Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ статистических данных по пожарам и оценка надежности систем пожарной сигнализации на производственных объектах 14
1.1 Обеспечение пожарной безопасности объектов энергетики как основная задача энергетической безопасности 14
1.2 Анализ пожарной обстановки на объектах энергетики 17
1.2.1 Анализ пожаров, произошедших на объектах энергетики 19
1.2.2 Специфика развития пожаров на объектах энергетики 23
1.3 Статистика пожаров и последствий от них на объектах, оснащенных автоматическими установками пожарной сигнализации. 29
1.4 Количественная оценка надежности автоматических установок пожарной сигнализации на производственных объектах.. 34
1.5 Выводы по главе. 38
ГЛАВА 2 Функционирование средств передачи информации в системах обнаружения пожаров на объектах энергетики 40
2.1 Исследование современных способов и структур передачи данных в системах обнаружения пожаров 40
2.1.1 Беспроводные системы обнаружения пожаров на объектах энергетики 40
2.1.2 Структуры построения сетей связи в системах обнаружения пожаров на объектах энергетики 46
2.2 Анализ помехоустойчивости систем обнаружения пожаров на объектах энергетики 50
2.3 Анализ беспроводных систем обнаружения пожаров 52
2.4 Выводы по главе 66
3 Исследование функционирования беспроводных систем обнаружения пожаров и разработка функционально-технологических моделей их надежности на объектах энергетики 68
3.1 Экспериментальные исследования по устойчивому функционированию
беспроводных системы обнаружения пожаров на объектах энергетики 68
3.1.1 Устройство и оборудование испытательного стенда 70
3.1.2 Оценка погрешности результатов измерений уровня полезного сигнала от извещателя на входе прибора приемно-контрольного пожарного 76
3.1.3 Обобщение результатов экспериментальных исследований 79
3.2 Разработка функционально-технологических моделей для определения надежности сети связи беспроводных систем обнаружения пожаров на основе принципов статической и динамической маршрутизации извещений 83
3.2.1 Исследование структур построения беспроводных систем обнаружения пожаров на объектах энергетики 84
3.2.2 Функционально-технологические модели для определения надежности сети связи беспроводных систем обнаружения пожаров 88
3.2.3 Расчет надежности сети связи беспроводных систем обнаружения пожаров с функциями статической и динамической маршрутизации извещений 98
3.4 Выводы по главе 100
4. Разработка технико-эксплуатационных требований к беспроводным системам обнаружения пожаров и формирование комплексного критерия оценки их функционирования на объектах энергетики 101
4.1 Разработка технико-эксплуатационных требований к беспроводным системам обнаружения пожаров на объектах энергетики 101
4.2 Разработка комплексного критерия оценки функционирования беспроводных систем обнаружения пожаров на объектах энергетик 105
4.2.1 Метод ранжирования для определения коэффициентов относительной важности 109
4.2.2 Метод оценки в баллах для определения коэффициентов относительной важности 112
4.2.3 Средневзвешенные коэффициенты относительной важности для формирования комплексного критерия 113
4.3 Выбор оптимальной беспроводной системы обнаружения пожаров с использованием комплексной оценки функционирования БСОП на объектах энергетики 115
4.4 Расчет величины пожарного риска в зависимости от выбранной системы обнаружения пожаров на объекте энергетики 119
4.5 Расчет экономической эффективности беспроводных систем обнаружения пожаров с функцией автоматической доставки информации диспетчеру пожарно-спасательного гарнизона 124
4.5.1 Расчет площадей моделируемых пожаров при использовании автоматической доставки информации диспетчеру ПСГ и без нее 124
4.5.2 Оценка экономической эффективности от применения систем с функцией автоматической доставки извещений диспетчеру пожарно спасательного гарнизона 130
4.6 Выводы по главе 134
Заключение 136
Список литературы
- Анализ пожаров, произошедших на объектах энергетики
- Структуры построения сетей связи в системах обнаружения пожаров на объектах энергетики
- Разработка функционально-технологических моделей для определения надежности сети связи беспроводных систем обнаружения пожаров на основе принципов статической и динамической маршрутизации извещений
- Выбор оптимальной беспроводной системы обнаружения пожаров с использованием комплексной оценки функционирования БСОП на объектах энергетики
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Стабильно функционирующая энергетическая система является основой экономической безопасности государства. Бесперебойное обеспечение всех отраслей экономики и населения энергоресурсами является основной задачей объектов энергетики. Поэтому государственная энергетическая политика по вопросу обеспечения энергетической безопасности включает в себя, в том числе, стратегическую цель, направленную на повышение уровня пожарной безопасности объектов энергетики. Достижение этой цели невозможно без повышения уровня противопожарной защиты данных объектов, при этом нарушения в функционировании автоматических установок пожарной сигнализации (АУПС) в условиях возникновения пожара могут привести к человеческим жертвам и многомиллионным потерям.
