боты будет определяться по формуле
^час _ ^опер + ^гсм + QTO + ^рем +
(3)
где С°пер - стоимость часа работы оператора j-тo РТС, руб/ч.;
С^см - стоимость горючего, масел, смазок и специальных жидкостей за один час работы
j-тo РТС, руб/ч.;
С™, Срем, Сзу - стоимость технического обслуживания, ремонта, запасных материалов, приведенная к часу работы j-тo РТС, руб/ч.
Очевидно, что зная объем операции Qi и производительность ^'-го робота для выполне-
ния операции, можно рассчитать время выполнения г-ой операции ^'-ым РТС, т.е.
¿гз =
(4)
где Qij - объем г-ой операции, назначенной для выполнения ^'-му РТС, ед.;
^ производительпость ^'-го РТС при выполнении г-ой операции, ед/ч.
Учитывая технологию обезвреживания ВОП и невозможность сокращения времени на операции ВзТР, рационализацию группировки РТС необходимо осуществлять по минимуму затрат на применение РТС с учетом ряда ограничений на время и объем выполне-
Чц
пия всех работ.
Формализованная постановка научной задачи может быть представлена в следующем виде.
Необходимо определить такую группировку РТС для выполнения ВзТР, которая обеспечивает:
требуемое время выполнения всех опера-
ций
н к
ЕЕ ^
г=1 3=1
где - время выполнения г-ой операции ^'-ым РТС, ч;
х^ - индикатор назначения ]-то РТС на
г
чен) и 0 (не назначен) х^ = {0; 1};
X хц > Т^Р, (5)
Тдир - директивное время выполнения работ, ч;
соответствие тактико-технических характеристик каждого РТС к условиям проведения работ
-^ртк^ ^ 0
где /ртк; - значение интегрального показателя ограничений суммарные затраты на приме-технического уровня ^'-го РТС; нение группировки РТС должны быть мини-
с учетом выполнения приведенных выше мальны
н к
№ (РТ с***, РТ С2*,...,РТ с^) = ЕЕ С5РИМ
г=1 3=1
X X
13
тгп,
(7)
где с°?им - общие затраты па применение ^'-го
г
Решение оптимизационной задачи, представленной целевой функцией (7) с учетом ограничений (5) и (6), предусмотрено в блоке 6 второго этапа комплексной методики.
Решением оптимизационной задачи будет множество {РТС^*, РТС2*,..., РТС^*} (блок 9), которое является искомым вариантом рациональной группировки РТС, обеспечивающих выполнение предназначенных для робо-
тотехнических средств работ за отведенное время с минимальными затратами.
В алгоритме определения рациональной группировки РТС предусмотрен блок 8, который позволяет уточнять объем и сроки выполнения работ, которые ставятся перед робото-техническими подразделениями в случае отсутствия решения из - за невыполнения ограничений.
Для реализации представленной комплексной методики необходимо в качестве исход-
ных данных задать требуемое время выполнения каждой операции. Проведенный анализ показал, что не все временные характеристики операций могут быть определены по формуле
Время выполнения операций, представленных в таблице 2, может быть определено на основе построения статистических зависимостей их продолжительности от наиболее значимых факторов. Для построения таких зависимостей могут быть использованы методы дисперсионного, корреляционного и регрессионного анализа.
Таким образом, в основу разработки комплексной методики обоснования рациональ-
(4). Время выполнения ряда операций определяются специфическими факторами, которые представлены в таблице 2.
ной группировки РТС для выполнения ВзТР целесообразно положить методы морфологического анализа и исследования операций. Представленный методический аппарат может быть использован при формировании решения на применение РТС как при ВзТР, так и при проведении аварийно-спасательных и других неотложных работ в ЧС на взрывопо-жароопасных объектах.
