Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор состояния исследований по разработке моделей и алгоритмов поддержки управления тушением пожаров в резервуарных парках 14
1.1. Анализ пожарной опасности резервуарных парков 14
1.2. Зарубежный и отечественный опыт создания систем обеспечения пожарной безопасности резервуарных парков 20
1.3. Тактические возможности пожарно–спасательных подразделений при тушении пожаров на основе применения робототехнических средств 26
1.4. Выводы о состоянии исследований по разработке моделей и алгоритмов поддержки управления тушением пожаров в пожаров в резервуарных парках. Постановка цели и задач исследования 42
Глава 2. Разработка моделей и алгоритмов поддержки управления тушением пожаров в резервуарных парках на основе применения робототехнических средств 44
2.1. Классификация и основные технические параметры робототехнических средств 44
2.2. Исходные данные для моделирования процессов поддержки управления тушением пожаров в резервуарных парках 48
2.3. Описание математической модели поддержки управления действиями пожарно–спасательных подразделений при тушении пожаров в резервуарных парках на основе применения робототехнических средств 62
2.4. Алгоритм управления тушением пожаров в резервуарных парках на основе применения робототехнических средств 86
2.5. Метод тушения пожаров в резервуарных парках с совестным использованием роботизированных и обычных мобильных средств пожаротушения с применением технологий термо–визуального мониторинга 90
2.6. Применение модели поддержки управления тушением пожара в
резервуарном парке (на примере линейной производственно–диспетчерской станции «Конда») 100
Глава 3. Организация поддержки управления пожарно– спасательными подразделениями при тушении пожаров в резервуарных парках на основе применения робототехнических средств 109
3.1. Условия применения мобильных робототехнических средств для тушения пожаров в резервуарных парках 109
3.2. Оценка потребности пожарно–спасательных подразделений в мобильных робототехнических средствах для тушения пожаров в резервуарных парках 114
3.3. Оценка эффективности применения мобильных робототехнических средств для тушения пожаров в резервуарных парках 125
Заключение 131
Список литературы 136
- Зарубежный и отечественный опыт создания систем обеспечения пожарной безопасности резервуарных парков
- Выводы о состоянии исследований по разработке моделей и алгоритмов поддержки управления тушением пожаров в пожаров в резервуарных парках. Постановка цели и задач исследования
- Алгоритм управления тушением пожаров в резервуарных парках на основе применения робототехнических средств
- Оценка потребности пожарно–спасательных подразделений в мобильных робототехнических средствах для тушения пожаров в резервуарных парках
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Наращивание объемов добычи и переработки нефти в рамках «Энергетической стратегии России на период до 2030г.», утвержденной распоряжением Правительства РФ от 13.11.2009 г. № 1715-р, предполагает формирование крупных производственных комплексов в традиционных районах нефтедобычи, активное освоение континентального шельфа арктических морей и северных территорий России. Это предполагает увеличение объемов существующих и создание новых резервуарных парков (далее - РП), используемых для хранения нефти и нефтепродуктов. Объемы современных резервуаров могут доходить до 100 тыс. м3 и более.
Анализ статистических данных о пожарах в резервуарах с нефтью и нефтепродуктами за последние десятилетия, показывает, что частота возникновения пожаров в расчете на один резервуар находится в пределах от 210-4 до 310-4 в год. При средней стоимости кубометра нефти марки Brent, по ценам на ноябрь 2015 года – 17,5 тыс. руб., а бензина АИ-95 – 38 тыс. руб., прямой ущерб от пожара одного резервуара может составлять порядка миллиарда рублей. Также, нельзя недооценивать возможный экологический вред, по оценкам специалистов, он может превышать прямой ущерб от пожара в 2 – 3 раза. И если в регионах с умеренным и тропическим климатом за 2 – 3 года возможно устранить вредные для природы последствия пожара, то в серверных широтах это потребует нескольких десятилетий.
По данным зарубежных исследований (например, проведённых британским центром The Major Hazard Incident Data Service) в РП мира крупные пожары, где линейные размеры зон действия поражающих факторов достигают сотен метров, происходят практически каждые два-три года. При этом отмечается тенденция к росту числа подобных пожаров, что связано с общим ростом числа РП в мире. Характерными примерами являются пожары в резер-вуарных парках Рязанского нефтеперерабатывающего завода (Россия, 2014 г.) и «БРСМ-Нафта» под Киевом (Украина, 2015 г.)
Тушение пожаров в РП является очень сложной задачей. Наблюдается тенденция к возрастанию числа пострадавших среди персонала, а также пожарных, участвующих в ликвидации пожаров в РП. Например, 2009 году на пожаре в РП «Конда» (Россия) в результате последовательных взрывов и выброса горящей нефти пострадало значительное число участников тушения пожара.
Несмотря на высокий уровень пожарной опасности хранилищ нефти и нефтепродуктов, для обеспечения рентабельности отрасли, необходимо дальнейшее повышение вместимости РП. Экономически наиболее выгодным путем является увеличение объемов единичных резервуаров, сокращение противопожарных разрывов для экономии занимаемого места в парковой застройке и снижения технологических затрат. Однако, в случае возгорания одного резервуара это может привести к каскадному развитию пожара и распространению его на весь РП в целом.
