автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.10, диссертация на тему:Модели и методы управления высылкой сил и средств пожарной охраны в регионах

На правах рукописи

00505011' _/

Г

Манин Петр Андреевич

МОДЕЛИ И МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЫСЫЛКОЙ СИЛ И СРЕДСТВ ПОЖАРНОЙ ОХРАНЫ В РЕГИОНАХ

05.13.10 - управление в социальных и экономических системах

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 8 ФЕВ 2013

Санкт-Петербург - 2013

005050117

Работа выполнена в Санкт-Петербургском университете Государственной противопожарной службы МЧС России

Научный руководитель заслуженный работник высшей школы РФ

доктор технических наук, профессор Таранцев Александр Алексеевич

Официальные оппоненты Дюк Вячеслав Анатольевич,

доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации РАН, ведущий научный сотрудник лаборатории биомедицинской информатики

Корольков Анатолий Павлович,

кандидат технических наук, профессор, Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы МЧС России, профессор кафедры системного анализа и антикризисного управления

Ведущая организация Санкт-Петербургский государственный политехни-

ческий университет

Защита состоится 14 марта 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 205.003.02 при Санкт-Петербургском университете Государственной противопожарной службы МЧС России по адресу: 196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, дом 149.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России.

Автореферат разослан « февраля 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 205.003.02

доктор технических наук, профессор /У^А.Ю.Иванов

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Пожары в России исторически являются одним из самых страшных бедствий. Ежегодно они наносят большой материальный ущерб и приводят к человеческим жертвам, что, как следует из доклада «Горящая Россия», сравнимо с постоянно ведущейся войной среднего масштаба.

Особенно опасны пожары в северных и центральных регионах России, в Сибири и на Дальнем Востоке. Это обусловливается наличием лесов и недостаточно развитой инфраструктурой, большим числом населённых пунктов (НП), в которых нет какой-либо пожарной охраны (ПО), много деревянных строений с пониженной степенью огнестойкости и печным отоплением, отсутствием или ограниченным числом водоисточников, пригодных для тушения пожаров, удалённостью населенных пунктов от ближайших пожарных частей (ПЧ). Только в достаточно развитой Ленинградской области свыше двух с половиной тысяч НП, время следования пожарных подразделений в которые превышает 20 мин., как то требует Федеральный Закон от 22.07.08 № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» (далее ФЗ №123). Кроме того, проблема обеспечения пожарной безопасности во многих регионах крайне обостряется в период пала травы, а также в засушливый летний период по причине лесных пожаров и большого числа одновременно возникающих пожаров в различных НП, что имело место печально известным летом 2010 года.

В этой связи особенно важным является оперативная высылка подразделений ПО к месту вызова. Это, в свою очередь, предполагает скорейшую и объективную обработку сообщения о пожаре или ЧС в НП или вблизи него (приём и уточнение информации от абонента, оценка обстановки и принятие решения на высылку сил и средств к месту пожара или ЧС), от чего зависит общее время прибытия первого пожарного подразделения и, как следствие, время локализации и ликвидации пожара, размер материального ущерба и число пострадавших. От скорейшего и полного получения информации о месте пожара в лесу также зависит ограничение его развития и успешное тушение.

Звонки от абонентов с информацией о пожарах или ЧС могут поступать в центры обработки сообщений (ЦОС) как через районные АТС по проводным линиям связи, так и через различных операторов сотовой связи. В ряде случаев сообщения в ЦОС поступают по прямым линиям связи с предприятий и др. пожароуязвимых или общественно значимых объектов. В регионах ЦОС - как правило, пункты связи частей (ПСЧ), а также единые дежурно-диспетчерские службы (ЕДДС), центры управления в кризисных ситуациях (ЦУКС).

В пожароопасные периоды в регионах потоки сообщений в ЦОС приобретают лавинообразный характер, что чревато утерей вызовов по причине перегруженности ЛС и занятости сети сотовой связи, а также неправильной обработкой сообщений из-за ошибок диспетчеров ЦОС ввиду их переутомлённости. Это, в свою очередь, может

з

присти к превышению нормативного значения предельно допустимой вероятности 0,001 утери вызова и к ещё большему увеличению времени прибытия первого пожарного подразделения к месту вызова, что усугубит и без того негативные последствия пожаров и ЧС в регионах.

Таким образом, тема диссертации, связанная с управлением высылкой сил и средств ПО в регионах и, как следствие, предполагающая формулировку практических рекомендаций по устойчивой работе ЦОС в пожароопасные периоды, представляется актуальной.

Справедливости ради следует отметить, что для мегаполисов, крупных и средних городов проблема оперативности реагирования ПО и др. экстренных служб стоит менее остро. Это объясняет и наличие крупных ЦОС (call-центров) с достаточным числом диспетчеров и развитой системой связи, и наличие на многих городских объектах систем автоматической пожарной сигнализации, и большая концентрация сил и средств ПО при хорошей дорожной сети (как следствие - меньшее время прибытия), и их лучшая оснащённость, и достаточное водоснабжение, и фундаментальные научные исследования (Г.И.Абдурагимов, В.С.Артамонов, Н.Н.Брушлинский, А.В.Матюшин, К.В.Погорельская, А.А.Порошин, Б.М.Пранов, С.В.Соколов, А.А.Таранцев, Н.Г.Топольский, А.Л.Холостов и др.). Разработки некоторых из перечисленных авторов учитывались и в настоящей диссертационной работе.

Целью работы является разработка и совершенствование моделей и методов управления высылкой сил и средств ПО по вызовам в регионах и формулировка предложений по повышению устойчивости работы ЦОС в пожароопасные периоды. Для достижения цели поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Анализ сложившейся системы прохождения сигналов о пожарах и ЧС в регионах, работы ЦОС и управления высылкой сил и средств ПО по вызовам;

2. Построение модели суммарного потока сообщений, полученного слиянием простейшего и регулярного потока сообщений о пожарах и ЧС;

3. Обоснование и разработка моделей двухфазного обслуживания сообщений, процесса дозвона при большой загруженности сети и метода выбора рационального числа линий связи и диспетчеров ЦОС;

4. Формулировка рекомендаций по устойчивой работе ЦОС в часы наибольшей нагрузки.