Так, крупные аварии и пожары, произошедшие за последние годы
на электроподстанции «Чагино» (2005 г.), Рефтинской ГРЭС (2006 г.),
дизельной электростанции Южно-Сахалинска (2008 г.), Киришской
ГРЭС (2009 г.), ТЭЦ-3 в г. Барнаул (2010 г.), Сочинской
теплоэлектростанции (2010 г.), ГРЭС №1 г. Сургут (2011 г.), АЭС
в г. Волгодонске (2012 г.), электростанции в г. Лабытнанги (2013 г.),
Западно-Сибирской ТЭЦ (2014 г.), электростанции в г. Нарьян-Мар (2014
г.), привели к массовым отключениям электроэнергии, отопления
и водоснабжения, при этом общий материальный ущерб от этих
деструктивных событий превысил 2,5 млрд. руб. Большая часть
рассматриваемых пожаров произошла в зимний период,
что соответственно повлекло за собой возникновение чрезвычайных ситуаций (ЧС) на территориях регионов, областей, городов, населенных пунктов и предприятий, обслуживаемых данными объектами энергетики. При этом важно отметить, что одной из основных причин больших материальных ущербов являлось несовершенство применяемых на объектах энергетики автоматических установок пожарной сигнализации.
В настоящее время для определения эффективного
функционирования АУПС в нормативных документах используется значение эффективности работы системы, характеризующее ее надежность для обнаружения и передачи извещений о возникновении пожара, значение которой составляет DАУПС = 0,8. Однако анализ статистических данных показывает, что эффективность функционирования применяемых АУПС на объектах энергетики часто не соответствует нормативному значению в связи с пониженным уровнем надежности данных систем.
Несмотря на существующие технические решения, выход из строя системы может быть обусловлен нарушением монтажа, механическими повреждениями, халатностью персонала, коррозией соединительных элементов, воздействием индустриальных помех, коротким замыканием и т. п. Перечисленные факторы критически влияют на проводные системы обнаружения пожара (ПСОП). Поэтому перспективным направлением
повышения надежности систем передачи извещения является применение современных беспроводных систем обнаружения пожаров (БСОП), под которыми понимаются адресно-аналоговые автоматические системы пожарной сигнализации, взаимодействующие со всеми элементами по радиоканалу. Такие системы обладают высоким уровнем надежности и их функционирование не зависит от перечисленных факторов, что позволяет своевременно обнаружить возгорание, передать сигнал на включение систем оповещения и управления эвакуацией людей (СОУЭ), автоматических установок пожаротушения (АУПТ), дымоудаления, и в автоматическом режиме передать извещение о пожаре диспетчеру пожарно-спасательного гарнизона (ПСГ).
Однако несмотря на существующее многообразие беспроводных
систем, обладающих различными функциями и параметрами, в настоящее
время не имеется научно обоснованных методов оценки
функционирования этих систем на объектах энергетики.
Это обуславливает актуальность разработки комплексного
(многофакторного) критерия оценки функционирования беспроводных
систем обнаружения пожаров на основании параметрических
характеристик (оперативности передачи извещений, эффективности сети
связи, помехоустойчивости, надежности, площади обслуживания,
экономической целесообразности).
Степень разработанности темы исследования. Значительный вклад в разработку теоретических основ и решение прикладных задач в области обеспечения противопожарной защиты объектов энергетики внесли такие специалисты ВНИИПО и Академии ГПС МЧС России как Г.И. Смелков, В.В. Холщевников, А.К. Микеев, М.В. Алешков, С.А. Швырков, С.В. Пузач, В.И. Зыков, А.В. Федоров, А.Н. Членов, в том числе зарубежные ученые: G. Scotford, A. Klein и др.
Однако работы этих авторов не затрагивали теоретических основ
моделирования, проектирования и построения беспроводных систем
обнаружения пожаров, обеспечивающих своевременное обнаружение
пожаров, передачу извещения на включение СОУЭ, АУПС и систем
дымоудаления на объектах энергетики. Тем не менее, в связи с развитием
микропроцессорной техники появилась возможность повышения уровня
противопожарной защиты объектов энергетики за счет применения на них
вышеуказанных систем. Но внедрение беспроводных систем обнаружения
пожаров на рассматриваемых объектах требует проведения
дополнительных теоретических и экспериментальных исследований, направленных на оптимизацию их построения посредством комплексной оценки параметрических характеристик рассматриваемых систем.
Целью работы является разработка комплексного критерия оценки
функционирования беспроводных систем обнаружения пожаров
на объектах энергетики.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
– проанализировать статистические данные о пожарах
на производственных объектах и выполнить количественную оценку надежности АУПС на объектах энергетики;
– провести анализ структур построения линий связи и оценить
их помехоустойчивость для прогнозирования функционирования
проводных и беспроводных систем обнаружения пожаров;
– экспериментально определить дальность прохождения устойчивого сигнала в беспроводных системах обнаружения пожаров на объектах энергетики и разработать функционально-технологические модели этих систем для прогнозирования надежности (вероятности безотказной работы) сети связи с функциями статической и динамической маршрутизации извещений;
– разработать технико-эксплуатационные требования
к беспроводным системам обнаружения пожаров на объектах энергетики и комплексный критерий оценки их функционирования.