Разработка и совершенствование технических средств борьбы с пожарами в РП ведется параллельно с развитием нефтегазовой отрасли. Совер-
шенствуется пожарная техника - повышается мощность силовых установок, уровень защиты от опасных факторов пожара, производительность насосных установок и лафетных стволов. Но, тем не менее, ресурс повышения тактических возможностей пожарных подразделений за счет совершенствования существующей техники практически исчерпан. И основным сдерживающим фактором здесь является присутствие «человека-оператора», которого необходимо защитить от воздействия опасных факторов пожара, при этом, не создавая помех для управления техникой. К тому же повышение мощности и производительности технических средств пожаротушения предъявляет повышенные требования к скорости реакции «человека-оператора».
Наиболее перспективным решением в данной ситуации является замена традиционных методов пожаротушения, на наиболее опасных и ответственных участках ведения работ по тушению пожара, специализированными мобильными робототехническими средствами (далее - РТС). Использование РТС в комплексе с соответствующей системой дистанционного управления позволит снизить количество используемых трудовых и материальных ресурсов, экономические потери и экологический вред от пожаров в РП.
Интенсивное развитие РТС и их совместное использование с обычной (не роботизированной) пожарной техникой, говорит об актуальности и значимости развития технологий тушения с применением РТС. Это позволяет утверждать, что тушение пожаров в РП с использованием технологически новых средств противопожарной защиты, в том числе и на основе применения РТС, является актуальной и важной задачей для дальнейшего развития научных подходов к тактике тушения пожаров.
Степень разработанности темы. Вопросы исследований обеспечения пожарной безопасности РП рассмотрены в работах д.т.н. И. М. Абдурагимова (физико-химические основы развития и тушения пожаров), д.т.н.
A. Ф. Шароварникова (закономерности тушения горючих жидкостей), д.т.н.
B. П. Молчанова (пожарная безопасность объектов добычи нефти и газа),
к.т.н. О. М. Волкова (пожарная безопасность резервуаров с нефтепродуктами)
и других исследователей.
Формирование научных взглядов на организацию применения сил и средств при тушении пожаров в РП, осуществлены в работах к.т.н. Я.С. Повзика (пожарная тактика), к.т.н. И.Ф. Безродного (тушение пожаров нефти и нефтепродуктов в резервуарах), к.т.н. П. П. Девлишева, к.т.н. Н. М. Евтюшкина, к.т.н. В. М. Панарина, к.т.н. А. Н. Денисова (моделирование процесса использования сил и средств пожарных подразделений), д.т.н. Н. Н. Брушлинского, д.т.н. С. В. Соколова, д.т.н. А. В. Матюшина, д.т.н. А. А. Порошина (методология проектирования гарнизонов пожарной охраны, в различных постановках ее решения) и других исследователей.
В области применения РТС и геоинформационных систем (далее – ГИС) следует отметить работы д.т.н. С. Г. Цариченко (применение экстремальной робототехники на пожарах), д.т.н. Н. В. Северова (развитие и приме-
нение робототехники в чрезвычайных ситуациях) и д.т.н. С. Н. Терехина (системы позиционирования) и других исследователей.
Вопросы применения теории активных систем к решению проблем обеспечения безопасности социально-экономических систем рассмотренные в работах члена-корреспондента РАН, д.т.н. Д. А. Новикова и д.т.н. В. Н. Буркова.
Несмотря на полученные результаты в рассматриваемой предметной области, ряд задач остается нерешенными, к ним можно отнести следующее:
обеспечение необходимого уровня безопасности для личного состава пожарно-спасательных подразделений, работающего в зоне воздействия опасных факторов при тушении пожаров РП;
повышение эффективности действий пожарно-спасательных подразделений по тушению пожаров в РП за счет использования РТС;
оценка эффективности использования РТС при тушении пожаров.
В связи с этим целью исследования является – разработка моделей и алгоритмов поддержки управления тушением пожаров в РП на основе применения РТС.
Для достижения поставленной цели ставятся и решаются следующие задачи:
анализ пожарной опасности РП и воздействия поражающих факторов на людей при пожарах в РП;
исследование организации тушения пожаров в РП с использованием традиционных средств пожаротушения, а также на основе применения РТС;
разработка моделей и алгоритмов поддержки управления тушением пожаров в РП на основе применения РТС;
разработка методики тушения пожаров в РП с использованием РТС и технологий термо-визуального мониторинга;
оценка эффективности применения РТС при тушении пожаров в РП;
- определение потребности в РТС для тушения пожаров в РП.
Объект исследования - процесс организации управления тушением
пожаров в РП пожарно-спасательными подразделениями, оснащенными мобильными средствами пожаротушения и РТС.
Предмет исследования - модели и алгоритмы поддержки управления пожарно-спасательными подразделениями, оснащенными мобильными средствами пожаротушения и РТС при тушении пожаров в РП.
