CC BY
10
УДК 614.89
МОДЕЛЬ ДЛЯ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА ПАРАМЕТРОВ БЕЗОПАСНОСТИ ГАЗОДЫМОЗАЩИТНИКОВ
12 1 1 Б. Б. ГРИНЧЕНКО , Д. В. ТАРАКАНОВ , Д. Н. ШАЛЯВИН , В. К. ТИМОШЕНКО
1
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново,
2
Академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Москва E-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
В процессе тушения пожара используют современные средства обеспечения безопасности личного состава пожарно-спасательных подразделений, к которым относятся дыхательные аппараты со сжатым воздухом, оснащенные системой дистанционного мониторинга. Такая система в режиме реального времени позволяет получать, обрабатывать и передавать информацию о параметрах работы пожарных в непригодной для дыхания среде. Данная информация в соответствующей процедуре принятия управленческих решений повышает уровень безопасности пожарных за счет автоматизации функций управления. Внедрение систем мониторинга и новых процедур поддержки решений в практическую работу пожарно-спасательных подразделений требует внесения изменений в концепцию управления безопасностью участников тушения пожара. На практике применение результатов мониторинга обуславливает необходимость количественной оценки рисков отказа, как системы дистанционного мониторинга, так и элементов системы принятия решений.
В работе предложена модель и на абстрактном примере выполнено численное моделирование вероятности отказа в системе дистанционного мониторинга параметров безопасной работы газо-дымозащитников.
Ключевые слова: модель надежности, дыхательный аппарат, система дистанционного мониторинга, вероятность отказа.
RELIABILITY MODEL OF REMOTE MONITORING SYSTEM SAFETY PARAMETERS FIREFIGHTERS
12 1 1 B. B. GRINCHENKO , D. V. TARAKANOV , D. N. SHALYAVIN , V. K. TYMOSHENKO
1
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
2
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «State Fire Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense,
Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Moscow E-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
In the process of extinguishing a fire, modern means of ensuring the safety of personnel of fire and rescue departments are used, which include self-contained breathing apparatus (SCBA), equipped with a remote monitoring system. Such a system in real time allows you to receive, process and transmit information about the parameters of the work of firefighters in an unbreathable environment. This information in the appropriate management decision-making procedure improves the safety of firefighters by automating management functions. The introduction of monitoring systems and new decision support procedures into the practical work of fire and rescue units requires changes to the concept of managing the safety of fire ex-
© Гринченко Б. Б., Тараканов Д. В., Шалявин Д. Н., Тимошенко В. К., 2022
13
tinguishers. In practice, the application of monitoring results necessitates a quantitative assessment of the risks of failure of both the remote monitoring system and the elements of the decision-making system.
The paper proposes a model and, using an abstract example, numerically simulates the probability of failure in the system for remote monitoring of the parameters of the safe operation of firefighters.
Key words: reliability model, SCBA, remote monitoring system, probability of failure.
Введение
Основным мировым направлением повышения безопасности работы в непригодной для дыхания среде (НДС) является совершенствование системы дистанционного мониторинга современных дыхательных аппаратов1,2 [1,2]. В состав такой системы, как правило, входит: различные датчики контроля, приемо-передающие устройства, блок управления. При этом элементы системы мониторинга направлены на повышение уровня безопасности, как самого пользователя (газоды-мозащитника), так и степень информационного обеспечения контролирующего поста, в режиме реального времени. Повышение уровня информационного обеспечения обуславливается наличием оперативной передачи и обработки данных о внутреннем состоянии пользователя, состоянии окружающей среды, а также оповещении в случае нештатной ситуации [3,4].Так как работа производится в условиях пожара, к элементам системы мониторинга предъявляются определенные требования надежности, под которыми понимается способность системы сохранять свои свойства (безотказность, восстанавливаемость, защищенность и др.) на заданном уровне в течение фиксированного промежутка времени при определенных условиях в процессе эксплуатации. При этом системы дистанционного мониторинга должны обеспечить выполнение следующих минимальных функций3:
- определение и индикацию в цифровом формате величины давления воздуха в баллоне аппарата;
FireGrid [Электронный ресурс]. URL: https://us.msasafety.com/Connected-Firefighter/ FireGrid/FireGrid/p/000170000100001001.
