CC BY
6
УДК 614.842.42
АНАЛИЗ И РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ ОПОВЕЩЕНИЯ И ЭВАКУАЦИИ ЛЮДЕЙ ПРИ ПОЖАРЕ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ СТРУКТУРНЫХ ПОСТРОЕНИЙ
О. В. КОЧНОВ1, М. А. КОЛБАШОВ2, С. А. САВЧЕНКО3, В. Н. КНЯЗЕВ3, М. А. ХАКИМОВ2
1
Группа компаний «ESCORT», Российская Федерация, г. Москва 2 Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново 3 Дальневосточная пожарно-спасательная академия - филиал Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Владивосток, о. Русский E-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
В статье показан способ расчета вероятности безотказной работы (ВБР) СОУЭ и приведены примеры расчета ВБР различных структурных построений речевых СОУЭ, применяемых на реальных объектах защиты.
Ключевые слова: система оповещения, учет и оптимизация структурного построения системы противопожарной защиты (СПЗ), минимизация величины индивидуального пожарного риска, расчет коэффициента соответствия СПЗ, вероятность эффективного срабатывания, вероятность безотказной работы СОУЭ.
ANALYSIS AND CALCULATION OF THE RELIABILITY OF PEOPLE ALERT AND EVACUATION SYSTEMS IN FIRE FOR VARIOUS STRUCTURAL BUILDINGS
O. V. KOCHNOV1, M. A. KOLBASHOV2, S. A. SAVCHENKO3, V. N. KNYAZEV3, M. A. KHAKIMOV2
Group of companies «ESCORT», Russian Federation, Moscow Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education
«Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo Far Eastern Fire and Rescue Academy - a branch of St. Petersburg University of the State Fire
Service of the Russian Ministry of Emergency Situations Far Eastern Fire and Rescue Academy,
Russian Federation, Vladivostok, Russky Island E-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
The article shows a method for calculating the probability of failure-free operation (PFO) of a SOUE and provides examples of calculating the PFO of various structural structures of speech SOUE used at real protection objects.
Key words: warning system, accounting and optimization of the structural design of the fire protection system (FPS), minimizing the amount of individual fire risk, calculating the FPS compliance coefficient, probability of effective operation, probability of failure-free operation of the fire protection system.
Введение
При учете надежности системы оповещения и управления эвакуацией людей (СОУЭ) следует выделять два ее аспекта -надежность элементов, определяемую на этапе производства, и структурную надежность, определяемую на этапе проектирования. При этом, теоретическая оценка надежности в виде коэффициента оперативной готовности явля-
© Кочнов О. В., Колбашов М. А., Савченко С. А., Князев В. Н., Хакимов М. А., 2023
ется не пригодной для оценки работоспособности, для которой гораздо лучше подойдет, например, коэффициент технической эффективности1 или коэффициент сохранения эффективности, как степень влияния отказов элементов объекта на эффективность его применения по назначению. В основе каждого из этих коэффициентов лежит надежность технических средств.
1 ГОСТ 27.002-2015. Надежность в технике. Терми-
ны и определения.
Опуская технические выкладки, приведем два примера оценки надежности систем оповещения. В первом примере - проанализируем и сравним надежность различных структурных построений (схем), во втором - сравним две различные топологии.
Сравним надежность двух систем, транслирующих речевые сообщения на расстояние от одного до двадцати километров. В качестве анализируемой системы выберем российскую цифроаналоговую проводную систему оповещения ROXTON-8000. В качестве второй - гипотетическую, назовем ее исследуемой - цифровую систему оповещения. Выбор в качестве анализируемой системы ROXTON-8000, обусловлен доступностью информации о
структуре цифровых и цифроаналоговых трактов, предоставленной компанией ООО «Рок-стон Системы»2. Рассмотрим схему - рис. 1.