Объект исследования - система обработки сообщений о пожарах и ЧС и управления высылкой сил и средств ПО в регионах РФ.

Предмет исследования- модели и методы управления высылкой сил и средств ПО в случае пожаров и ЧС в регионах.

Методы исследования: системный анализ, теория массового обслуживания, математическое и имитационное моделирование, теория вероятностей и математическая статистика.

Результатами диссертационного исследования, полученными автором лично и выносимыми на защиту, являются следующие:

1. Методика оценки параметров обобщенного потока сообщений, образованного слиянием простейшего потока с регулярным;

2. Уточнённая модель двухфазного процесса обработки сообщения диспетчером ЦОС;

3. Расчетно-аналитическая и имитационная модели процесса дозвона абонента в ЦОС в часы наибольшей нагрузки;

Результаты диссертационного исследования обладают научной новизной: полученные модели и методы позволяют рассчитать характеристики ЦОС при обработке потока разнородных сообщений, рассмотреть модель обработки сообщений как многофазный процесс, максимально приближенный к реальному, а также учитывать влияние процесса дозвона на управление высылкой сил и средств ПО.

Прастическая значимость полученных результатов определяется необходимостью совершенствования структуры региональных ЦОС с целью повышения устойчивости управления высылкой сил и средств ПО в случае пожаров и ЧС в регионах. Разработанные модели и методы используются в учебном процессе Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России и в профильных организациях.

Достоверность основных положений исследования обеспечена корректной постановкой задач и проведением исследования, применением системного подхода при анализе предметной области, использованием современных расчётных методов, корректным использованием исходных данных и согласованностью полученных результатов с результатами работ других исследователей. Достоверность научных результатов подтверждается апробацией основных положений диссертации.

Обоснованность научных результатов определяется строгой аргументацией полученных моделей и основных выводов, доказательным и корректным использованием апробированных методов исследований.

Реализация. По результатам работы получены акт о реализации результатов диссертационной работы от филиала ФГБУ ВНИИПО МЧС России и акт о практическом использовании результатов исследования от Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России.

Апробация работы. Научные результаты диссертационного исследования докладывались на заседаниях кафедры Организации пожаротушения и проведения аварийно-спасательных работ СПбУ ГПС МЧС России, а также на международных и отраслевых научно-практических конференциях:

— XXXVII Всероссийская межвузовская НПК студентов и аспирантов «Неделя пауки СПбГПУ». СПбГПУ, 2008.

— II Международная НПК «Сервис безопасности в России: опыт, проблемы, пер-спективы».СПбУ ГПС МЧС России, РАРАН, 29-31.10.2009.

— 1ХХ НТК «Системы безопасности». Академия ГПС МЧС России, 2010

5

— VI Всероссийская НПК «Проблемы обеспечения взрывобезопасности и противодействия терроризму». СПбУ ГПС МЧС России, РАРАН, 19-20.04.2011.

— X Международная НПК «Подготовка кадров в системе предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций». СПбУ ГПС, 17.10 2011.

— НПК «Молодые ученые о системе обеспечения безопасности в условиях природных и техногенных чрезвычайных ситуаций в первой половине XXI века». СПбУ ГПС МЧС России, 17.10.2011.

— IV Международная НПК «Обеспечение комплексной безопасности при освоении северных территорий». СПбУ ГПС МЧС России, РСС, 17.11.2011. Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 8 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях из перечня ВАК, 9 публикаций в материалах научных конференций, научных журналах и сборниках научных трудов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы 118 страниц, 50 рисунков и 16 таблиц.

II. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается выбор темы диссертации, ее актуальность, цели, задачи, объект и предмет исследования, научная новизна, теоретическая и практическая значимость, апробация и результаты работы, выносимые на защиту.

В первой главе «Анализ процессов управления высылкой сил и средств при пожарах и ЧС в регионах» рассмотрена проблема пожарной опасности во многих регионах РФ. Показано, что там, где имеются большие лесные массивы и месторождения торфа, недостаточно развита дорожная сеть, большое число строений с пониженной степенью огнестойкости, печное отопление, а также ограниченное количество ПЧ и слабая добровольная ПО наиболее высок риск ущерба от пожаров и гибели людей ввиду запоздания с высылкой сил и средств ПО к местам пожаров и ЧС. Особенно остро данная проблема проявилась жарким летом 2010 г., а также и в 2011 году (рисунки 1-4).

Успех борьбы с пожарами в НП и лесных массивах во многом зависит от оперативности обработки сообщений (сигналов, звонков) с информацией о возгораниях, поскольку их запоздалое поступление на ПСЧ, в ЕДЦС или ЦУКСы приводит увеличению времени прибытия сил и средств ПО. Это, в свою очередь, приводит к увеличению времени свободного развития пожара, большому материальному ущербу и человеческим жертвам. Особо опасным является утеря сообщения по причине перегруженности ЛС и диспетчеров («обвал» сети), а также при переадресовке сообщений операторами мобильной связи. Тогда пожар, бесконтрольно развиваясь, может принять катастрофические размеры.

Рисунок 1 - Борьба с низовым пожаром

осс Номера вызова экстренных служб Примечания

МТС 112 — единая служба спасения, 010 — аварийно-спасательная служба, 020 — полиция, 030 — СМП, 040 — аварийная служба газа Звонки бесплатные

МегаФон 112 - единый номер экстренных служб, 01/010 —ПО, 02/020 — полиция, 03/030 —СМП, 04/040 — служба газа После набора 112 - голосовое сообщение о дальнейшем наборе. Звонки бесплатные

Теле 2 01 — служба спасения, ПО, 02 — полиция, 03 — СМП, 04 — аварийная служба газа Если телефон не поддерживает набор номеров, состоящих из двух цифр, при звонках в экстренные службы после номера службы необходимо набирать * или 0. Например: 01* или 010

ВееИпе 112 - единый номер экстренных служб, 01/001—ПО, 02/002 — полиция, 03/003 — СМП

Рисунок 3 - Тушение пожара в сель- Рисунок 4 - Последствия пожара в сельском НП ском НП

Таблица 1- Номера экстренных служб различных операторов мобильной (сотовой) связи

Рисунок 2 - Верховой пожар («огненный шторм»)вблизи сельского НП

В диссертации показано, что к запаздыванию поступления сообщения о пожарах в регионах приводит как достаточно сложная система прохождения сообщения (рису-

нок 5), так и неоднозначность в наборе номеров экстренных служб сотовой связи -таблица 1.