Объектом исследования являлся процесс обнаружения пожаров
на объектах энергетики с использованием беспроводных систем
обнаружения пожаров. В качестве предмета исследования
рассматривались параметрические характеристики беспроводных систем обнаружения пожаров (оперативность передачи извещений, эффективность сети связи, помехоустойчивость, надежность, площадь обслуживания, экономическая целесообразность).
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
На основании результатов количественной оценки надежности АУПС и оценки функционирования проводных и беспроводных систем обнаружения пожаров обоснована необходимость применения беспроводных систем на объектах энергетики.
-
Разработаны функционально-технологические модели беспроводных систем обнаружения пожара, основанные на принципах статической и динамической маршрутизации извещений, теоретические исследования которых позволяют проводить количественную оценку надежности (вероятности безотказной работы) сети связи рассматриваемых систем.
-
Сформулированы технико-эксплуатационные требования к беспроводным системам обнаружения пожаров для повышения уровня их функционирования на объектах энергетики.
-
Разработан комплексный (многофакторный) критерий для оценки функционирования беспроводных систем обнаружения пожаров на объектах энергетики, а для обоснования внедрения данных систем проведены расчеты величин индивидуального пожарного риска и оценена экономическая эффективность БСОП.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в:
– возможности применения математических моделей
для количественной оценки надежности (вероятности безотказной работы)
сети связи беспроводных систем обнаружения пожаров на объектах
энергетики с функциями статической и динамической маршрутизации извещений;
– разработке технико-эксплуатационных требований к беспроводным системам обнаружения пожаров на объектах энергетики;
– анализе параметрических характеристик беспроводных систем обнаружения пожаров, на основании которых разработан комплексный критерий оценки функционирования данных систем для выбора наиболее оптимальной их системы.
Применение на практике разработанных моделей для определения
вероятностей безотказной работы, технико-эксплуатационных требований
и комплексного критерия оценки функционирования беспроводных систем
обнаружения пожаров позволит проводить как качественный,
так и количественный анализ и оптимальный выбор этих систем с целью их применения на объектах энергетики.
Методология и методы исследования. Поставленные задачи решались путем теоретических и экспериментальных исследований, направленных на обеспечение противопожарной защиты объектов энергетики при использовании беспроводных систем обнаружения пожаров. Исследования основывались на методах математической статистики и экспертных оценок, теории массового обслуживания и математического моделирования с применением вычислительной техники.
Информационной основой исследования являлись отечественные и зарубежные литературные, правовые и нормативные источники, статистические данные, описания крупных пожаров на производственных объектах, на которых АУПС не в полном объеме выполнили свои функции, материалы научно-исследовательских работ по тематике обеспечения противопожарной защиты объектов энергетики.
Положения, выносимые на защиту:
– результаты анализа статистических данных о пожарах
на производственных объектах и количественной оценки надежности применяемых на этих объектах АУПС;
– результаты оценки функционирования проводных и беспроводных систем обнаружения пожаров на объектах энергетики;
– функционально-технологические модели систем обнаружения пожара, основанные на принципах статической и динамической маршрутизации извещений;
– структура и организация беспроводной системы обнаружения пожаров при динамической передаче извещений о пожаре на объектах энергетики;
– технико-эксплуатационные требования к беспроводным системам
обнаружения пожаров и комплексный критерий оценки
их функционирования.
Степень достоверности полученных результатов и выводов,
сформулированных в диссертации, подтверждается строгими
аналитическими методами математического моделирования, теории
массового обслуживания и математической статистики;
экспериментальными исследованиями; использованием современных поверенных измерительных приборов и измерительной аппаратуры, обеспечивающих высокую точность измерения.
Материалы диссертации использованы при:
– модернизации и переоснащении ТЭЦ в г. Ахтубинске
Астраханской области с целью обеспечения пожарной безопасности данного объекта при использовании системы пожарного мониторинга и оповещения персонала на основе радиоканальной системы передачи данных, ООО УК «Центр», г. Ахтубинск, (2015 г.).