Цифроаналоговая система ROXTON 8000 имеет возможность трансляции аналоговой информации по 3-м аудио каналам - от блоков управления PS-8208/AP-8264 (на схеме - контроллер), до 64-х терминальных усилителей RA-8236/RP-8264/PA-8424/PA-8450 (на схеме - усилитель), каждый из которых представляет собой 8-ми зонную систему. Данная система обладает средствами по значительному увеличению максимальной протяженности линий связи, за счет приборов оптического преобразования ROXTON FA-8130 и ROXTON FB8131 (рис. 2).
Рис.1. Упрощенная схема функционирования централизованной системы оповещения
ROXTON-8000 (1 км дальности).
Рис. 2. Упрощенная схема функционирования централизованной системы оповещения ROXTON-8000 с использование оптических преобразователей (дальность 20км).2
2 ГОСТ Р 59639-2021 Системы оповещения и управления эвакуацией людей при пожаре. Руководство по проектированию, монтажу, техническому обслуживанию и ремонту. Методы испытаний на работоспособность
На рис. 3 представлена гипотетическая (возможная) схема функционирования полностью цифровой, распределенной (децентрализованной) системы оповещения (для дальностей 1 км / 20км).
Анализ и сравнение данных систем будет проводиться исходя из следующих допущений и ограничений:
- для цифро-аналогового решения максимальная протяженность линии связи -1000 метров (это максимально допустимая длина линии для единой шины данных интерфейса RS-485 без использования дополнительного оборудования);
- для увеличения максимальной протяженности линии связи до 20 км, доступной для цифроаналоговой системы ROXTON 8000
используется пара оптических преобразователей (FA-8142 / FA-8143);
- для цифровых реализаций, максимально допустимая (в сетях Ethernet) протяженность линии связи (при использовании медных проводов) - 100 метров;
- в цифровой системе, для построения кольцевой линии связи и оповещения, использующей соответствующее количество последовательно подключенных коммутаторов Ethernet, первый и последний из них объединяются линией связи (ЛС) в кольцо. Количество коммутаторов для цифровой схемы (рис. 3) выбирается из расчета: один коммутатор на 100 метров. При объединении в кольцо это число удваивается.
Рис. 3. Упрощенная схема функционирования централизованной системы оповещения Р0ХТ0Ы-8000
(дальность 1км / 20км).
С целью прогнозирования безотказности проведем анализ работоспособности данных систем. Расчет будет проводиться при следующих допущениях и приближениях:
- закон распределения (наработки на отказ) элементов (блоков), из которых строятся (восстанавливаемые) системы - экспоненциальный (при постоянной, устоявшейся интенсивности отказов Л);
- возникновение отказа в любом из блоков системы не оказывает влияния на работу другого блока. При этом, последовательное включение блоков системы означает, что отказ любого из них приводит к отказу системы в целом;
- в качестве исходных данных приняты табличные значения для максимальной нагрузки.
Результаты исследования
Расчет будем вести по формуле:
Р(t) = КТ ■ РВБР (t) + ( 1 - К) ■ Рв(t) ■ Рвбр(t - ¿экс) - (1)
где - коэффициент готовности системы;
рВБР ( :) - вероятность безотказной работы (ВБР) системы к моменту времени 1; рВБР (:) - вероятность восстановления системы; Рвбр ( : - ^экс) - вероятность безотказной работы (ВБР) системы в оставшееся до завершения срока эксплуатации :экс время при -1 , Р ( 0 = Рв БР ( 0 .
Каждый элемент сравниваемых систем будем считать важным, поэтому расчет результирующей надежности осуществляется как для последовательной схемы (за исключением вариантов резервирования и дублирования) в виде произведения вероятностей, Р, и суммы интенсивностей отказов п элементов с интен-сивностями отказов Я,:
Р (:) = П (е~^= Л) ■ (2)
I
Расчет будем вести по упрощенной модели (как для не обслуживаемых систем, что для задачи сравнения вполне корректно). В качестве входных параметров для сравнительного расчета примем следующие интенсивности отказов (таблица).