а - сообщение через АТС или ОСС поступает на ПСЧ той ПЧ, в районе выезда которой находится горящий объект, б - сообщение сначала через ОСС передаётся на ЕДДС (ЦУКС), откуда переадресовывается в ближайшую ПЧ, в - сообщение сначала передаётся через ОСС в ближайшую ПЧ, хотя горящий объект находится в районе выезда другой ПЧ, г - сообщение через АТС или ОСС поступает в ПЧ, которая уже выслала свои силы и средства на ранее возникший пожар в другом месте

Рисунок 5 - Порядок прохождения сообщений о пожарах и ЧС в регионах

В ряде случаев, когда при перегрузке сети связи (массовые летние пожары) абоненты не могут сразу дозвониться на ПСЧ или в ЕДДС, они вынуждены делать повторные звонки. Это приводит либо к задержке принятия сообщения диспетчером, либо к утере сообщения, когда абонент после нескольких неудачных звонков прекращает попытки передать сообщение о пожаре или ЧС.

Некоторые объекты (предприятия, больницы, ТЭЦ и т.п.) оборудованы прямой связью с ПСЧ или ЦУКСом, когда сообщения поступают по выделенной ЛС, минуя АТС. Такие сообщения могут поступать как регулярно (через равные промежутки времени), так и экстренно в случае пожара или ЧС. В любом случае они принимаются диспетчером и требуют от него соответствующих действий.

Таким образом, от поступления сообщений в ЦОС регионов в срок и без потерь, а также от быстрых и правильных действий диспетчеров зависит оперативное прибытие сил и средств ПО на пожары и ЧС в регионах. Это, в свою очередь, требует тщательного изучения и моделирования процессов обработки сообщений о необходимости экстренной высылки сил и средств ПО и формирования предложений по устойчивой работе ЦОС в напряжённые и пожароопасные периоды в регионах РФ.

Во второй главе «Математическое моделирование деятельности центра обработки сообщений в регионах» исследованы модели: а) слияния простейшего и регулярного потоков сообщений, поступающих в ЦОС; б) «дозвона» абонента в ЦОС в условиях перегруженности диспетчеров и линий связи; в) двухфазной обработки сообщения диспетчером ЦОС; г) работы ЦОС как системы массового обслуживания (СМО) с неограниченным и ограниченным числом источников сообщений.

При наличии в НП или вблизи него объектов с выделенными линиями связи в ЦОС, имеет место слияние простейшего потока сообщений от абонентов (лица, сообщающие о пожаре или ЧС) и потока информации с объектов. При этом к диспетчерам ЦОС (ПСЧ, ЕДДС...) будет поступать некоторый суммарный поток сообщений, образованный слиянием исходных потоков. Известно, что если исходные потоки являются простейшими (т.е. стационарными пуассоновскими) с частотами {Л,}, то суммарный поток также будет простейшим с частотой Л, равной сумме частот исходных потоков:

И = Д1 + Я2+- + Я„ (1)

где п - число исходных потоков. При этом распределение промежутков времени между сообщениями подчинено экспоненциальному закону с плотностью <р(0 = Ле~лси средним временем между сигналами АГС = (Ях + Л2 + —I- Яп)-1.

Если же один из исходных потоков простейший с частотой сигналов 1, а другой — регулярный с периодом Т между сигналами, что характерно для некоторых ЦОС в регионах (рисунок 6), то для исследования суммарного потока была разработана специальная имитационная компьютерная программа «Узел».

С её помощью на основе обработки результатов большого числа компьютерных экспериментов удалось найти аппроксимирующее выражение для функции распределения промежутков времени между сообщениями

и вид плотности распределения - рисунок 7. Для величины к было получено аппроксимирующее выражение:

к я 2,0 - 0,72645 + 0,344852 -1,42753 + 0,812254, (3)

где В = [1 + (ЯГ)"1]"1.

абоненты

о-о

объекты □ - □

"V

простейший поток регулярный поток

ЦОС

высылка СиС ---О

Рисунок 6 - Схема формирования потоков сообщений, поступающих в ЦОС

0 Т (

Рисунок 7 - Плотность распределения суммарного потока (пунктир - плотность простейшего потока)

Для распределения (2) промежутков времени между сообщениями в суммарном потоке получено общее выражение для начальных моментов:

1 {АкТ)

1-0

У —(4)

Тогда математическое ожидание М,=а\=(\-еАкт)/1к;0=а7-а12=(\-21кТеи1 -е2/кт)/(Хк)2.

Показано, что суммарный поток, образованный слиянием двух простейших потоков, «жёстче» суммарного потока, образованного слиянием простейшего и регулярного потоков, при равенстве среднего времени между поступлением сообщений в обоих суммарных потоках. Это следует из того, что дисперсия промежутков времени между сообщениями в первом суммарном потоке больше аналогичной дисперсии второго суммарного потока - см. таблицу 2.

В работе построена модель «дозвона» абонентов при перегруженности линий связи и занятости диспетчеров ЦОС. За основу была принята стандартная «-канальная СМО с т-местным накопителем, когда при его переполнении (т.е. очередной абонент слышит короткие гудки) имеет место отказ в приёме сообщения. С учётом коэффициента возврата кв (кв= 1 - абонент, получив отказ, непременно будет повторять попытки

связаться с ЦОС; кв=0 - получив отказ, абонент больше не позвонит в ЦОС) схема «дозвона» приведена на рисунке 8.