Таблица 2 — Факторы, влияющие на время выполнения отдельных операций ВзТР
Операции ВзТР Факторы
Масса ВОП Глубина залегания ВОП Расстояние до ВОП Грузоподъёмность манипулятора Радиус действия манипулятора Число степеней свободы манипулятора
Разрушение ВОП без детонации снаряжения * *
Извлечение ВОП * * * * * *
Транспортировка ВОП к месту погрузки * * *
Погрузка ВОП в специально оборудованный автотранспорт * * * *
Разгрузка ВОП * * * *
Укладка ВОП на площадке уничтожения * * *
Закладка детонирующего заряда для уничтожения ВОП * * * *
Литература
1. Опыт применения роботизированных средств при ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС // Москва: АЭСНЦ МО РФ. 1986. 4 с.
2. Отчет о работах, выполненных при ликвидации последствий аварии во ВНИИЭФ с помощью мобильных робототехнических комплексов // Москва: МГУТ им. Н.Э. Баумана. 1997. 6 с.
3. Дацков II.В., Кубеко A.B. Спасательные работы, проводимые ЦСООР «Лидер» с использованием РТС по видам ЧС // Сборник материалов XXVII Международной научно - практической конференции. Химки: ФГБВОУ ВО «Академия гражданской защиты МЧС России». 2017. С. 34 - 38.
4. Данилов К.Ю., Сероштанов A.B., Лопатин Д.С. Опыт применения наземных робототехнических комплексов в ФГКУ ЦСООР «Лидер» // Сборник материалов XXVIII Международной научно -практической конференции. Химки: ФГБВОУ ВО «Академия гражданской защиты МЧС России». 2018. С. 23 - 27.
5. Матюшиным A.B., Цариченко С.Г. Разработка методических рекомендаций по применению в подразделениях МЧС России робототехнических средств при проведении аварийно-спасательных работ и пожаротушения // Отчет о научно - исследовательской работе. Москва: ФГБУ ВНИИПО МЧС России. 2013. 55 с.
6. Найденов Д.С., Носков С.С. Анализ применения робототехнических комплексов ЦСООР «Лидер» при ликвидации ЧС // Сборник материалов XXVII Международной научно-практической конференции. Химки: ФГБВОУ ВО «Академия гражданской защиты МЧС России». 2017. 92 с.
7. Концепция развития робототехнических комплексов (систем) специального назначения в системе МЧС России до 2030 года, утвержденная решением коллегии МЧС России от 10 августа 2016 г.
8. Методические рекомендации по тактике применения наземных робототехнических средств (РТС) при тушении пожаров, утвержденные МЧС России от 17 июля 2015 г. №2-4-87-26.
9. Воробьев Ю.Л. Гражданская защита. Понятийно - терминологический словарь. - М.: Издательство «Флайст». 2001. 12 с.
10. Носков С.С., Найденов Д.С. Обзор методик выбора аварийно - спасательной техники для ведения аварийно - спасательных и других неотложных работ / / Сборник материалов XXX Международная научно - практическая конференция. Химки: ФГБВОУ ВО «Академия гражданской защиты МЧС России». 2020. С. 27 - 32.
11. Найденов Д.С., Прокопенко А.И. Математическое обоснование выбора робототехнических средств в зоне ЧС // Сборник материалов XXVIII Международная научно - практическая конференция. Химки: ФГБВОУ ВО «Академия гражданской защиты МЧС России». 2018. С. 63 - 73.
GENERAL STRUCTURE OF THE JUSTIFICATION TECHNIQUE FOR A RATIONAL VERSION OF GROUPING OF SPECIAL PURPOSE ROBOTICS IN THE PERFORMANCE OF EXPLOSION TECHNOLOGY
№16/111.