2 Информационно-аналитические материалы по итогам XII международного салона средств обеспечения безопасности «Комплексная безопасность 2019» // Балашиха: ВНИИПО МЧС России, 2019. 251 с. [Электронный ресурс] URL: https://www.mchs.gov.ru/dokumenty/3044 (дата обращения 10.03.2022).
3 ГОСТ Р 53255-2019. Техника пожарная. Ап-
параты дыхательные со сжатым воздухом с
открытым циклом дыхания. Общие техниче-
ские требования. Методы испытаний.
- определение и индикацию показателя работоспособности газодымозащитника;
- расчет и индикацию в цифровом формате величин оставшегося времени работы;
- передачу в ручном и автоматическом режиме различных видов сигналов при нахождении пользователя без движения за определенный промежуток времени;
- прием сигналов с внешней приемопередающей аппаратуры.
Исходя из этого, мониторинг параметров безопасной работы участников тушения пожара при работе в непригодной для дыхания среде в системах телеметрии дыхательных аппаратов в зависимости от способа управления и обработки данных условно можно разделить на следующие виды:
1. Автоматический мониторинг параметров безопасной работы подразделяется на автономный или частично автономный, в зависимости от технической составляющей.
1.1. Автономный мониторинг позволяет одновременно производить необходимый комплекс расчетов, по определению параметров безопасной работы газодымозащитника с учетом выполняемых режимов работы с последующей передачей информации в режиме реального времени на контролирующий пост4,5,6. Такой подход обеспечивает устойчивую связь между объектом управления (звеном ГДЗС) и субъектом управления (лицом, принимающим решение) [5].
1.2. Частично автономный мониторинг служит либо для передачи информации (дублирование на контролирующий пост), либо для выполнения комплекса расчетов параметров
4 Пожарная телеметрическая система Dräger PSS® Merlin [Электронный ресурс]. URL: https://www .draeger.com/ru_ru/Produ cts/PSS-Merlin-System (дата обращения 10.03.2022).
5 ПТС «Светофор» [Электронный ресурс]. URL: https://pto-pts.ru/dykhatelnye-apparaty-so-szhatym-vozdukhom/tproduct/339569481 741248 865915-pts-svetofor (дата обращения 10.03.2022).
6 Руководство по эксплуатации комплекс «Маяк спасателя» СПНК.425624.013 РЭ Ред.1.3. Санкт-Петербург, 2011. 36 с.
безопасной работы, которые будут доступны только газодымозащитнику7.
2. Ручной мониторинг параметров безопасной работы подразделяется на ручной расчет данных и автоматизированный расчет данных.
2.1 Ручной расчет данных выражен методикой определения параметров безопасной работы в дыхательных аппаратах, которая реализуется вручную постовым на посту безопасности (ПБ) с возможностью применения различных вспомогательных средств (таблиц, расчетных устройств, экспонометров и др.) [6,7,8]. При этом передача данных осуществляется по средствам радиостанций.
2.2. Автоматизированный расчет данных также производится ПБ, который реализован в виде множества различных программ калькуляторов, которые возможно применять как на портативных компьютерах8, так и в приложениях на мобильные устройства9.
Общая классификация способов мониторинга, предлагаемых авторами, представлена на рис. 1.
Однако все эти подходы в системе мониторинга направлены на контроль параметров безопасной работы газодымозащитника без учета оценки риска отказа в процессе функционирования самой системы под воздействием опасных факторов пожара. Для того что бы определить технические требования, предъявляемые к системам мониторинга, необходимо оценить вероятность отказа элементов данной системы, а также определить возможные последствия, возникающие в ходе этого отказа.