Таблица. Интенсивность отказов СОУЭ
Функциональный элемент Обозначение в расчетах, Л Максимальная интенсивность отказов, Л, x 10-6 1/ч
ПЗУ (энерго-независимая память) Ai 0,10
Микроконтроллер / Микропроцессор Л2 0,23
ЦАП / АЦП / Оптический преобразователь Лз 0,43
Приемопередатчики RS-485/ Ethernet Л4 0,23
Аналоговые мультиплексоры / демультиплексоры Л5 0,28
Транзисторы кремниевые мощные (1 пара) Лб 0,40
Трансформатор выходной Л7 0,72
Трансформатор питания Лв 0,35
Реле электромагнитные общего применения (из расчета на две контактные группы при максимальном токе) Лд 0,25
Соединительный зажим (клеммный узел из расчета на одноконтактное соединение под пайку) Л10 0,062
Провод монтажный (на каждый метр длины) Л11 0,00127
Волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС), из расчета 8,22-12,95 х 10-6 1/ч (на 1 км длины) Л12 0,1
Примечание: Часть информации в таблице предоставлена разработчиком . Указанные параметры соответствуют данным4, [1], рассчитанным для максимальных нагрузок. Информация об интенсивности отказов ВОЛС взята из 5 Надежностью
1) Расчет для первой схемы. Рассмотрим рис. 1 и рассчитаем надежность контроллера:
обвеса: резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности в данной задаче мы пренебрегли, так как речь идет не об абсолютном, а о сравнительном (примерном) порядке надежности.
PK(t) = EXP(-t(16110 + ЮООЯц) = EXP(—t ■ 1,27 ■ 1(Г6).
Рассчитаем надежность усилителя:
Рус(0 = EXP(-t(X3 + Я4 + Я5 + Я6 + Х7 + Я8 + 8Я9) = EXP(—t ■ 4,41 ■ 10"6).
Тогда результирующая надежность данного решения может составить:
Рг(t) = PK (0 "Рус (О-Рлс (О ■ (3)
3 Пожары и пожарная опасность: Статистические сборники. Министерство РФ по делам ГО и ЧС. М.: ФГБУ ВНИ-ИПО МЧС РФ 2012-2021 гг.
4 Пожары и пожарная опасность: Статистические сборники. Министерство РФ по делам ГО и ЧС. М.: ФГБУ ВНИ-ИПО МЧС РФ 2012-2021 гг.
5 Мухамедзянов М.С. Расчет надежности ВОЛС, г. Екатеринбург, Уральский государственный университет путей сообщения (https://mydocx.ru/2-106704.html).
2) Расчет для второй схемы. Рассмотрим рис. 2 и рассчитаем надежность одного оптического приемо-передатчика. При работе с
оптической линией связи используются сдвоенные АЦП/ЦАП преобразователи с Л=2х0,43=0,8, тогда:
PnP(t) = EXP(-t(X2 + 5Я3 + Я4 + Л5) = EXP(-t ■ 2,89 ■ 10"6).
Рассчитаем надежность ЛС (для контактного разъема, примем, Л=4хЛ10, см. таблицу):
¿волс(0 = EXP(-t(4Я10 + 20Я12) = EXP(-t ■ 2,248 ■ 10"6).
Тогда результирующую надежность данного решения можно построить, как:
P2(t) = Рк(0 " <Лр(0)2 ■ Рус (О ■ ^волс (О
(4)
Рассчитаем надежность блока управ-
3) Расчет для третьей схемы. Рассмотрим рис.3 и проанализируем его с позиций по- ления: строения проводной - цифровой ЛС 1 км и оптической ЛС - 20 км.
РБУ(0 = ¿'ХРС-^С^ + Я2 + Я4) = ЯХРС-^ ■ 0,56 ■ 10"6).