– разработке документа МЧС России «Сборник проектов типовых документов для территориальных органов МЧС России по субъектам Российской Федерации и их подразделений, регламентирующих вопросы ввода в эксплуатацию и последующего применения программно-аппаратного комплекса системы мониторинга, обработки и передачи данных о параметрах возгорания, угрозах и рисках развития крупных пожаров в сложных зданиях и сооружениях с массовым пребыванием людей, в том числе в высотных зданиях (ПАК «Стрелец-Мониторинг»)», а также совершенствовании беспроводной системы обнаружения пожаров нового поколения «Стрелец – Мониторинг» для объектов энергетики, ООО «Аргус-Спектр», г. Санкт-Петербург, (2014 - 2017 гг.);
– разработке технических решений для модернизации
автоматических установок пожарной сигнализации в типовых проектах АЭС, с целью повышения уровня их противопожарной защиты при использовании адресно-аналоговых беспроводных систем обнаружения пожаров, АО «Атомэнергопроект», г. Москва, (2017 г.);
– совершенствовании противопожарной защиты электроподстанций (№780 – «Елоховская»; №790 – «Свиблово») в г. Москва. Согласно проведенным исследованиям по функционированию современных беспроводных систем обнаружения пожаров установлено, что их применение значительно повысит уровень противопожарной защиты, поэтому предложено их применение на данного типа объектах, ПАО «МОЭСК», г. Москва, (2017 г.);
– изучении дисциплины «Автоматизированные системы управления и связь» на кафедре специальной электротехники, автоматизированных систем и связи Академии ГПС МЧС России, а именно при разработке: учебного пособия на тему: «Автоматизированные системы управления и связь; методические указания по курсовому проектированию» (2014 г.); фондовой лекции на тему «Основы АСУ и автоматизированные системы оперативного управления пожарной охраны» (2016 г.); научно-исследовательской работы на тему: «Совершенствование преподавания дисциплины «АСУ и связь» в вузах МЧС России на базе разработки 3-го издания учебника «Автоматизированные системы управления и связь в пожарной охране»», г. Москва, (2014 - 2017 гг.).
Основные результаты работы доложены на: XVI Международной
конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем»
(г. Москва, РГГУ, 2008); XVII Международной конференции «Проблемы
управления безопасностью сложных систем» (г. Москва, РГГУ, 2009);
XIX Международной научно-технической конференции «Системы
безопасности – 2010» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2010);
V Международной научно-практической конференции молодых ученых
и специалистов «Проблемы техносферной безопасности – 2016»
(г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2016); III Всероссийской научно-
технической конференции «Технологии, измерения и испытания в области
электромагнитной совместимости» (г. Москва, МИЭМ, 2016);
Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения INTERMATIC-2016» (г. Москва, МИРЭА, 2016).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работах, в том числе 3 – в рецензируемых научных изданиях, включенных в перечень ВАК России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка используемой литературы и приложения. Работа изложена на 180 страницах текста, включает в себя 15 таблиц, 47 рисунков, список используемой литературы из 137 наименований и приложения на 27 страницах.
Анализ пожаров, произошедших на объектах энергетики
В работе были рассмотрены наиболее крупные пожары на объектах энергетики за период с 2005 по 2014 годы. Пожар на электроподстанции «Чагино» 25.05.2005 г. Во время пробного пуска в действие подстанции произошел сбой в работе одного из трансформаторов, повлекший за собой взрыв и пожар на площади 500 м2 с частичным обрушением кровли. В тушении были задействованы два противопожарных вертолета и 20 пожарных расчетов. Без электричества остались районы юга, юго-запада, юго-востока Москвы, а также 24 города Московской области и ряд населенных пунктов в Тульской области. Общий материальный ущерб от этой крупнейшей энергетической аварии составил 1,7 млрд рублей. После случившегося РАО «ЕЭС России» приняло решение реконструировать подстанцию. Три года спустя, 17.05.2008 г. в процессе пуско-наладочных работ на «Чагино» вновь произошло возгорание, в результате которого было повреждено оборудование подстанции, разрушилась часть ограждающих стен и покрытий строительных конструкций, повреждена крыша здания. В этот раз электричество не отключалось. Пожар на Рефтинской ГРЭС ОАО «ОГК-5» 20.12.2006 г. Произошел по причине разрушения бандажного кольца ротора генератора № 10, в результате чего произошел выброс трансформаторного масла с дальнейшим возгоранием и обрушение несущих конструкций машинного зала. Пожар распространился на площади 2500 м2, ему был присвоен третий уровень сложности. Произошла остановка двух энергоблоков, электричество отключалось кратковременно, отопление и водоснабжение не отключалось. Общий материальный ущерб от последствий пожара составил 237 млн. рублей. Пожар в Южно-Сахалинске на дизельной электростанции 01.12.2008 г. Пожар распространился на площади порядка 1500 м2, при этом вышли из строя все генераторы электростанции. Город с населением более двух с половиной тысяч человек остался без электроснабжения. Причиной пожара стало возгорание легковоспламеняющихся, горюче-смазочных строительных материалов при проведении ремонтно-строительных работ. Рабочие, проводившие демонтаж старой крыши здания электростанции, нарушили технику безопасности, в результате чего загорелась деревянная обшивка, предохраняющая оборудование станции от влаги и снега. Огонь начал распространяться с большой скоростью и быстро уничтожил три дизель-генератора, питавших Северо-Курильск энергией. Несмотря на усилия пожарных подразделений, здание выгорело полностью. В городе был объявлен режим чрезвычайной ситуации сроком на десять дней. Общий материальный ущерб от этой энергетической аварии составил порядка 280 млн. рублей.