Dmitriy NAYDENOV
adjunct of the department
(rescue robotic equipment)
Civil Defence Academy EMERCOM of Russia
Address: 141435, Moscow region, city Khimki,
md. Novogorsk
E-mail: naidenov - dndQmail.ru
Evgeniy POLEVOY
department teacher
(rescue robotic equipment)
Civil Defence Academy EMERCOM of Russia
Address: 141435, Moscow region, city Khimki,
md. Novogorsk
E-mail: e.polevoiQamchs.ru
Sergei NOSKOV
candidate of technical sciences,
associate professor, head of
the department (rescue robotic equipment)
Civil Defence Academy EMERCOM of Russia
Address: 141435, Moscow region, city Khimki,
md. Novogorsk
E-mail: s.noskovQamchs.ru
Vasiliy BATYREV
doctor of technical sciences, professor, association president
association of organizations - system developers
integrated security (ORSCB)
Address: 141435, Moscow region, city Khimki,
md. Novogorsk
E-mail: vbatyrevQinbox.ru
Abstract. The main provisions of the methodology for the selection of robotic means presented in the article are intended to solve the problem of forming a rational grouping of robotic means during explosive works. It is proposed to solve this problem in two stages. At the first stage, the adaptability of robotic equipment to the conditions and types of blasting operations is determined. At the first stage, the algorithm for solving the problem is based on morphological analysis, calculation of particular indicators and their convolution.
At the second stage, it is planned to determine the nomenclature and number of robotic means that ensure the execution of blasting operations without the manual labor of rescuers in the allotted time with minimal costs for the use of robotics. The linear programming method can be used to solve this problem.
Keywords: robotic means, robotics, rational grouping, explosive works.
Citation: Naydenov D.S., Noskov S.S., Polevoy E.V., Batyrev V.V. General structure of the justification technique for a rational version of grouping of special purpose robotics in the performance of explosion technology // Scientific and educational problems of civil protection. 2020. No. 4 (47). p. 43 - 51 .
References
1. Experience in the use of robotic tools in the elimination of the consequences of the accident at the Chernobyl nuclear power plant // Moscow: AESNTs MO RF. 1986.4 s.
2. Report on the work carried out during the elimination of the consequences of the accident at VNIIEF using mobile robotic systems // Moscow: MGUT im. N.E. Bauman. 1997.6 s.
3. Datskov I.V., Kubeko A.V. Rescue operations carried out by the Leader CSOOR using RTS by type of emergency // Collection of materials of the XXVII International Scientific and Practical Conference. Khimki: FGBVOU VO "Academy of Civil Protection EMERCOM of Russia". 2017. S. 34 - 38.
4. Danilov K.Yu., Seroshtanov A.V., Lopatin D.S. Experience of using ground-based robotic systems in FGKU TsSOOR "Leader"// Collection of materials of the XXVIII International scientific - practical conference. Khimki: FGBVOU VO "Academy of Civil Protection EMERCOM of Russia". 2018. S. 23 -27.
5. Matyushin A.V., Tsarichenko S.G. Development of methodological recommendations for the use of robotic equipment in the EMERCOM subdivisions of Russia during emergency rescue operations and fire fighting // Report on research work. Moscow: FGBU VNIIPO EMERCOM of Russia. 2013. 55 s.
6. Naydenov D.S., Noskov S.S. Analysis of the use of robotic systems CSOOR "Leader"in emergency response // Collection of materials of the XXVII International Scientific and Practical Conference. Khimki: FGBVOU VO "Academy of Civil Protection EMERCOM of Russia". 2017. 92 s.
7. The concept for the development of robotic complexes (systems) for special purposes in the EMERCOM of Russia until 2030, approved by the decision of the collegium of the EMERCOM of Russia dated August 10. 2016 No. 16 / III.
8. Methodical recommendations on the tactics of using ground robotic equipment (RTS) when extinguishing fires, approved by the Ministry of Emergency Situations of Russia dated July 17. 2015 No. 2-4-87-26.
9. Vorobiev Yu.L. Civil protection. Conceptual and terminological dictionary. - M .: Flyst Publishing House. 2001. 12 s.
10. Noskov S.S., Naydenov D.S. Review of methods for choosing emergency rescue equipment for conducting emergency rescue and other urgent work // Collection of materials XXX International scientific and practical conference. Khimki: FGBVOU VO "Academy of Civil Protection EMERCOM of Russia". 2020. S. 27 - 32.
11. Naydenov D.S., Prokopenko A.I. Mathematical substantiation of the choice of robotic means in the emergency zone // Collection of materials XXVIII International scientific and practical conference. Khimki: FGBVOU VO "Academy of Civil Protection EMERCOM of Russia". 2018. S. 63 - 73.