Рассчитаем надежность приемника-усилителя:
РПу(0 = ЕХР{-г(Х2 + Я3 + Я4 + Я6 + Я7 + Я8 + 8Хд) = ЕХР(-г ■ 4,36 ■ 1(Г6).
Рассчитаем надежность цифровой километровой линии из расчета - один коммута-
тор на каждые 100 м. Для каждого из коммутаторов примем: Л=0,43:
^цлс 1 (0 = EXP(-t ■ (9 ■ (8Я10 + лз) + ЮООАц) = EXP(-t ■ 9,6 ■ 10"6).
ГЦЛС1
Рассчитаем надежность оптической линии из расчета пара коммутаторов на 20 км:
¿волс2(0 = EXP(—t ■ (6 ■ 4Я10 + 2Х3 + 20Я12) = EXP{-t ■ 3,918 ■ 10"6).
Построим надежности данного решения для 1 км (Р3) и 20 км (Р4):
P4(t) = РБу(0 ■ РпуОО ■ Рволс2(0-
(5)
(6)
Результаты расчетов приведены на рис. 4 для времени 50 000 ч.
1. Рассчитаем ВБР для ¿=1000 ч рекомендуемую ГОСТ 27.003-2016 Надежность в технике. Состав и общие правила задания требований по надежности: Р1=0,9921; Р2=0,9864; Р3=0,9856; Р4=0,9912.
Из рассмотрения рис. 4 (в контексте данного исследования) можно сделать первый простой и очевидный вывод. Общая надежность (ВБР) сложной системы, определяемая структурной схемой и надежностью входящих в нее блоков (подсистем), в зависимости от решаемой задачи может существенно отличаться.
Так в частности, из рис. 4 видно, что с РСОуэ=37% (характерной для экспоненциального распределения отказов) системы, транслирующие информацию на 1 км, гарантировано проработают 10 лет, в то время как системы транслирующие информацию на 20 км - 8 лет.
Рассмотрим еще один пример, (косвенно) связанный с новыми требованиями СП 3.13130 (см. выше). На рис. 5 изображены две (упрощенные) схемы функционирования, различающиеся по способу управления.
Проведем элементарный сравнительный анализ надежности (ВБР) каждой из структурных схем при следующих допущениях:
1) каждое из представленных структурных схем представляет собой одно и то же решение, это 5-ти зонная система оповещения. Схема «А» построена по децентрализованному принципу, схема «Б» — по централизованному принципу управления;
2) схемы представлены таким образом, чтобы показать, что в обоих случаях используются примерно одинаковые длины ЛС, по-
этому, в задаче сравнения зависимостями ВБР от длины мы пренебрежем.
2345678 9 10 Лет
Рис.4. ВБР различных практических решений СОУЭ.
Рис. 5. Упрощенные схемы функционирования: СХЕМА «А» - децентрализованная система; СХЕМА «Б» - централизованная система, на 5 зон оповещения каждая.
Примечание: следует быть осторожным и не считать надежности ЛС неважными. По этой же причине, мы не учитываем ВБР, СПС и РО.
Воспользуемся предыдущими результатами и рассчитаем ВБР схемы «А» для ¿=2190 ч (соответствующему одному кварталу
- времени или сроку периодической проверки работоспособности [2]):
А) ВБР блока для схемы «А» примем в виде произведения надежности контроллера и усилителя:
РБЛ1(0 = ЕХР(-г ■ 5,68 ■ 10"6).