Таблица 2 - Дисперсии промежутков времени между сообщениями в суммарных потоках

ХТ 0 0,2 0,5 1,0 2,0 3,0 5,0 10,0 00 Потоки

к 2 1,832 1,718 1,588 1,408 1,307 1,197 1,100 1

х2о 0 0,027(7) 0,111(1) 0,2500 0,444(4) 0,5625 0,6944 0,8264 1 прост.+прост.

0,0034 0,0315 0,1226 0,3326 0,4942 0,6769 0,8261 прост.+регул.

Примечания: Тг — среднее время между сообщениями во 2-м сливающемся потоке, Г>— дисперсия промежутков времени между сообщениями в суммарных потоках.

По схеме на рисунке 8 получены приближённые аналитические рекуррентные выражения для оценки основных характеристик ЦОС с «дозвоном» - вероятности отказа ^ в приёме сообщения диспетчером ЦОС, время соединения с учётом дозвона, число попыток соединения и др. В частности, среднее число попыток соединения абонента с диспетчером ЦОС, когда число линий связи соответствует числу диспетчеров, а кв= 1, может быть найдено из выражения:

*п = црм] + 1 <5)

(/? - вероятность того, что абонент всё-таки свяжется с диспетчером, Ц[дс] - выделение целой части числа л:). Например, если в ЦОС один диспетчер и одна ЛС, то д~0,4142 и при /3=0,99 Л'П=Ц[5,225]+1 =6. Для уточнения величин характеристик ЦОС с «дозвоном» была разработана специальная модель в МУБЫсИит (рисунок 9), с использованием которой проведено большое число расчётов.

1 - входной поток сообщений, 2 -возвратный поток, 3 — ЦОС, 4 -поток обработанных сообщений, 5 — накопитель, ДгД,, - диспетчеры (п - их число), вероятность отказа в приёме сообщения

Рисунок 8 - Схема СМО с «дозвоном»

Рисунок 9 - Модель СМО с «дозвоном» в \fVStudium

твг

Для более достоверного описания работы диспетчера ЦОС была разработана двухфазная модель обработки сообщения, когда в 1-й фазе он принимает и уточняет информацию от абонента, а во 2-й фазе - принимает решение и доводит его до исполнителей. В предположении, что входной поток сообщений простейший с частотой А, длительность каждой фазы случайная и распределена по экспоненциальному закону с параметрами и /л2 соответственно, а число ЛС Ь=т+1, ЦОС может быть представлен в виде незамкнутой СМО, которая может пребывать в 2/и+З состояниях -Граф переходов такой СМО приведен на рисунке 10.

X X X X X Бо-»-Б!->-Ээ-у ... --► 82И+1

Рисунок 10 - Граф переходов для одноканальной незамкнутой СМО с двухфазным обслуживанием л - частота поступающих сообщений; ц\,ц2- скорости их обработки в 1-й и 2-й фазах

В установившемся режиме графу переходов на рисунке 10 соответствует система линейных алгебраических уравнений:

О = —Яро +М2р2 О = Яр0 - (Я + + ¡ЬРа,

0 = М1Р1 - (Я +;12)р2 ,} = 1 — тп; (6)

О = Яр2;_1 - (КХ + ^l1)p2j+1 + Я^2Р2;+4 „ О = Яр2; + И1Р21+1 - + Рг^Ри+г где {р} - вероятности соответствующих состояний {5}, причём Ро +Р1 + - + Р2т+2 = 1; при;<т, К= 0 при)=т.

В диссертации получено аналитическое решение системы уравнений (6), которое с учётом вероятностей обобщённых состояний Рх = Р21-1 + Рги ¿ = 1,-",тп имеет вид:

-1 _ V»»-! ^ ~ Лт-2[А2 + а _ (т _ 2)а1Я2]

Ро -^Zr^a' + ŒA Pl = Ро

Л = 1,

(7)

(8)

(9)

rm+l fo L" ^j-0

где a\=}J\i\, ci2=ïJ\\2 — нагрузки по фазам; a= at+a2= ' +^2 ') — общая приведённая нагрузка, Â=a\+a2+a\a2; C„k- число сочетаний из п по к.

По выражениям (7) - (9) стало возможным дать оценку основным характеристикам ЦОС с двухфазной обработкой поступающих сообщений - вероятности немедленного принятия сообщения от абонента р„=ро", вероятности отказа в приёме сооб-

щения (заняты все диспетчеры ЦОС и ЛС) =Рт+и среднего времени ожидания абонента связи с диспетчером: 10ж=^\~](р1+2р1+Зр5+...+тр2т.1)+/Л2Л(р2+2р4+3рб+---+тр2т) и среднего числа занятых ЛС: Ь,г=Р\+2Р2+2Р}+.. ,+тРт. В частных случаях, когда одна из фаз отсутствует (например, а2=0, тогда а=А=а\), выражения (7) - (9) сводятся к выражениям для стандартной незамкнутой СМО:

р0_1 = 1 + а + 2а2 + -+тат + (ш + 1)ат+1, (10)

=р0а',1= 1.-.Ш+1. (11)

Показано, что в случае неограниченного накопителя (ш—><») при А<0 фазность обработки роли не играет, а выражения (7) и (9) принимают вид, характерный для такой же стандартной СМО:

Иш^соРо = 1-а. (12)

9 = ШпЯ1_ивР1п+1 = 0. (13)

Также установлено, что при одинаковой приведённой нагрузке а и при том же числе линий связи Ь=т+1 стандартная СМО по своим характеристикам оказывается «жёстче», чем СМО с двухфазной обработкой сообщений. Например, при а=0,5 и числе ЛС Ь-5 для ЦОС с одним диспетчером и двухфазной обработкой при одинаковой длительности фаз: />н=0,5041; гож=3,968 мин.; <7=0,0082. А если ЦОС представлен в виде стандартной СМО, то: р„=0,5079; ¡ож~4,127 мин.; <7=0,0159.