Методология и методы исследования – системный и структурный анализ, математическая статистика, в частности регрессионный и факторный анализы данных, теория сетей и графов, методы тактического планирования действий по тушению пожара, методы топологии.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
- сформулированы и обоснованы принципы применения РТС на пожа
рах в РП.
- разработана модель планирования действий пожарно-спасательных
подразделений при тушении пожаров в РП с применением РТС;
разработана модель тушения пожаров в РП с совместным использованием мобильных средств пожаротушения и РТС с применением технологий термо-визуального мониторинга;
разработана модель и алгоритм оценки эффективности решения задач управления при тушении пожаров в РП с использованием РТС;
разработаны методика определения потребности пожарно-спасательных подразделений в РТС и проведена соответствующая оценка этих потребностей по Российской Федерации;
разработано специальное программное обеспечение для расчетов параметров оперативно-тактических действий пожарно-спасательными подразделений при тушении пожаров.
Практическая значимость работы заключается в повышении эффективности действий пожарно-спасательных подразделений по тушению пожаров в РП за счет улучшения их тактических возможностей на основе совместного использования РТС и обычных мобильных средств пожаротушения.
Степень достоверности результатов и выводов обеспечивается применением современных методов исследования сложных функциональных систем, репрезентативностью исходных данных, полученных из официальных источников. Обоснованность научных положений и выводов диссертационного исследования доказана также положительным опытом использования результатов в деятельности Ситуационного центра ФГБУ ВНИИПО МЧС России, учебном процессе ФГБОУ ВПО «Академия ГПС МЧС России» при изучении дисциплин пожарно-тактического цикла, и в подразделениях по-жарно-спасательных гарнизонов Главных управлений МЧС России по Воронежской, Иркутской и Тульской областям.
Апробация и реализация результатов исследования.
Материалы диссертации докладывались на восьми международных и всероссийских научно-практических конференциях: IХX, ХX, ХXI, ХХII, ХХIV, ХХV, ХХVI , ХХVII (Москва, ВВЦ, 2007, 2008, 2009, 2010, 2013, 2014, 2015 гг.) и ХХIV (Балашиха, ВНИПИО, 2012 г.), международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы пожарной безопасности», на 1 и 2-й международных научно-практических конференциях «Проблемы техносферной безопасности» (Москва, Академия ГПС МЧС России, 2012, 2013 гг.), на конференции «Актуальные проблемы обеспечения безопасности в Российской Федерации.
Результаты исследований:
- используются при подготовке документации по предварительному
планированию действий по тушению пожаров в пожарно-спасательных гар
низонах Главных управлений МЧС России по Иркутской, Курской и Туль
ской областям;
- внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Академия ГПС МЧС Рос
сии» и ФГБОУ ДПО Учебный центр ФПС Воронежской области;
используются при оценке действий пожарно-спасательных подразделений при тушении пожаров в Ситуационном центре ФГБУ ВНИИПО МЧС России;
внедрены в «Методических рекомендациях по тактике применения наземных робототехнических средств при тушении пожаров» (утверждены МЧС России 17. 07. 2015 № 2-4-87-26) и направлены для практического применения в пожарно-спасательные гарнизоны (письмо от 23. 07. 2015 Исх. № 43 - 3501).
Положения, выносимые на защиту:
модель планирования действий пожарно-спасательных подразделений при тушении пожаров в РП с применением РТС;
модель тушения пожаров в РП с совместным применением мобильных средств пожаротушения и РТС с применением систем термо-визуального мониторинга;
модель и алгоритм оценки эффективности решения задач управления при тушении пожаров в РП с использованием РТС;
методика определения потребности пожарно-спасательных подразделений в РТС;
расчеты потребности пожарно-спасательных подразделений ФПС ГПС МЧС России в РТС;
специальное программное обеспечение для расчета параметров оперативно-тактических действий пожарно-спасательными подразделений при тушении пожаров.
Публикации. В процессе работы над диссертацией, опубликовано 20 печатных работ, из них 6 - в изданиях, рецензируемых ВАК России, 3 в журнале «Технологии техносферной безопасности» и 3 работы в научно-техническом журнале «Пожарная безопасность». Учебное пособие и методические рекомендации.
Разработаны специальные программные средства: «Оценка оперативно-тактических действий» (свидетельство о государственной регистрации от 24.06.14 №2014616432); «Совмещенный график» (свидетельство о государственной регистрации от 30.06.14 №2014616625).