Для количественной оценки возникновения отказов при работе системы мониторинга необходим выбор математической модели, которая на количественном уровне позволит обсудить вопросы безотказной работы системы мониторинга в различных способах функционирования.
Цель исследования - разработка модели для оценки риска отказа средств обработки данных системы дистанционного мониторинга параметров безопасной работы газо-дымозащитников.
Калькулятор ГДЗС [Электронный ресурс]. URL: https: // //fireman.club/kalkulyator-gdzs/ (дата обращения 10.03.2022).
8 Мартинович Н. В. и др. Справочник начальника караула пожарно-спасательной части. 2020.
9 Персональная система телеметрии Dräger Bodyguard 1500 [Электронный ресурс]. URL: https ://www.dra eger.com/ru_ru/Products/Bod ygua rd-1500 (дата обращения 10.03.2022).
Методика и организация
исследования.
При выборе методики для оценки вероятности отказа системы мониторинга разделим ее на два составляющих элемента (рис. 2): основная система - дыхательный аппарат; второстепенная система с набором датчиков и средство обработки данных - системы дистанционного мониторинга (телеметрии).
Исходя из рис. 2, возникает два условия оценки вероятности отказа элементов системы мониторинга:
1. Оценка вероятности выхода из строя дыхательного аппарата (основной системы);
2. Оценка вероятности отказа системы дистанционного мониторинга (второстепенной системы).
Для решения данных задач необходимо разработать математическую модель, которая будет использоваться для прогнозирования значений надежностных характеристик дыхательного аппарата и системы мониторинга.
Результаты исследования
и их обсуждение.
В практике прогнозирования недеж-ностных характеристик технических систем применению математическую модель Эрланга с восстановлением и без него. В первом случае у дыхательного аппарата восстановление отсутствует, так как в условиях воздействия опасных факторов пожара в непригодной для дыхания среде в случае его отказа у газоды-мозащитников отсутствует возможность его ремонта, поэтому для оценки вероятностей воспользуемся системой уравнений Эрланга, которая записывается в следующем виде:
dP2,Q (t) dt dPi(t) dt dP2;2 (t) dt
P2;0 (t)+ P2;l(t) + P2;2 ( )= 1
— ~^P2;0 (t); = P (t )~P(t); — ^P2;2 (t);
(1)
где: Р2;0 - вероятность состояния системы телеметрии, при котором в исправности находятся все средства измерения;
Р2;1 - вероятность состояния системы телеметрии, при котором отказало хотя бы одно средство измерения;
Р22 - вероятность состояния системы телеметрии, при котором отказали 2 средства измерения.
<
Начальные условия РрЦ = 0) = 1,
( = 0) = 0, к)' = 1,2, А - интенсивность от-
-1
каза, мин .
Система уравнений (1) записана с индексом 2 для случая звена из двух газодымо-защитников (2 дыхательных аппарата).
Во втором случае задача оценки надежности системы телеметрии заключается в определении вероятности отказа средств
обработки данных, получаемых от средств мониторинга параметров безопасности газоды-мозащитников при заданной интенсивности восстановления - у (мин-1), обычно ее рассматривают через безразмерный показатель
а=! ■
Рис. 1. Классификация систем дистанционного мониторинга по способу управления и обработки данных
Рис. 2. Схема передачи информации системой мониторинга на контролирующий пост
При условии, если к одному портативному компьютеру (блоку управления) подключены два устройства измерения (от двух дыхательных аппаратов газодымозащитников) и передачи информации, система уравнений будет записываться следующим образом:
\dpojt)
dt
= -ЛР,о (t )+^P,i(t)
^ = -Äp ,i(t )-Äop ,i(t)+ÄP,p(t )+^ap,2(t )(2) dfd,2(t).