Таблица 3 - Модели описания работы ЦОС в виде стандартных СМО

СМО Незамкнутая Замкнутая

Вероятности состояний п , п+ттс -1 Vя , V а Ро ~~ £! + 2-, (п«-"п!)' ¡=0 1=п+14 ' [ Р°а\ ¿<п 1 . ,п <1 <п + т п N 1=0 1=71+1 Г р0 ф1Л<п /?==у//А V - частота поступления сообщений от единичного источника

Основные характеристики Рсв=Ро - все диспетчеры свободны, сообщений не поступало, Рн = Ро+РН-----Ь Рп ~ вероятность немедленного принятия сообщения диспетчером, п, = Р(- среднее число занятых диспетчеров,

Я=Рп+т - вероятность отказа в приёме сообщения, т точ = 1=1 - средняя очередь. Я^Ры - вероятность полного останова (все источники подали сообщения, все диспетчеры заняты), тт = ¿Р[+п- средняя очередь, Ыс = ф,- среднее число источников, подавших сообщения.

Таким образом, для упрощённых оценок характеристик ЦОС могут использоваться известные выражения, сведённые в таблице З.В ней также приведены выражения для замкнутой СМО, которая может являться моделью ЦОС с ограниченным числом источников сообщений. Такой СМО соответствует ПЧ, в районе выезда которой ограниченное число небольших НП и др. объектов (заправочные станции, предприятия и т.п.).

В главе показано, что для приближённых оценок характеристик ЦОС в регионах могут использоваться модели в виде стандартных СМО и выражения, приведённые в таблице 3. В то же время, для уточнённого моделирования работы ЦОС могут использоваться более точные модели с двухфазной обработкой сообщений и с «дозво-ном», а также имитационное моделирование потоков сообщений и их обработки в ЦОС.

В третьей главе «Методы обеспечения устойчивой работы центра обработки сообщений» рассмотрены вопросы, связанные с выбором параметров ЦОС регионов при ограничениях на некоторые наиболее важные характеристики (показатели функционирования) ЦОС с учётом вероятности потерь сообщений при переадресациях (см. рисунок 5).

Показано, что ЦОС можно оценить по четырём основным характеристикам - вероятности утери сообщения ру, среднему времени ожидания абонентом соединения с диспетчером /ож, средней вероятности немедленного принятия сообщения рн и нагрузке на диспетчера р=а/п. Кроме того, могут быть дополнительные характеристики, такие как среднее число занятых диспетчеров и линий связи - соответственно и3, Ь3 и др.

С учётом переадресовок сообщений (см. рисунок 5) величина может быть оценена по выражению:

Ру = 1 - (1 - <?) П?=1(1 - дД (14)

где - вероятность утери сообщения при г-ой переадресовке, Л - число переадресовок.

Например, для схемы на рисунке 5-а будет одна переадресовка (Л=1) через АТС, для схемы на рисунке 5-6 Я=2, для схемы на рисунке 5-в /?=3, для схемы на рисунке 5-г Л=4. Величины оценивают либо статистически, либо для промежуточного ПСЧ и ЕДДС (ЦУКС) аналитически по числу диспетчеров и ЛС с использованием выражений, приведённых в табл. 3:

Чг = (1 + * + £ + - + £) + р1+"(1 - р'-»)( 1 - ¿Г1]"1, (15)

Яг = М + СЬР + фх + - + СЦГ + ЛЧЕ/=п+1 (~У (X -У)!]-1. (16)

Выражение (15) соответствует ЦОС с неограниченным числом источников сообщений, выражение (16) - с ограниченным числом источников N. При выводе выражений (15) и (16) предполагалось, что все диспетчеры обладают одинаковой квали-

14

фикацией, неотлучно находятся на своих местах, аппаратная надёжность полная, а очередь организована по принципу FIFO («раньше пришёл - раньше обслужился»).

Показано, что устойчивость работы ЦОС обусловливается выполнением условий нахождения основных характеристик ЦОС в определённых границах: рул<0,1%; ?ожД<Юс; рд<0,3-0,5; рнд>0,99-0,95.

о,оз-Р ю з о.оЬг 0,004 i),oos1 o|oi 0,62 o.oi 0,05 o.lis'о,

Рисунок 11 - Номограмма «приведённая нагрузка а - приведённое время ожидания 'ояД=г0ж» с линиями равных значений числа диспетчеров п, JIC L, нагрузки на диспетчера р и вероятностей немедленного принятия сообщения рп при вероятности отказа в

приёме q=pani не более 0,1%

С учётом указанных ограничений по выражениям в таблице 3 были построены номограммы - на рисунке 11 для ЦОС, соответствующей незамкнутой СМО (с неограниченным источником сообщений), на рисунке 14 - для ЦОС как замкнутой СМО (с ограниченным числом источников сообщений).

По номограмме на рисунке 11 (разработана проф. Таранцевым A.A. и др.) решается несколько задач синтеза ЦОС с учётом вышеприведённых ограничений: а) по из-

15

вестной частоте X и скорости обработки ц (нагрузке а) определяется необходимое число диспетчеров п и ЛС Ц б) по известной нагрузке а и фиксированном числе диспетчеров п - число ЛС Ь\ в) по фиксированному числу диспетчеров п и ЛС Ь и по известной частоте поступления сообщений X - необходимую среднюю скорость обработки ц.

Таблица 4 - Характеристики незамкнутой стандартной СМО при <7=0,001

ь -п 0 1 2 3 0 1 2 3 0 1 2 3

п= =1 0,001 0,032 0,104 0,187 99,89 96,78 89,63 81,29 0,0017 0,0422

п= =2 0,046 0,168 0,325 0,483 99,90 98,71 95,49 90,65 0 =0,001 0,0082 0,0285

п- =3 0,194 0,405 0,633 0,852 99,90 99,16 97,18 93,94 0,0067 0,0225

п= =А 0,439 0,723 1,009 1,227 99,90 99,35 97,93 95,53 0,0059 0,0191

а р„, % Л-^ож

Примечание: р=а/п

Решение задачи «а» известно, а схемы решения задач «б» и «в» приведены на рисунках 12 и 13. Для проверки выполнения ограничений на характеристики /ож, р и рн целесообразно использовать таблицу 4, а в ряде случаев придётся корректировать ограничения.