Вклад автора в работы, выполненные в соавторстве, состоит в постановке проблемы и формализации задач исследования, разработке научно-методических и теоретических положений, а также непосредственном участии в создании математических моделей и алгоритмов, и проведении расчетов по ним. Все положения, излагаемые в статьях, являются едиными и неделимыми.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав,
заключения, списка литературы и приложений. Общий объём диссертации
составляет 183 страницы, из них 157 страниц основного текста, включая
42 рисунка, 11 таблиц, 3 приложения и список литературы из
Зарубежный и отечественный опыт создания систем обеспечения пожарной безопасности резервуарных парков
Рассмотрим наиболее характерные случаи пожаров в РП: 12 декабря 2005 года в Великобритании в районе города Хемел Хемп-стед (Hemel Hempstead) на нефтехранилище Bansfield, расположенном в 40 километрах к северу от Лондона последовательно произошло три взрыва с последующим пожаром. Разрушения наблюдались в радиусе 200 метров от эпицентра взрыва. Bansfield – пятое по величине нефтехранилище Великобритании, в котором содержится до 5 % всех нефтепродуктов страны. Оно обеспечивает нефтепродуктами юго–восток Англии, в том числе аэропорт Хитроу. Более 60 часов продолжалась борьба с огнем в 20 основных резервуарах с топливом. Пожарными израсходовано 250 тыс. литров пенообразователя. Данный инцидент стал самым масштабным в своем роде в послевоенной Европе [ 9].
22 августа 2009 года – в России в РП линейно производственно– диспетчерской станции «Конда» открытого акционерного общества «Сибнеф-тепровод» в Ханты–Мансийском автономном округе произошел пожар в резервуаре РВС–20000, дальнейшее развитие которого привело к взрыву соседнего РВС–20000, распространению горения по всей площади обвалования группы из шести резервуаров и частичному распространению горения за пределы обвалования. Взрывная волна и разлетающиеся части резервуара привели к резкому увеличению площади пожара, повреждению соседних резервуаров, гибели троих и травмированию четверых пожарных, полностью сгорели две пожарные автоцистерны. Тушение пожара продолжалось почти трое суток [ 3, 10]. 14 апреля 2012 года в египетском городе Суэц на нефтеперерабатывающем заводе компании Nasr Petroleum произошло возгорание автомобиля на технологической площадке. В результате чего воспламенились пары нефтепродуктов, что инициировало серию взрывов на производственном оборудовании, далее пожар распространился на резервуары с нефтью. На тушение пожара были привлечены все пожарные подразделения г. Суэц и близлежащих населенных пунктов, а также четыре военных самолета для сброса воды в зону горения. Тушение пожара продолжалось более двух суток. В общей сложности было задействовано более 600 чел. и 85 ед. техники, из них пожарных более 200 чел. и 50 ед. техники. До пожара завод производил почти треть потребляемого в Египте бензина и дизельного топлива, остановка работы завода оказало значительное негативное влияние на экономику страны [ 11].
25 августа 2012 года на крупнейшем в Венесуэле нефтеперерабатывающем заводе «Amuay» компании Petroleos de Venezuela SA в результате утечки газа произошло образование большого объема взрывоопасной газовоздушной смеси, после взрыва которой, возник пожар в РП. Для ликвидации пожара привлекались все пожарные подразделения штата Фалькон (исп.: Falcn), войсковые части и аварийные службы. Тушение пожара продолжалось более трех суток. В результате воздействия опасных факторов пожара погибло 54 чел. и пострадало более 100 чел., полностью уничтожено или повреждено более 200 зданий и сооружений. По экспертным оценкам, это не только крупнейшая техногенная катастрофа в истории Венесуэлы, но и самое масштабное чрезвычайное происшествие в мировой нефтегазовой индустрии за последние пятнадцать лет [ 12].
13 февраля 2014 года – в России в Рязанской области состав из 14 железнодорожных цистерн с нефтепродуктами самопроизвольно закатился на территорию Рязанского НПЗ, в результате чего произошел сход с рельсов цистерн, розлив нефтепродуктов и последующее горение на площади 12 тыс. м2. Действия пожарных осложнялись высокой температурой, сильным задымлением, угрозой взрыва и одновременным горением нефтепродуктов. Пожар распространился на РП, производственные здания и сооружения. В общей сложности тушение пожара продолжалось около двух суток [ 3, 13].
В работах [ 3, 4, 8, 14 – 16] статистика пожаров в РП обобщена за период с 1971 года. По статистике в РП на территории России и стран бывшего СССР ежегодно происходит порядка 12 пожаров. Практически все пожары тушатся с помощью мобильных средств пожаротушения, хотя многие резервуары оборудованы стационарными системами пожаротушения. Вероятность успешного срабатывания стационарной системы пожаротушения находится в пределах 0,518…0,648 [табл. Л.3, 17], и в этом случае пламенное горение длится не более 10–20 минут, что не приводит к значимому материальному ущербу и, как правило, по инициативе руководства предприятий этот инцидент не фиксируется в системе государственного статистического учета как пожар, т.е. реальное количество возгораний в РП по приближенным оценкам в 1,5–2 раза больше.
Как правило, пожар в резервуаре начинается с взрыва паровоздушной смеси. Образование взрывоопасных смесей внутри резервуара зависит от конструкции резервуара, физико–химических свойств обращающихся нефтепродуктов, технологического режима, климатических и др. условий. Пожар может возникнуть на дыхательной арматуре, в обваловании вследствие нарушения герметичности задвижек, фланцевых соединений, а также на плавающей крыше. Основными источниками воспламенения могут быть: огневые и ремонтные работы, искры электроустановок, разряды атмосферного или статического электричества, возгорание пирофорных отложений, или неосторожное обращение с огнем [ 18, 19].