Рассчитаем надежность одного контактного соединения с подключенной ЛС (из расчета 1м):
РКЛ1(0 = ЕХР(-С(Х10 + Яц) = ЕХР{-Ь ■ 0,063 ■ 10"6),
Тогда результирующая ВБР схемы «А» с учетом кольцевания можно записать:
Ра ( 0 = Р|л 1 ( 0 ■ ( 1 - ( 1 - Рк1^ 1 ( 0 ) 2 ) ■ (7)
... . Б) ВБР блока для схемы «Б» примем из
Рассчитаем ВБР схемы «А» при ' *
¿=2190ч: РМ1 (219 0) = 0.98763; Ркж (219 0)= раслеталПятикратного увеличения мощности
0,99986; Ра (0 = 0,9 3 71 0. усилителя:
PyC2(t) = EXP{-t(k3 + Я4 + Я5 + 5Я6 + Я7 + Я8 + 8Я9) = EXP{-t ■ 5,96 ■ 10"6), РБЛ2(О = EXP(—t ■ 7,23 ■ 10"6) = 0,98429,
Результирующая надежность схемы «Б» с учетом дублирования контактов можно записать:
= ^бл2(0 ■(!-(!- ^к2л1(0)5)
Рассчитаем надежность схемы «Б» при ¿=2190 ч: РБЛ2 (2 190) = 0,9842 9 1; РБ (:) = 0,9842 9 0.
Как можно видеть, ВБР схемы «Б» выше, так как определяется надежностью блока и практически не зависит от клеммных соединений.
Из примера видно, что система с централизованным управлением (Схема «А») более надежна, что объясняется применением одного блока против пяти, с приблизительно равной ВБР. Более того, в данной постановке вопроса можно показать, что надежность системы с централизованным управлением
остается более надежной и без дублирования входных контактов:
РБ2(Р) = PBJ12 (О
■ pio^t) = 0,98293
Однако, при снижении надежности клеммных соединений общая надежность схемы без дублирования клемм начнет резко снижаться. Если учесть, что согласно [3] ошибки на этапе монтажа могут достигать 85 %, целесообразно показать зависимость ВБР СОУЭ от ВБР контактных соединений для единицы длины ЛС (рис. 6).
Из графика видно, что наиболее надежным является система с централизованным управлением при дублировании входных сигналов. Из данных примеров видно, что надежность технических решений, в виде хотя бы одного из показателей надежности по ГОСТ 27.002-2015 нуждается в тщательном исследовании.
Рис. 6. ВБР СОУЭ для различных структурных построений
Некоторые выводы, касающиеся выбора показателя надежности (надежностной характеристики), соответствующей - вероятности эффективного срабатывания - параметра, используемого при расчете ИПР.
По сути, клише, стал кочующий из статьи в статью способ расчета надежности систем пожарной автоматики, взятый из работы6, в которой надежность и эффективность СПА рассматриваются при условии:
- экспоненциального закона распределения вероятности отказов;
- марковской модели (для обслуживаемых систем);
- для стационарного процесса,
на основании чего, строится коэффициент оперативной готовности, который, по сути, является той же константой, правда более высокого порядка, РОГ(0^КГ. Так, например, для речевого оповещателя СОУЭ (Кг~43500/43524=0,9994), готовность практически 100 %-я. Получается, что в выборе актуальной надежностной характеристики мы зажаты с одной стороны коэффициентом соответствия КСОУЭ=0,8, с другой - коэффициентом оперативной готовности, стремящимся к единице. Однако мы видим, что как коэффициент соответствия, так и готовности, не соответствуют практическим данным (наблюдениям) (см. рис. 7).
Рис. 7. Надежность СПЗ для различных структурных схем, построенная по статистическим данным ВНИИПО в период с 2013 по 2021 годы.
Заключение
Таким образом, необходимо рассматривать иные варианты расчета. И в этой связи (в силу вышеизложенного) наиболее логичным видятся два варианта - использование гостов-ской рекомендации - указывать ВБР для времени ¿=1000 ч, либо (что еще лучше) применять ВБР для времени, соответствующему реальному периоду очередной проверки, а для СОУЭ это квартал, значит для ¿=2190 часов, рекомендуемому в работе [4].