А

I

и—Хи [

На

раоочая

точка

. \

V

проверка: Гож<и

Рисунок 12 - Нахождение числа ЛС Ь при известном числе диспетчеров п и приведённой нагрузке а

Рисунок 13 - Нахождение скорости обработки р сообщения при заданных X, п и р=тих(ра, р,)

Например, требуется решить задачу «а» - найти число диспетчеров и и число ЛС если известно, что в ЦОС поступает каждый час 10 сообщений (А=10 час"'=0,166(6) мин"1), а скорость обработки сообщения /¿=0,33(3) мин"1. Ограничения: ¿>„"=0,9; 'ож^Юс; /=0,3. По номограмме на рисунке 11 при а=0,5 находим: л=2,1=5. По выражениям в таблице 3 проводим проверку, оценивая величины д,рн, А/ож, в результате чего при «=0,5, л=2, 1=5 получаем: <7=0,117%, р„=90,035%, />=0,25, Х/ОЖ=0,0317, гож= 11,41с. Таким образом, номограмма на рисунке 11 дала приближённое «оптимистическое» решение — при проверке оказались немного не выполнены условия по ве-

роятностям отказа в приёме сообщения и немедленного приёма, а также по времени ожидания. Далее могут быть приняты следующие решения:

а) принять выбранные величины п=2 и ¿=5, поскольку отклонения характеристик

ЦОС от допусков незначительны;

б) увеличить число линий связи ¿;

в) увеличить скорость обработки сообщения ц, снабдив диспетчеров системами под-

держки принятия решений;

г) увеличить число диспетчеров п (это решение наименее желательное, поскольку

ведёт к пересмотру штатного расписания и введению нового рабочего места).

Пусть требуется решить задачу «б» - при фиксированном числе диспетчеров п=2, величинах /1=0,166(6) мин"' и /¿=0,33(3) мин"1 и ранее заданных ограничениях найти требуемое число линий связи Ь (см. рисунок 12). В таблице 5 приведены характеристики ЦОС при различных значениях Ь. Из таблицы 5 следует, что увеличение числа линий связи позволяет при Ь>6 удовлетворить требование только по вероятности отказа в приёме сообщения, вероятность рн и время /ож несильно выходят за границы допусков.

Таблица 5 - Характеристики ЦОС с двумя диспетчерами при а=0,5 (р=0,25)

ь Рн, % Л/ож ¿ож? С А>, % Ь Рн, % Л/ож ¿ОЖч С Ра, %

5 0,117 90,035 0,0317 11,412 60,022 7 0,007 90,002 0,0332 11,952 60,001

6 0,029 90,009 0,0328 11,808 60,006 8 0,002 90,001 0,0333 11,988 =60,0

Пусть требуется решить задачу «в» - при фиксированном числе диспетчеров п=2, ЛС 1=5, величине А=0,166(6) мин"1 и ранее заданных ограничениях найти необходимую скорость обработки сообщения р. Поскольку при п=2 и ¿-5 условие <7<0,1% достигается при а=0,483 и А/ОЖ=0,0285, находим: /¿а=А/а=0,345 мин"1 и /¿,=^ож/а;ожд=0,0285/(0,483х10) = 0,0059 с"1 = 0,354 мин"1. Тогда ц = шах(0,345; 0,354)=0,354 мин"1. Если увеличить скорость обработки до /¿=0,354 мин"1,то приведённая нагрузка снизится до а=0,4708. Тогда, согласно таблице 3: </=0,089%, р„=91,05%, 'Ож=9,504 с. Таким образом, небольшое увеличение на 6,2% скорости обслуживания сообщения позволит ЦОС с двумя диспетчерами и пятью ЛС полностью удовлетворить предъявленным требованиям.

И наконец, если при А=0,166(6) мин 'оставить //=0,33(3) мин"1 (т.е. а=0,5), только при и=3 и Ь=5 ЦОС также будет полностью удовлетворять предъявленным требованиям: <7=0,035%, рн=98,49%, /<«=1,012 с, /3=0,166(6).

Для создания устойчиво работающего ЦОС, представимого в виде замкнутой СМО с ограниченным числом N источников сообщений, решается задача синтеза по номограмме на рисунке 14 с использованием данных таблицы 6. Эта модель может применяться при решении задачи обслуживания и ремонта аппаратуры ЦОС.

17

Рисунок 14 - Номограмма «вероятность незанятости диспетчеров р0 - вероятность немедленного принятия сообщения р„» с линиями равных значений числа источников сообщений И, числа диспетчеров п, средней длины очереди точ и нагрузки на диспетчерар при условии <?<0,1% (р=Лу?/н//)

Таблица 6 - Значения приведённой нагрузки /? для вероятности останова ¿7=0,001

N п Р N п Р N п Р N л Р

2 1 0,0229 1 0,1233 1 0,1375 7 0,8012

2 0,0327 2 0,2352 2 0,2700 9 8 0,8455

1 0,0585 6 3 0,3286 3 0,3935 9 0,8662

3 2 3 0,0957 0,1111 4 5 0,3984 0,4425 8 4 5 0,5036 0,5952 1 2 0,1426 0,2834

1 0,0884 6 0,4625 6 0,6642 0,7086 0,7292 3 0,4206

4 2 3 0,1565 0,1983 0,2163 1 2 3 0,1320 0,2564 0,3676 7 8 4 5 0,5518 0,6735 0,7816

4 1 0,1407 10 6

5 1 2 3 4 5 0,1095 0,2029 0,2727 0,3162 0,3355 7 4 5 6 7 0,4601 0,5296 0,5739 0,5943 9 2 3 4 5 6 0,2784 0,4102 0,5329 0,6419 0,7326 7 8 9 10 0,8716 0,9397 0,9839 1,0048

работы /и по известному числу аппаратуры линий связи N=L=4 и ограничениях: <?<0,001;р<0,4; р„>0,9; р0>0,5; точ< 1