В зависимости от силы взрыва крыша резервуара может быть отброшена полностью или частично подорвана и погружена в нефтепродукт с одной стороны резервуара. При этом образуются закрытые зоны, труднодоступные для подачи средств тушения, так называемые «карманы».
При пожарах наблюдались случаи деформации и разрушения надземной трубной обвязки, деформации и разрывы стенок резервуаров с выбро 19 сом нефтепродукта в обвалование и значительного увеличения масштабов пожаров. При свободном горении нефтепродукта в резервуаре в зоне горения температура достигает 1100–1200С, вследствие чего происходит, разогрев стенок выше уровня жидкости. При температуре 600С и более стенки сворачиваются внутрь емкости через 10–15 минут с начала горения.
На резервуарах с плавающей крышей при локальном воздействии пламени происходит разрушение герметизирующего затвора, а через один час, как правило, происходит полная потеря плавучести и затопление крыши.
Чем меньше время свободного развития пожара, тем меньше тепла накапливается в стенках резервуара и меньше толщина слоя прогревающихся жидкостей (влажная нефть, мазут) и тем легче потушить пожар. В идеальном случае было бы целесообразно потушить пожар в течение первых 5–10 минут после воспламенения. Эти требования должны выполняться при защите резервуаров автоматическими системами пожаротушения. Однако применявшиеся до последнего времени стационарные установки пожаротушения на основе пены средней кратности по многим причинам обладают крайне низкой эффективностью. Поэтому даже и при наличии стационарных установок для тушения развившихся пожаров в резервуарах применялись мобильные средства пожаротушения. В этом случае время свободного развития пожара увеличивается до одного, а то и нескольких часов [ 4, 5, 18, 19].
Установлено, что наиболее интенсивно пожарные подразделения работают в зимний период, средняя продолжительность тушения зимнего пожара в резервуаре равна 8,46 ч., в то время как осенью – 6,56 ч., летом – 5,43 ч., весной – 6,69 ч [ 14, 19].
Выводы о состоянии исследований по разработке моделей и алгоритмов поддержки управления тушением пожаров в пожаров в резервуарных парках. Постановка цели и задач исследования
Исходные данные для построения математических моделей поддержки управления тушением пожаров в резервуарных парках хранения нефти и нефтепродуктов на основе применения РТС были получены в результате анализа описаний пожаров [ 3, 112, 117], описаний применения РТС на пожарах, пожарно–тактических учениях, при ликвидации последствий стихийных бедствий и чрезвычайных ситуаций [ 108, 109, 118]. Основным источником статистических данных послужила государственная информационная система «Федеральный банк данных «Пожары» [ 119]. Для повышения объективности исследования и сравнительного анализа в исходный набор данных были включены дополнительные выборки по пожарам надземных объектов хранения каменного угля и крупных объектов деревообрабатывающей промышленности, произошедшие в течение периода с 2009 по 2014 год. В силу того, что процессы развития и организации тушения крупных пожаров на данных объектах, а также масштабы социально– экономических потерь во многом идентичны.
В зависимости от количества ресурсов, требуемых для локализации пожара на рассматриваемых предприятиях все пожары можно классифицировать в соответствии со схемой, предложенной к. т. н. В. М. Панари-ным [ 68], которая была доработана в исследовании [ 106] и представлена в виде диаграммы на рисунке 2.1. Для анализа были отобраны случаи пожаров, относящиеся к области 2 схемы, это 142 пожара произошедших в РП из более чем 600 пожаров, зарегистрированных за пятилетний период, для наземных объектов хранения каменного угля – 50 из 126 и для объектов деревообработки – 248 из 830 [ 3, 112, 118].
Методами многомерного анализа [ 82, 120] были исследованы пожары по следующим 30 статистическим показателям: регион Российской Федерации (использован как качественный признак для группирования данных – далее по тексту подобные статистические показатели далее по тексту помечены знаком – #); дата пожара, месяц; вид пожарной охраны объекта #; место возникновения пожара #; источник зажигания #; причина пожара #; расстояние от пожарного депо до места пожара, км.; количество пострадавших людей и отдельно работников пожарной охраны, чел.; прямой ущерб от пожара, млн. руб.; сумма поврежденной и уничтоженной пожаром площади зданий, сооружений и открытых территорий, м2; количество сгоревших строений и автотракторной техники, ед.; время прибытия пожарного подразделения, мин.; условия развития пожара #; вид пожарного подразделения #; количество пожарной техники (ед.) и подаваемых стволов, ед.; численность личного состава, чел.; вид ОТВ #; использование средств индивидуальной защиты органов дыхания и зрения (далее – СИЗОД) #; водоисточники #; работа автоматических установок пожаротушения (далее – АУП) #; РТП (первый, прибывший к месту вызова) #; РТП (старший по оперативной должности) #; штаб пожаротушения #. И в том числе показатели, полученные расчетными методами – продолжительность периодов времени (мин.) свободного горения, локализации и ликвидации пожара и общий расход огнетушащих веществ.