В качестве общего вывода. На начальной стадии проектирования при формировании технического задания, с целью выбора оптимального решения, желательно проводить оценку надежности, в идеале - технической эффективности с проверкой функциональной значимости каждого предлагаемого решения. В любом случае необходим расчет надежности в виде вероятности эффективного срабатывания (вероятности безотказной работы ВБР) всего решения (структурного построения) с учетом ВБР каждой из применяемых подсистем.
Сайт компании ООО «Рокстон Системы» https://www.roxton.ru/page/contacts/moscow.htm
Список литературы
1. Арутюнян Д. М. Новые технологии гарантированного предотвращения пожаров / Под общей редакцией доктора технических наук Ф. И. Шаровара. М.: Специнформатика-СИ, 2014. 230 с.
2. Справочник. Надежность радиоизделий. 2004. 620 с.
3. Боровиков С. М., Цырельчук И. Н., Троян Ф. Д. Расчет показателей надежности радиоэлектронных средств. М.: Минск БГУИР 2010. 68 с.
4. Бубырь Н. Ф., Бабуров В. П., Потапов В. А. Производственная и пожарная автоматика. Москва: Высшая инженерная пожарно-техническая школа МВД СССР, 1986. 208 с.
References
1. Arutyunyan D. M. Novye tekhnologii garantirovannogo predotvrashcheniya pozharov / pozharov [New technologies for guaranteed fire prevention] / Pod obshchej redakciej doktora tekhnicheskih nauk F. I. Sharovara. Moscow: Specinformatika-SI, 2014. 230 s.
2. Spravochnik. Nadezhnost' radio izdelij [Reliability of radio products]. 2004. 620 p.
3. Borovikov S. M., Cyrel'chuk I. N., Troyan F. D. Raschet pokazatelej nadezhnosti radioelektronnyh sredstv [Calculation of reliability indicators of radio-electronic equipment]. Moscow: Minsk BGUIR, 2010. 68 p.
4. Bubyr' N. F., Baburov V. P., Pota-pov V. A. Proizvodstvennaya i pozharnaya avtomatika. [Industrial and fire automatics]. Moscow: Vysshaya inzhenernaya pozharno-tekhnicheskaya shkola MVD SSSR, 1986. 208 p.
Кочнов Олег Владимирович Группа компаний «ESCORT», Российская Федерация, г. Москва
заместитель генерального директора по научно-производственной работе
E-mail: [email protected]
Kochnov Oleg Vladimirovich
ESCORT group of companies,
Russian Federation, Moscow
Deputy Director General for Research and Production
E-mail: [email protected]
Колбашов Михаил Александрович
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
кандидат технических наук, доцент
E-mail: [email protected]
Kolbashov Mikhail Alexandrovich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy
of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies
and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
candidate of technicasciences, associate professor
E-mail: [email protected]
Савченко Сергей Александрович Дальневосточная пожарно-спасательная академия -
филиал Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России Дальневосточная пожарно-спасательная академия, Приморский край, г. Владивосток, о. Русский E-mail: [email protected] Savchenko Sergey Aleksandrovich Far Eastern Fire and Rescue Academy -
branch of St. Petersburg State Fire Service University of the Russian Ministry of Emergency Situations Far Eastern
Fire and Rescue Academy, Primorski Krai, Vladivostok, Russky Island E-mail: [email protected]
Князев Виктор Николаевич
Дальневосточная пожарно-спасательная академия -
филиал Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России Дальневосточная
пожарно-спасательная академия, Приморский край, г. Владивосток, о. Русский
E-mail: [email protected]
Knyazev Victor Nikolaevich
Far Eastern Fire and Rescue Academy -
branch of St. Petersburg State Fire Service University of the Russian Ministry of Emergency Situations Far Eastern
Fire and Rescue Academy, Primorski Krai, Vladivostok, island. Russian E-mail: [email protected]
Хакимов Мансур Аламсултанович
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
адъюнкт очной формы обучения
E-mail: [email protected]
Khakimov Mansur Alamsultanovich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy
of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies
and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
postgraduate student
E-mail: [email protected]