Например, требуется найти число специалистов-ремонтников п и скорость ц восстановления линий связи в ЦОС с соответствующей аппаратурой, если число таких J1C L=N= 4, а в напряжённые периоды работы ЦОС они отказывают в среднем раз в шесть часов, т.е. v=0,1667 час"'. Заданы ограничения: g^O.OOl; рд=0,4; p„"=0,9; ро^О^ и /n04"=l. Тогда по номограмме на рисунке 14 находим: п=2 (см. рисунок 15), а по таблице 6 - /?=0,1565 (выделено жирным шрифтом). Тогда /u=v/{j=0,1667/0,1565= 1,065 час"'. Таким образом, аппаратуру связи такого ЦОС должны обслуживать не менее двух специалистов, каждый из которых способен устранить неисправность в среднем меньше, чем за час. Если же число линий связи увеличится до пяти и более, то насколько бы не увеличивалось число специалистов-ремонтников и скорость их работы, при ^"=0,001; ^„"=0,9 и т0,,л= I условия р<0,4 и ро>0,5 выполнить бы не удалось.

Таким образом, при нахождении параметров ЦОС с учётом предъявляемых требований к его характеристикам иногда приходится корректировать условия задачи синтеза (в том числе и при задаваемых вероятностях {qr}), но во всех случаях необходимо проводить проверку по выражениям, приведенным в таблице 3. Для этого разработана специальная компьютерная программа «Стандарт», предназначенная для моделирования как незамкнутых, так и замкнутых СМО.

Поскольку в ранее рассмотренной модели ЦОС на основе незамкнутой стандартной СМО предполагается безвозвратная потеря сообщения, если абонент получил

отказ в приёме сообщения диспетчером (короткие гудки в трубке), то в пожароопасные периоды велика вероятность того, что абонент будет снова и снова пытаться дозвониться в ЦОС.

В соответствии со схемой на рисунке 8 вероятность утери сообщения д можно найти из решения трансцендентного уравнения:

«(1 +М)(п!п Ч) =2?=о-П-+-[*-«(!«.,)]-

Аналитическое решение для (17) получено только для частного случая, когда п=Ь=\: Ч = 0,5{[(1 + а—акв)2' + 4а2^]0'5 - 1 - я(1 - к^/як, (18)

Результаты численного решения уравнения (17) с использованием созданной компьютерной программы «Дозвон» приведены в таблице 7 и 8 соответственно для случаев п=1 п=Ь. В этих таблицах приведены крайние случаи - когда абонент после отказа не предпринимает попыток дозвониться в ЦОС (ке=0), что описывается известными выражениями из таблицы 3, и когда он постоянно будет пытаться дозвониться (&„=1), что описывается выражениями (17) и (18).

Рассмотрим ПСЧ в сельской местности, в котором один диспетчер и одна линия связи, т.е. п=Ь= 1. Пусть в пожароопасный период у абонентов будет возникать необходимость передавать сообщения о пожарах в среднем каждые 10 мин., а диспетчер ПСЧ будет в среднем тратить 2 мин на обработку сообщения и отдание приказания на высылку сил и средств ПО, то приведённая нагрузка составит а=0,2. Если абоненты не будут настойчивыми (т.е. если линия связи занята, больше звонить не будут -кв=0), то каждый из них дозвонится до диспетчера с вероятностью 83,33%, а с вероятностью 16,67% получит отказ. Если все абоненты, получив отказ, будут настойчиво пытаться связаться с ПСЧ (т.е. £„=1), то вероятность каждый раз получить отказ будет больше — 19,26%, но уже со 2-й попытки вероятность связаться с диспетчером возрастёт до 96,29%, а с 3-й попытки - до 99,28%. Но в обоих случаях это не будет соответствовать требованиям по вероятности утери сообщения - до 0,1%.

Таблица 7 - Вероятности утери сообщения в ЦОС с одним диспетчером и несколькими линиями связи

ь а=0,1 а=0,2 а=0,5 а=1,0 а=2,0 а=5,0

к.=0 К=1 ¿„=0 кв=1 *,=0 £„=1 к.=0 кв= 1 кв=0 кв=1 кв=0 ¿,= 1

1 0,0909 0,0990 0,1667 0,1926 0,3333 0,4142 0,5000 0,6180 0,6667 0,7808 0,8333 0,9050

2 0,0090 0,0092 0,0323 0,0342 0,1429 0,1795 0,3333 0,4656 0,5714 0,7283 0,8065 0,8955

3 0,0090 0,0064 0,0065 0,0667 0,0790 0,2500 0,3803 0,5333 0,7133 0,8013 0,8945

4 <0,0010 0,0013 0,0323 0,0361 0,2000 0,3247 0,5161 0,7089 0,8003 0,8964

5 <0,0010 0,0159 0,0170 0,1667 0,2852 0,5079 0,7076 0,8001 0,8944

6 0,0079 0,0082 0,1427 0.2554 0,5039 0,7073 0,8000

7 0,0039 0,0040 0,1250 0,2321 0,5020 0,7072

8 0,0019 0,0020 0,1111 0,2132 0,5010 0,7071

9 <0,0010 0,1000 0,1975 0,5005

10 0.0909 0,1843 0,5002

Таблица 8 - Вероятности утери сообщения в ЦОС, когда число диспетчеров равно числу линий связи_____

L= а=0,1 а=0,2 а=0,5 (1=1,0 а=2,0 а=5,0

к„=0 кв= 1 к.=0 £„=1 К=0 К=\ 0 *в=1 *„=0 ke= 1 к,=0 К=\

1 0,0909 0,0990 0,1667 0,1926 0,3333 0,4142 0,5000 0,6180 0,6667 0,7808 0,8333 0,9050

2 0,0045 0,0046 0,0164 0,0169 0,0769 0,0874 0,2000 0,2599 0,4000 0,5370 0,6757 0,8022

3 0,00015 0,0011 0,0127 0,0131 0,0625 0,0720 0,2105 0,2940 0,5297 0,6902

4 <0,0010 0,0016 0,0154 0,0161 0,0952 0,1212 0,3983 0,5676

5 0,0002 0,0031 0,0367 0,0415 0,2849 0,4349

Если же у диспетчера ПСЧ будет две линии связи (т.е. п= 1,1=2), то вероятность получить отказ (обе линии связи заняты) у ненастойчивых абонентов составит 3,23%, а у настойчивых немного больше - 3,42%. Но настойчивые абоненты уже со 2-й попытки смогут дозвониться с почти приемлемой вероятностью - 99,88%, что позволит оперативно решить вопрос о высылке пожарных караулов к местам пожаров.