Условные обозначения на диаграмме, представленной на рисунке 2.1 Pтр и Pф – требуемое и фактическое количество ресурсов для локализации пожара; 1 – область, в которой, несмотря на вводимые силы и средства пожар продолжает развиваться; 2 – область, в которой пожар находится на грани перехода в неконтролируемое состояние; 3 – область, в которой пожар может быть потушен только с использованием мобильной пожарной техники; 4 – область, в которой пожар может быть потушен средствами пожарной автоматики, персоналом объекта и т. п.
Начальный массив данных {X} характеризующих обстоятельства развития и тушения пожаров на объектах ТЭК был сжат без существенной потери информации с использованием методов факторного анализа [ 120] в соответствии с выражением ( 2.1). X = Q x Y + U, (2.1) где: Q - матрица Q(1 : р, 1 : п) факторные нагрузки, определяющие линейную связь между признаками и обобщенными показателями (гиперпараметрами); X - матрица исходных параметров Х(1 : р, 1 : п), в которой p – количество параметров, n – количество (пожаров) строк матрицы; Y – матрица Y(1 : p ,1 : n), содержащая общие (не наблюдаемые на практике) факторы, которые по существу являются обобщенными показателями или индексами, характеризующими наиболее общие свойства анализируемого объекта; U – матрица U(1 : p , 1 : n), состоящая из остаточных факторов (невязок), которые включают в себя в основном ошибки измерений показателей.
Путем линейного преобразования размерность исходного факторного пространства X(1 : p) уменьшена до уровня Y(1 : p ), при этом p p. Это соответствует преобразованию точки, характеризующей состояние объекта в p–мерном пространстве, в новое пространство измерений с меньшей размерностью p .
Для корректного сопоставления статистических данных измеряемых по различным шкалам и единицам измерения производилась нормализация показателей по следующей формуле где – среднее значение показателя yij; si – стандартное отклонение показателя yij . Для бльшего выделения факторов дополнительно проведено вращение факторного пространства, максимизирующего дисперсию, в данном случае использован метод «варимакс нормализованных показателей» [ 120, 123].
Критерий «каменистой осыпи» на рисунке 2.2 показывает значимость полученных в результате факторного анализа индексов. Как показывает «каменистой осыпи», наибольшее значение имеют первые два индекса, однако при этом значения остальных восьми индексов также превышают единицу, что свидетельствует об их значимости. Если бы удалось получить набор индексов, у которых суммарная доля первых двух–трех превышала 80 %, то они могли бы полностью охарактеризовать весь анализируемый процесс. В данном случае видно, что обстоятельства развития и тушения пожаров на объектах ТЭК зависят не менее чем от десяти обобщенных показателей (индексов).
Наиболее значимые индексы, полученные в результате факторного анализа, и соответствующий им факторный вес (r) приведены в таблице 2.2. Вес рассчитан как сумма значений коэффициентов корреляции, полученных после вращения факторного пространства. В зависимости от показателей, содержащихся в индексе, можно присвоить ему наиболее подходящее название. Например, первый индекс из таблицы содержит четыре показателя (количество пожарной техники, численность личного состава, количество стволов и расход огнетушащих веществ) и поэтому может быть назван «Действия сил противопожарной службы», и т. д. для остальных показателей [ 121].
Алгоритм управления тушением пожаров в резервуарных парках на основе применения робототехнических средств
Начиная с конца 2000 годов, на вооружение пожарно–спасательных подразделений МЧС России поставляются специальные пожарные автомобили, обеспечивающие подачу огнетушащих веществ в больших объемах. Например, насосно–рукавные комплексы НРК «Поток» и КНРМ 350– 1,5/300 «Шквал». Производительность насосных установок данных автомобилей может достигать 350 лс-1. Эти технологически новые автомобили хорошо зарекомендовали себя на природных пожарах на Европейской части Российской Федерации в 2010 году, а также при ликвидации последствий других чрезвычайных ситуаций [ 157].
Для подачи огнетушащих средств в очаг пожара с большим расходом (Q, лс-1) используются высокопроизводительные лафетные стволы. Кроме переносных лафетных стволов типа ПЛС–20, входящих в комплектацию пожарных автоцистерн общего применения, широко используются переносные лафетные стволы ЛС–С60 (Qmax = 60 лс-1), CROSSFIRE (Qmax = 78 лс-1), применяются модели лафетных стволов производительностью более 100 лс-
Повышение расходов огнетушащих средств, подаваемых в зону горения, связано с необходимостью увеличения эффективности тушения пожара. Вместе с тем, нежелательные потери огнетушащих веществ при Q 100 лс-1 возникающие в результате неточного попадания водяных струй в очаг пожара и несогласованных действий пожарных расчетов приводят к огромным материальным потерям. Кроме того, химически активные добавки, присутствующие в огнетушащих веществах наносят существенный вред экологии. В целях обеспечения необходимой точности подачи огнетушащих веществ и минимизации излишних проливов разработан метод тушения пожаров с применением технологий термо–визуального мониторинга (далее – ТВМ). Суть метода ТВМ заключается в том, что обстановка в районе проведения действий по тушению пожара и особенно в зоне горения постоянно контролируется специальными техническими средствами в видимом и инфракрасном диапазонах. В общем виде способ применения ТВМ на пожаре показан на рисунке 2.20.