Пожар на Киришской ГРЭС 13.07.2009 г., расположенной в Ленинградской области. В результате пожара выгорело 500 м2 площади кровли, пожар тушили по второму номеру сложности. В тушении было задействовано 8 единиц специальной техники. Пострадавших нет. Материальный ущерб составил 700 тыс. рублей.
Пожар на ТЭЦ-3 в г. Барнаул 19.01.2010 г. Возгорание произошло на транспортере топливного хода и на верхнем этаже главного корпуса ТЭЦ. Огонь распространился на площади 700 м2, пожару был присвоен третий номер сложности. Для ликвидации пожара были задействованы 75 человек и 21 единица спецтехники. В результате пожара подача электроснабжения и отопления были резко ограничены, а также отключено горячее водоснабжение в нескольких районах города. Причиной пожара явился износ оборудования. Материальный ущерб составил порядка 100 тыс. рублей. Пожар на Сочинской теплоэлектростанции 30.01.2010 г. Возгорание ТЭС началось на третьем этаже производственного здания. Пожар возник из-за короткого замыкания в комплексном контрольно-распределительном устройстве, которое использовалось для третьего энергоблока. Сразу же было обесточено все здание электростанции и остановлена работа двух энергоблоков. Вместе с тем, возникший пожар на теплоэлектростанции не повлиял на энергоснабжение потребителей города Сочи. Сочинский энергоузел получал электроэнергию в полном объеме, без ограничений по мощности. В результате пожара трое сотрудников станции были госпитализированы, пострадав от воздействия продуктов горения.
Пожар в Сургуте на ГРЭС № 1 28.06.2011 г. Возгорание произошло на газорегуляторном пункте № 2 ГРЭС-1. Огонь распространился на площади порядка 500 м2, пожару был присвоен второй номер сложности. Пункт находился на момент происшествия в нерабочем состоянии, поэтому пожар не повлиял на работу станции в целом, 5 человек погибло и пострадало 12. Для ликвидации пожара потребовалось 13 единиц техники и 44 человека личного состава подразделений пожарной охраны.
Пожар на АЭС г. Волгодонск 07.09.2012 г. Возгорание возникло на одном из строящихся блоков АЭС, площадь горения составила 350 м2, пожар был ликвидирован за 3 часа. Тушили пожар с помощью подъемного крана, который дважды поднимал и сбрасывал воду на очаг возгорания, всего в тушении пожара приняли участие 42 человека на 13 пожарных автомобилях. В результате пожара произошло отключение электричества. Материальный ущерб от пожара составил порядка 1 млн. рублей.
Пожар на электростанции г. Лабытнанги 08.08.2013 г. Возгорание произошло на газотурбинной установке мощностью 13 МВт. Несмотря на существующие резервные источники по энергетическим мощностям, отключение электроснабжения произошло во всем городе. В ликвидации пожара были задействованы 27 человек личного состава и 6 единиц спецтехники. Материальный ущерб от пожара составил порядка 1 млн. рублей.
Пожар на электростанции г. Нарьян-Мар 08.10.2014 г. Причиной аварии стало короткое замыкание и последующее загорание высоковольтной линии, вызвавшее сильное задымление в ячейке управления газотурбиной электростанции. Для ликвидации пожара электроснабжение было отключено. В зоне отключения оказались 26 тыс. человек.
Пожар на Западно-Сибирской ТЭЦ 07.03.2014 г. Причиной пожара стала аварийная ситуация, в результате которой произошел взрыв в районе бункеров угольной пыли и последующее горение. Пострадало 8 человек, один погибший. На время была прекращена подача тепла сразу в нескольких районах Новокузнецка. Материальный ущерб составил 3 млн. рублей.
Еще более опасными являются пожары на объектах атомной энергетики, масштабы таких аварий приводят к катастрофическим последствиям [128]. Наиболее показательными примерами являются аварии 26.04.1986 г. на Чернобыльской АЭС и 11.03.2011 г. на японской АЭС Фукусима-1 [84]. Рассмотренные пожары сопровождались взрывами и большими площадями горения, для их ликвидации потребовалось привлечение значительного количества сил и средств. Данные пожары привели к гибели людей. Пожары на энергетических объектах приводят к серьезному социально-экономическому резонансу, связанному с отключением электроснабжения, отопления и водоснабжения, а нередко и к экологической катастрофе, поэтому, как показывает практика, несмотря на то, что прямые ущербы от пожаров составляют крупные убытки, основные затраты определяются только после подсчета косвенных убытков, которые в разы могут превышать прямые [80].
Структуры построения сетей связи в системах обнаружения пожаров на объектах энергетики
Также современные БСОП обладают функцией постоянного сканирования работоспособности всей системы [106]. Поэтому объектовые ППКП в постоянном режиме (в интервале времени установленном производителем системы) сканируются и передают информацию по радиоканалу на РППД объекта, которые тоже сканируются и передают извещения на РППД диспетчеру ПСГ о состоянии системы с последующим квитированием извещений. В случае отказа передачи информации по всем возможным маршрутам передачи данных система информирует диспетчера ПСГ и представителей объекта о том, что от системы не была получена информация о ее состоянии, после чего принимают меры по восстановлению системы [58, 132].