■ = -kaP ,2(t)+ AP,2(t)
dt
Po (t) + P2;l(t) + P22l(t ) = 1.
Начальные условия, аналогичны системе уравнений (1).
Модели надежности для дыхательного аппарата и системы телеметрии это модели одного класса (модели Эрланга), так при а=0, система уравнений (2) трансформируется в систему уравнений (1).
С целью графической интерпретации расчета построим графики функций вероятностей состояний для следующих исходных данных X =0,1 мин-1 и ^=0,05мин"1, ¿=35 мин (рис. 3).
1
0.9
>8 м 0.8
0.7
% £ 0.6
о
st 0.5
< ч, 0:4
5 0:3
-й* 0.2
=5
од
0
я г ' -
г - - 1 *
^ 1 CJ _ г
_ — Г Т1
10
15
>0
30
35
Бремя работы б НДС, мин
Рис. 3. Оценка вероятности отказа средств обработки данных пунктирная линия модель(1); сплошная линия модель(2)
Анализируя данные, представленные на рис. 3, можно сделать вывод, что наличие параметра восстановления измерительной системы у, дает некоторую свободу при назначении требуемых параметров надежности системы мониторинга в сравнении с дыхательным аппаратом (заштрихованные области на рис. 3). Исходя из предложенных моделей, очевидно, что если применять к системе дистанционного мониторинга параметров безопасности, те же требования по надежности как к средству защиты (дыхательному аппарату), то это приведет к необоснованному завышению. Так обеспечение требуемых показателей надежности системы мониторинга (таких же, как для дыхательного аппарата) суще-
ственно влияет на себестоимость изготавливаемых элементов системы и общая стоимость системы мониторинга (второстепенной системы) в несколько раз превышает стоимость дыхательного аппарата (основной системы), что делает экономически не целесообразным ее применение.
По мнению авторов, надежностные характеристики системы мониторинга должны быть ниже по сравнению с аналогичными показателями дыхательного аппарата, однако, в этом случае при оценке надежности системы мониторинга должно быть добавлено условие, состоящее в том, что ее отказ никак не должен повлиять на работоспособность и надежность основной системы - дыхательного аппарата.
Тогда в случае отказа системы мониторинга, наблюдение за параметрами работы в НДС не прекращается, а контролирующий пост безопасности переходит на ручной режим работы,
Список литературы
1. Gu S., Panindre P. An Analysis of Firefighter Breathing Air Replenishment Systems. 2021, 69 p.
2. Tayeh G. B. [et al.] A Personal LPWAN Remote Monitoring System. 2021 International Wireless Communications and Mobile Computing (IWCMC). IEEE, 2021, pp. 80-85.
3. Свидетельство Роспатента о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015610223. Программное средство для расчета параметров работы звеньев га-зодымозащитной службы на пожарах /
B. В. Теребнев, А. Б. Гордеев, Д. В. Тараканов [и др.]; заявл. 17.11.2014; опубл. 20.02.2015 г.
4. Шалявин Д. Н. [и др.] Методика формирования безопасных режимов работы газодымозащитников с учетом мониторинга пульсовых зон // Siberian Journal of Life Sciences and Agriculture. 2021. Т. 13. №. 4.
C.251-272.
5. Гринченко Б. Б., Топольский Н. Г., Тараканов Д. В. Информационные ресурсы поддержки управления безопасностью работ в непригодной для дыхания среде // Пожаровзры-вобезопасность. 2019. Т. 28. № 5. С. 51-58.
6. Самсонов Н. В., Долгов П. В., Сол-даткин С. А. Круговое расчетное устройство газодымозащитника «КРУГ-4» // «Есть идея!»: сборник материалов XI Международного салона средств обеспечения безопасности «Комплексная безопасность - 2018». М.: ФГБУ ВНИИПО, 2018. С. 293-296.