Расположение «слепых зон»: 1 – для РТС (7); 2 – для транслятора (5); 3 – для БПЛА (4);6 – резервуар с горящим нефтепродуктом; 5 – транслятор, смонтированный на молниеотводе; индексы h, соответственно: р – высота стенки резервуара, в – высота взлива нефтепродукта, к – высота расположения транслятора Традиционно на пожарах обстановка контролируется визуально (возможно с использованием тепловизоров) участниками тушения пожара и далее информация о ней непосредственно или по радиосвязи передается РТП. В случае незначительно масштаба пожара это вполне эффективный и надежный способ организации обмена информацией. Недостатки данного способа связаны с возможными задержками прохождения сообщений от источника к РТП, низкой степенью структуризации информации, влиянием субъективных ощущений наблюдателя, наличием «слепых зон» (см. рисунок 2.20) – не просматриваемых обычными средствами в силу различных обстоятельств, техническими сбоями радиосвязи и т.д. С увеличением масштабов пожара и количества привлеченных сил, уровень влияния перечисленных недостатков возрастает по экспоненте.
Для снижения влияния недостатков в процессе обмена информацией в крупных гарнизонах, например, в г. Москве, при тушении пожаров по-жарно–спасательными подразделениям используется несколько специально выделенных радиочастот.
Использование РТС и ТВМ, в отличие от других технических средств пожаротушения требует корректировки традиционно применяемых на пожарах схем оперативного управления силами и средствами. В особенности это касается схемы обмена информацией между участниками тушения пожара, администрацией объекта пожара и др.
Всех участников тушения пожара и другие объекты, используемые для целей пожаротушения, задействованные в работе системы ТВМ, по уровню предоставляемого доступа к информации об обстановке в районе проведения действий по тушению пожара можно условно отнести к трем уровням, показанным на рисунке 2.21. Рисунок 2.21 – Схема распределения основных потоков информации ЦУ РТС – центр управления РТС; Ш – штаб пожаротушения и соответствующая структура оперативного управления. Стрелка с изломом обозначает информацию, передаваемую посредством радиосвязи, прямая стрелка – информация, передаваемая непосредственно. Уровень доступа определяется в зависимости от полноты информации о событиях, происходящих в районе проведения действий по тушению пожара и времени ее прохождения от источника к получателю. При этом возможно принятие во внимание и других свойств информации – достоверности, актуальности, полезности и др.
В случаях, когда используется традиционная схема организации обмена информацией, без применения средств ТВМ, к первому уровню относится только РТП. Ко второму уровню относятся другие участники тушения пожара, а также органы оперативного управления пожарно– спасательного гарнизона (ЦППС, ЦУСС и др.). Все остальные, каким–либо образом причастные к пожару, условно относятся к третьему уровню.
Всю первичную информацию о развитии обстановки в зоне горения, получает РТП при помощи всех доступных средств. Непосредственным наблюдением, а также посредством информации, поступающей от других участников тушения пожара и технических средств наблюдения и контроля. Данный способ получения информации используется в настоящее время на всех без исключения пожарах.
При использовании системы ТВМ в первый уровень схемы обмена информацией, приведенную на рисунке 2.21, дополнительно включается ГНС. В данном случае ГНС представляет собой информационную систему, совмещающую в себе все средства технического контроля за обстановкой на пожаре, объединенные в единую информационную сеть. Задача ГНС состоит в обработке поступающей информации и дополнении ее сведениями о положении на местности контролируемых объектов (техники, людей, положения и размеров зоны горения и др.)
Средства видеонаблюдения, приборы для контроля зоны горения в инфракрасном диапазоне, трансляторы и другие необходимые технические устройства заблаговременно размещаются на территории РП. Также, если позволяют технические возможности, задействуются системы охранной, пожарной и производственной автоматики РП. И, кроме того, в обязательном порядке используются мобильные приборы контроля, монтируемые на пожарной технике, РТС, беспилотных летательных аппаратах, переносных стойках и т.д.
Объекты, отнесенные ко второму уровню (Рисунок 2.21) получают только часть информации необходимую для выполнения возложенных на них обязанностей. Объект, обозначенный на схеме литерой «Ш» представляет собой штаб пожаротушения и всю структуру оперативного управления, создаваемую на пожаре. Структура оперативного управления (Ш) в различных вариациях используется в настоящее время при тушении всех пожаров.
На незначительных по размерам пожарах РТП может единолично руководить всеми действиями на месте тушения пожара. В случаях, когда пожар развивается до значительных масштабов и для его ликвидации необходимо привлечение большого количества сил и средств противопожарной службы, то для обеспечения необходимого уровня управления подразделениями РТП создает дополнительные нештатные структуры управления. Предполагается, что РТС будут применяться только на крупномасштабных пожарах в РП. И поэтому в структуре управления на пожаре в обязательном порядке будут присутствовать штаб пожаротушения и ЦУ–РТС.