При наличии сложной геометрии защищаемых помещений, строительных конструкций, а также сильных электромагнитных помех возможность функционирования БСОП необходимо проверять экспериментально (система должна иметь тестовый режим). Технические средства системы должны быть устойчивы к радиочастотному электромагнитному полю в диапазоне от 80 до 1000 МГц в соответствии с ГОСТ Р51317.4.3 «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к радиочастотному электромагнитному полю. Требования и методы испытаний» [21].
Согласно статистическим данным о пожарах, одной из основных причин их тяжелых последствий является неспособность имеющихся систем обнаружения пожаров передавать извещения о возгорании диспетчерам ПСГ, что приводит к увеличению времени сообщения о пожаре от 5 до 15 минут. Это связано с наличием человеческого фактора, так как зачастую тушение пожара осуществляется самостоятельно персоналом без вызова пожарно-спасательных подразделений, а когда потушить первичными средствами не удается и сотрудники объекта либо свидетели пожара передают сообщение диспетчеру ПСГ, то прибытие пожарно-спасательных подразделений осуществляется не своевременно. Позднее сообщение о пожаре приводит к гибели людей и большому материальному ущербу, а последующая ликвидация пожара значительно усложняется [46].
Анализ развития ряда крупных пожаров по материалам обзора МЧС России за 2005–2014 годы позволил обобщить статистические данные и вывести графическую зависимость объемов материального ущерба при пожаре от времени его свободного развития (см. рисунок 2.2).
Среднее время поступления извещения от персонала особо важных объектов на диспетчерский центр МЧС России с момента возникновения пожара составляет около 10 мин. Среднее время прибытия сил и средств подразделений МЧС России на тушение пожара в городах составляет до 10 мин., а по пожарам в сельской местности – до 20 мин. Таким образом, среднее время свободного горения при данных условиях составляет порядка 20 мин., а среднее время локализации пожара с момента его возгорания – около 45 мин.
Установлено, что после 15 минут свободного горения пожар набирает мощность, и материальный ущерб от него увеличивается в геометрической прогрессии, так как пожар распространяется на большие площади в связи с большим количеством пожарной нагрузки на данных объектах. Также зачастую включение СОУЭ, АУПТ и систем дымоудаления осуществляется персоналом объекта, что увеличивает риск гибели людей в связи с поздним временем объявления эвакуации и сосредоточением опасных факторов пожара [43].
Использование БСОП с автоматической передачей по радиоканалу сигнала о возгорании непосредственно диспетчеру ПСГ, без участия персонала объекта, даст возможность сократить (до 1 минуты) среднее время сообщения о пожаре и значительно уменьшить время свободного развития пожара от 10 до 15 мин. (см. рисунок 2.3).
Применение систем данного типа не позволит распространиться пожару на большие площади, благодаря своевременному оповещению и скорому прибытию пожарно-спасательных подразделений снизится риск гибели людей, а также значительно уменьшится материальный ущерб от возможного пожара [35].
Использование радиосвязи для функционирования БСОП с автоматической передачей извещений диспетчерам ПСГ и формированием сигнала на включение СОУЭ, АУПТ и систем дымоудаления является свершившимся фактом, поэтому данные системы активно применяются для обеспечения противопожарной защиты объектов с массовым пребыванием людей и особо важных объектов, отнесенных к классам функциональной пожарной опасности Ф1.1, Ф1.2, Ф4.1, Ф4.2 [44].
Согласно результатам анализа статистических данных систем обнаружения пожаров, представленного в первой главе, их низкие надежность, эффективность сети связи и помехоустойчивость приводят к тому, что пожар достигает крупных размеров и имеет тяжелые последствия. В этих системах основными каналами передачи данных являются общедоступные каналы связи, такие как проводные линии автоматической телефонной станции и менее используемые каналы связи GSM и Internet [106, 125]. Основными недостатками данных систем противопожарной защиты являются: – малые прочность и надежность проводных линий связи; – перегрузка линий проводной и сотовой связи, связанная как с днями проведения массовых праздников, например, в новогоднюю ночь, так и в случае возникновения массовой паники населения; – отключение всех перечисленных линий связи спецслужбами в случае противодействия террористическим актам и ликвидации последствий от них; – нарушение целостности объекта: при разрушении объекта, как следствие, происходит обрыв проводных линий связи; – человеческий фактор при проектировании, монтаже и эксплуатации систем противопожарной защиты. Согласно нормативной документации Министерства связи РФ, каналы связи общего пользования (линии АТС, GSM, Internet) допускают до 5 % несостоявшихся вызовов из-за технических неисправностей и перегрузки сети связи. Факторы, перечисленные выше, увеличивают данный показатель несостоявшихся вызовов в несколько раз. Все это обуславливает необходимость применения радиоканала для доставки сообщений с объекта энергетики, оснащенного БСОП с функцией автоматической передачи извещений, к диспетчеру ПСГ.