7. Патент RU 2674278 C1 Российская Федерация МПК A 61 B 5/00. Способ расчёта параметров работы в средствах индивидуальной защиты органов дыхания и устройство для его реализации (варианты) / Н. В. Самсонов; опубл. 06.12.2018, Бюл. № 34.
8. Самсонов Н. «КРУГ» для пожарных // Пожарное дело. 2019. №. 9. С. 52-53.
References
1. Gu S., Panindre P. An Analysis of Firefighter Breathing Air Replenishment Systems. 2021, 69 p.
то есть на принятие решений по данным манометра дыхательного аппарата, которые могут быть получены от звена посредством радиостанции.
2. Tayeh G. B. [et al.] A Personal LPWAN Remote Monitoring System. 2021 International Wireless Communications and Mobile Computing (IWCMC). IEEE, 2021, pp. 80-85.
3. Terebnev V. V., Gordeyev A. B., Tara-kanov D. V. [et al.] Svidetel'stvo Rospatenta o gosudarstvennoy registratsii programmy dlya EVM № 2015610223. Programmnoye sredstvo dlya rascheta parametrov raboty zven'yev gazo-dymozashchitnoy sluzhby na pozharakh [Software tool for calculating the parameters of the gas and smoke protection service units on fires], zayavl. 17.11.2014, opubl. 20.02.2015 g.
4. Shalyavin D. N. [et al.] Metodika formi-rovaniya bezopasnykh rezhimov raboty gazo-dymozashchitnikov s uchetom monitoringa pul'sovykh zon [Methodology for the formation of safe operating modes of gas and smoke protectors, taking into account the monitoring of pulse zones] // Siberian Journal of Life Sciences and Agriculture, 2021, vol. 13. issue 4. pp. 251-272.
5. Grinchenko B. B., Topol'skiy N. G., Tarakanov D. V. Informatsionnyye resursy pod-derzhki upravleniya bezopasnost'yu rabot v neprigodnoy dlya dykhaniya srede [Information Resources to Support Safety Management in Un-breathable Environments]. Pozharovzryvobe-zopasnost', 2019, vol. 28. issue 5. pp. 51-58.
6. Samsonov N. V., Dolgov P. V., Soldat-kin S. A. Krugovoye raschetnoye ustroystvo gazodymozashchitnika «KRUG-4» [Circular calculation device of the gas and smoke protector «KRUG-4»]. Sbornik materialov «Yest' ideya!» XI Mezhdunarodnogo salona sredstv obespecheniya bezopasnosti «Kompleksnaya bezopasnost' -2018». pp. 293-296.
7. Samsonov N. V. Sposob raschota parametrov raboty v sredstvakh individual'noy zash-chity organov dykhaniya i ustroystvo dlya yego realizatsii (varianty) [Method for calculating the parameters of work in personal respiratory protection equipment and a device for its implementation (options)], Patent RU 2674278 C1 Rossiyskaya Federatsiya MPK A 61 B 5/00. opubl. 06.12.2018, Byul. № 34
8. Samsonov N. «KRUG» dlya pozharnykh [«CIRCLE» for firefighters] // Pozhar-noye delo, 2019, issue 9, pp. 52-53.
Гринченко Борис Борисович
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
кандидат технических наук, преподаватель
E-mail: [email protected]
Grinchenko Boris Borisovich
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 Technical Sciences, lecturer
E-mail: [email protected]
Тараканов Денис Вячеславович
Академия ГПС МЧС России, Российская Федерация,
Российская Федерация, г. Москва
доктор технических наук, профессор кафедры
E-mail: [email protected]
Denis Tarakanov Vyacheslavovich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «State Fire Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Moscow Doctor of Technical Sciences, professor E-mail: [email protected]
Шалявин Денис Николаевич
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
адъюнкт
E-mail: [email protected] Shalyavin Denis Nikolaevich
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]
Тимошенко Вадим Константинович
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
магистр
E-mail: [email protected] Tymoshenko Vadim Konstantinovich
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 Magister
E-mail: [email protected]