Оценка потребности пожарно–спасательных подразделений в мобильных робототехнических средствах для тушения пожаров в резервуарных парках
Исследования показали, что повышенная пожарная опасность РП обусловлена большим удельным объемом взрывопожароопасных веществ, приходящихся на единицу площади территории РП. Данный показатель кратно превышает аналогичный показатель для большинства других производств. Поэтому тушение пожаров в РП является наиболее сложной задачей, по сравнению с другими объектами защиты. Уровень сложности пожаротушения, постоянно возрастает, что связано с повышением общей вместимости РП, сокращением противопожарных разрывов между резервуарами и другими мероприятиями, проводимыми в целях повышения экономической эффективности предприятий.
По результатам анализа выявлены достоинства и недостатки существующих научно–методических подходов по поддержке управления по-жарно–спасательными подразделениями при тушении пожаров в РП и обеспечению безопасных условий работы для пожарных, а также способов подачи огнетушащих средств в зону горения навесными струями.
Предложены пути совершенствования данных научно–методических подходов. В частности, сформулирована и обоснована математическая модель применения РТС на пожарах в РП. Модель включает в себя следующее: структурное описание факторов, влияющих на показатели эффективности действий пожарно–спасательных подразделений; алгоритм действий пожарно–спасательных подразделений при тушении пожаров в РП с применением РТС, а также методы дистанционного контроля параметров зоны горения.
Предложена новая методика поддержки управления группировкой пожарных подразделений, совместно использующих обычные технические средства и РТС, основанная на оценке показателей трудоемкости выполняемых работ, а также технологических возможностей систем локального позиционирования и ТВМ. Разработаны математические модели и алгоритмы, позволяющие осуществлять принятие и поддержку оптимальных управленческих решений в процессе предварительного планирования оперативно– тактических действий по тушению пожаров в РП. К ним относятся: – математическая модель и алгоритм определения состава факторов и степени их влияния на показатели эффективности оперативно–тактических действий пожарно–спасательных подразделений; – математическая модель и алгоритм определения рациональной последовательности оперативно–тактических действий и маршрутов передвижения сил и средств пожарно–спасательных подразделений; – математическая модель и алгоритм определения оптимального состава тактических группировок пожарно–спасательных подразделений, оснащенных РТС с учетом возможностей их транспортировки различными способами, в том числе и с привлечением средствами аэромобильной группировки МЧС России.
Помимо этого, определены условия применения робототехники для тушения пожаров в РП на основе схемы причинно–следственных связей и влияющих факторов, позволяющих определить круг задач, для решения которых наиболее целесообразно использовать конкретные виды РТС или различные сочетания роботизированной, обычной пожарной техники и личного состава пожарно–спасательных подразделений.
Разработаны математические модели, описывающие зависимости времени выполнения действий пожарно–спасательными подразделениями при воздействии разнообразных внешних и внутренних факторов. Количество, виды и степень влияния факторов определены по результатам экспериментов. В расчётных формулах степень влияния факторов представляется в виде соответствующих поправочных коэффициентов. Методами регрессионного анализа получены функциональные зависимости для всех допустимых значений этих коэффициентов. Для их вычисления в практических условиях разработана компьютерная программа «Оценка оперативно–тактических действий» и получено Свидетельство о государственной регистрации от 24.06.14 № 2014616432. Выявлено восемь обобщенных показателей (индексов) оказывающих значительное влияние на действия пожарно–спасательных подразделений при тушении пожаров в РП. Ведущими являются индексы, включающие в себя такие показатели: количество пожарной техники; численность личного состава; количество стволов; расход огнетушащих веществ. Следующим по значимости является индекс, включающий показатели: время прибытия и время свободного горения.
С использованием предложенной методики выполнены сравнительные расчеты показателей времени и трудозатрат на тушение пожара в РП «Конда» Ханты–Мансийского автономного округа. Расчеты показали, что для тушения пожара одного резервуара РВС–20 000 с использованием обычной техники требуется присутствие на участках тушения не менее 56 пожарных. Применение РТС позволяет уменьшить количество пожарных на 18 человек (или на 15%), с учетом замены пожарных роботами на самых сложных и опасных участках ведения действий по тушению пожара.
Разработан метод оценки потребности пожарно–спасательных подразделений в РТС. Данный подход позволяет формировать тактические группировки с учетом географического положения РП и пожарно– спасательных подразделений на территории Российской Федерации. Научная основа метода состоит в том, что пожарно–спасательные подразделения представляются узлами графа, а связи между узлами определяются значениями расстояний между ними. С учетом возможностей транспортировки РТС к месту вызова, в том числе и с привлечением аэромобильной группировки МЧС России, с использованием алгоритма Брона – Кербоша определяется некоторое подмножество вершин исходного графа, таких, что любые две вершины этого подмножества соединены ребром. Что позволяет оптимизировать маршруты следования к месту пожара и снизить эксплуатационные затраты на РТС за счет уменьшения общего количества единиц техники. Такой подход обеспечивает возможности оперативного перемещения РТС из пожарно–спасательных подразделений.