Разработка функционально-технологических моделей для определения надежности сети связи беспроводных систем обнаружения пожаров на основе принципов статической и динамической маршрутизации извещений
БСОП «ОКО-3» предназначена для организации централизованных систем сбора информации, систем централизованной охранной и пожарной сигнализации большого радиуса действия. На базе оборудования и программного обеспечения системы «ОКО-3» можно создавать системы централизованного мониторинга различного назначения на уровне предприятия, района, города, региона. БСОП «ОКО-3» предназначена для работы с различными каналами передачи данных, такими как радиоканал, телефонная сеть, сеть GSM, Ethernet. БСОП «ОКО» производится с 1997 года и успешно эксплуатируется более чем в 300 регионах России и странах СНГ. Последняя модификация системы передачи извещений «ОКО-3» обеспечивает совместимость с оборудованием всех предыдущих версий системы. Основным каналом обмена данными между составными частями системы является радиоканал. При работе по радиоканалу используются частотные диапазоны: 33–48 МГц, 146–174 МГц и 440–470 МГц. Возможности системы – это создание малых станций охранно-пожарного мониторинга на одном радиоканале с наращиваемой емкостью до 8000 объектов, а также создание централизованных и распределенных наращиваемых многоканальных систем охранно-пожарного и техногенного мониторинга емкостью до 64000 объектов. Структурная схема функционирования БСОП «ОКО-3» представлена на рисунке 2.12.
БСОП «Приток-А-Р» предназначена для организации централизованной охраны стационарных нетелефонизированных объектов по радиоканалу в диапазонах 136–174 МГц и 430–470 МГц. В подсистеме используется двусторонняя связь и постоянный контроль канала между пунктом централизованного наблюдения и объектами охраны. Максимальное количество охраняемых объектов на одной частоте составляет 7500. Зона уверенного приема – до 20 км, а при использовании радиоретрансляторов она увеличивается до 50 км (см. рисунок 2.13). Рисунок 2.13 – Структурная схема функционирования БСОП «Приток-А-Р» БСОП «Струна-3», «Струна-3М» предназначены для организации централизованной охраны и пожарной сигнализации нетелефонизированных объектов. Система работает по радиоканалу, что позволяет применять ее для организации охраны территориально рассредоточенных нетелефонизированных объектов, охраны мест временного хранения материальных ценностей, а также для оперативной замены вышедших из строя систем передачи извещений по телефонным каналам связи. Максимальная емкость пульта централизованного наблюдения составляет 8 радиоприемников. При использовании пункта централизованного наблюдения на 160 охраняемых объектов, один радиоприемник принимает сообщения от 20 объектовых блоков типа: ППКП «Струна-403»; ППКП «Струна-403-1»; ППКП «Струна-403-2»; ППКП «Струна-802». Система обеспечивает контроль состояния датчиков охранной, охранно-пожарной и пожарной сигнализации. Объектовое оборудование функционирует по радиоканалу на частоте 166,7–167,5 МГц, передача сообщений от объектового оборудования на пункт централизованного наблюдения осуществляется по радиоканалу на частотах 458,45–460,00 МГц и 468,45–469,00 МГц, а управление настройками ретранслятора возможно производить с пульта по радиоканалу. Структурная схема функционирования БСОП «Струна-3» представлена на рисунке 2.14 [97].
БСОП «Риф Стринг-202» предназначена для централизованной охраны территориально распределенных стационарных объектов с передачей пожарных извещений по радиоканалу. Для организации работы в диспетчерском центре ПСГ размещаются базовая станция, антенно-фидерное хозяйство и программное обеспечение. На охраняемых объектах устанавливаются контрольные панели с подключенными к ним передатчиками-коммуникаторами или ППКП со встроенным передатчиком. В состав системы с одним пультом может входить до 600 передатчиков. Количество передатчиков в системе можно увеличить добавлением дополнительных пультов и базовых станций. Система работает в выделенном диапазоне частот, называемом «частотным литером», в пределах разрешенной полосы 433,92 МГц ±0,2%. В одном городе или районе на разных частотных литерах одновременно может работать до 12 систем «Риф Стринг 202». Структурная схема функционирования БСОП «Риф Стринг-202» представлена на рисунке 2.15 [113]. В системе «Риф Стринг-202» применяется новейшая технология Hopping, разработанная инженерами компании «Альтоника» на основе принципа «прыгающих радиочастот», который используется в высоконадежных системах радиосвязи. В соответствии с этой технологией каждый выход в эфир объектовых передатчиков осуществляется на новой частоте из 1024 заранее запрограммированных радиочастот. Каждый передатчик имеет свой псевдослучайный алгоритм скачков радиочастоты, что позволяет увеличить защиту от помех. Дальность действия системы в городе составляет до 25 км, а на открытой местности – до 50 км.
Выбор оптимальной беспроводной системы обнаружения пожаров с использованием комплексной оценки функционирования БСОП на объектах энергетики
Чтобы устранить этот недостаток, сетевую топологию необходимо сделать, во-первых, многосвязной, то есть такой, чтобы радиосигналы могли передаваться по нескольким маршрутам, а во-вторых, динамической, чтобы выбор направления передачи радиосигнала осуществлялся не жестко, а в зависимости от условий радиосвязи в данный конкретный момент времени. При этом многосвязность топологии радиосистемы с динамической маршрутизацией предполагает возможность передачи радиосигналов между любой парой ППКП, а ее динамические свойства выражаются в анализе условий распространения сигналов и выборе наиболее выгодного пути их передачи (маршрутизации), как это представлено на рисунке 3.19.
В результате совершенствования алгоритмов функционирования, радиосистемы нового поколения приобрели возможность повышения уровня надежности, автоматической адаптации к изменениям условий эксплуатации, контроля работоспособности, увеличения эффективной информационной емкости, удобства проектирования и проведения пуско-наладочных работ за счет использования в устройствах функции динамической маршрутизации извещений [49, 115].
В первую очередь это связано с необходимостью выполнения правила безопасности: «в микропроцессорном устройстве одиночный отказ должен обнаруживаться с заданной вероятностью при рабочих и тестовых воздействиях не позднее, чем возникнет второй отказ». Проблема заключается в том, что сбои в передаче сигнала перестанут предупреждать нарушения в функционировании системы противопожарной защиты объекта. Данная ситуация недопустима тем более для объектов энергетики, возгорание на которых может стать причиной серьезных ЧС. Как известно, объекты энергетики в своем большинстве территориально разнесены, крупные ТЭЦ, ГЭС и т. п. образуют комплексы отдельно стоящих объектов, каждый из которых согласно «Правилам пожарной безопасности для энергетических предприятий» оснащен АУПС. Комплексы объектов обладают множеством РППД, передающих информацию о состоянии каждого из элементов объекта. Как говорилось ранее, современные БСОП, обладающие функцией динамической маршрутизации сигнала, преобладают над системами с функцией статической маршрутизации. В процессе работы радиосистемы вид ее полного графа может изменяться (изменяются условия ослабления радиосигнала, пользователь добавляет новые РППД, либо удаляет РППД и т.п.) (см. рисунок 3.20).
Каждый РППД непрерывно выполняет анализ сетевой топологии и отслеживает ее изменения. При принятии решения о необходимости прокладки нового маршрута РППД выполняет перестроение своего участка главного дерева, исходя из критерия определения кратчайшего пути к РППД ПСГ. Во избежание загрузки радиоэфира излишней информацией адаптация главного дерева к изменению топологии происходит только в случаях крайней необходимости. Если РППД удается успешно передавать необходимые радиосигналы к вышестоящим РППД, то изменение главного дерева не производится. Данная мера позволяет значительно снизить расходы беспроводного ресурса на передачу информации маршрутизации [33, 36].
Для формирования и разработки функционально-технологических моделей функционирования БСОП в работе смоделирована ситуация, связанная со сбоем передачи информации по основному маршруту радиосвязи. При данных условиях структуры построения односвязной топологии (по принципу статической маршрутизации извещений) и многосвязной топологии (по принципу динамической маршрутизации извещений) приводят в первом случае к отказу передачи извещения, а во втором случае - к переходу на резервный маршрут передачи данных. То есть нарушение передачи сигнала по основному маршруту радиосвязи может наступить, если на дискретном множестве моментов времени (/., ґ._1? ..., tk_x, tk) система совершает ошибку с вероятностями (qt, qt_x, ..., qk_„ qk) (см. рисунок 3.21) [3, 7, 8, 14, 70]. Рисунок 3.21 – Временная диаграмма нарушения передачи сигнала в процессе функционирования системы
В рамках исследования принято рассматривать самую незащищенную систему с динамической маршрутизацией извещений, которая включает в себя один основной маршрут доставки информации и только один резервный, что является редкостью (худший вариант развития событий) в современной системе с функцией динамической маршрутизацией извещений [56].
БСОП с односвязной топологией обозначена через 51, где любой единичный отказ в передаче сигнала приведет к выходу из строя всей системы, а система S2 имеет многосвязную структуру с идентичными маршрутами доставки информации, один из которых находится в «горячем резерве» [68].
Процесс, протекающий в системе S1 , рассмотрен как марковский случайный процесс с непрерывным временем и дискретными состояниями: 511 - маршрут доставки извещения исправен, пожара нет; 512 - маршрут доставки извещения неисправен, пожара нет; - маршрут доставки извещения исправен, произошел пожар; $14 - маршрут доставки извещения неисправен, произошел пожар. Состояния системы S1 представлены в виде графа состояний (см. рисунок 3.22) [5], где Лпож - интенсивность потока возникновения пожара на объектах энергетики, Яотк - интенсивность потока отказов в передаче извещений, все потоки отказов простейшие [15, 37, 51, 119].