Если же в пожароопасный период в ЦОС района будут дежурить два диспетчера (п=2) и оборудованы две линии связи (L=2), то вероятность получить отказ будет меньше - при ¿„=0 ^=1,64%, а при кв= 1 q= 1,69%.А со 2-й попытки настойчивый абонент дозвонится с высокой вероятностью 99,97%.

Таким образом, представленные в работе модели и методы позволяют оценивать основные характеристики ЦОС и формулировать соответствующие рекомендации, в условиях ограниченного числа диспетчеров и линий связи. Это, в свою очередь, позволит оперативно решать вопросы высылки сил и средств ПО к местам пожаров и ЧС в пожароопасные периоды и снизить тем самым негативные последствия пожаров и ЧС в регионах РФ.

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ основных схем передачи информации о пожарах и чрезвычайны ситуациях в ЦОС в регионах с учётом наличия сотовой связи и показана возможность моделирования системы управления высылкой сил и средств ПО с использованием математического аппарата теории массового обслуживания.

2. Разработан метод оценки параметров обобщенного потока сообщений в ЦОС о необходимости высылки сил и средств, полученного слиянием простейшего и регулярного потоков.

3. Разработана расчетно-аналитическая модель процесса повторного обращения («дозвона») абонента в ЦОС в часы наиболее сложной обстановки с пожарами.

4. Построена аналитическая модель двухфазного процесса обработки сообщений о пожарах и ЧС диспетчером ЦОС, являющаяся развитием классических методов теории массового обслуживания и позволяющая более точно оценивать показатели работы ЦОС без использования сложных компьютерных программ.

5. Предложен метод определения требуемого числа диспетчеров ЦОС при ограниченном числе абонентов и числа специалистов-ремонтников для поддержания аппаратуры ЦОС в требуемой готовности.

6. Создан комплекс компьютерных программ для моделирования основных структур системы управления высылкой сил и средств ПО к местам возникновения пожаров и ЧС в регионах.

Список научных работ, опубликованных по теме диссертации

а) Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных в перечне ВАК Министерства образования и науки РФ:

1. Манин П.А., Топольский Н.Г.,Слуев В.И., Холостов A.JI. Информационное обеспечение оценки прогнозируемого ущерба от опасных событий // Интернет-журнал "Технологии техносферной безопасности" № 5 (33). - 2010 г. (0,2/0,05 пл.), ipb.mos.ru/ttb.

2. Манин П.А., Клюй В.В., Таранцев A.A. Диспетчер как двухфазная СМО // Журнал «Пожаровзрывобезопасность» Том 20. №2, 2010. - М.: Пожнаука, 2010. (0,5/0,2 п.л.).

3. Манин П.А., Таранцев A.A. О некоторых закономерностях в одноканальных незамкнутых системах с двухфазным обслуживанием // Журнал «Известия РАН. Теория и системы управления», № 3, 2011. (0,5/0,25 п.л.).

4. Манин П.А., Холостов А.Л., Таранцев A.A. О суммировании случайных потоков с равномерным законом распределения интервалов между сигналами в диспетчерской службе комплексной системы безопасности // Журнал «Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций», № 5, 2011. (0,5/0,15 п.л.).

5. Манин П.А., Топольский Н.Г., Таранцев A.A., Холостов А.Л. Моделирование функционирования дежурно-диспетчерской службы объекта на основе одноканаль-ной безбуферной СМО с эрланговским входным потоком и экспоненциальным обслуживанием // Журнал «Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация», № 3, 2011 г. (0,3/0,1п.л.).

6. Манин П.А., Холостов А.Л., Таранцев A.A. Об одной задаче слияния случайных потоков сигналов // Журнал «Проблемы управлении рисками в техносфере», №4 2011 (0,6/0,2 п.л.).

7. Манин П.А., Таранцев A.A., Щербаков О.В. Об одной задаче синтеза замкнутой СМО // Электронный журнал «Вестник Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России», № 4, 2011. (0,5/0,15 п.л.).

8. Манин П.А., Холостов А.Л., Таранцев А.А.О задаче слияния простейшего потока с потоком с равномерным распределением времени между событиями // Проблемы безопасности и ЧС, № 3, 2012 (0,6/0,2 п.л.).

б) Публикации в международных, всероссийских, региональных и ведомственных научных журналах и изданиях:

9. Манин П.А. Моделирование обслуживания заявок центром обработки вызовов и пожарными командами // XXXVII Неделя науки СПбГПУ: Материалы Всероссий-

22

ской межвузовской научной конференции студентов и аспирантов. 4.VIII. - СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2008. (0,1 п.л.).

10. Манин П.А., Таранцев A.A. Реализация модели с возвратом отказных заявок методом имитационного моделирования в пакете MVStudium// Сервис безопасности в России: опыт, проблемы, перспективы: Материалы II международной научно-практической конференции. Санкт-Петербург, 29-31 октября 2009. - СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2009. (0,2/0,1 п.л.).

11. Манин П.А. Моделирование обслуживания заявок центром обработки вызовов и пожарными командами // Сервис безопасности в России: опыт, проблемы, перспективы: Материалы II международной научно-практической конференции. Санкт-Петербург, 29-31 октября 2009. - СПб.: СПбУ ГПС МЧС Росси, 2009. (0,1 п.л.).

12. Манин П.А, Топольский Н.Г., Холостов AJI. Прогнозирование ущерба от опасных событий // Системы безопасности: Материалы девятнадцатой научно-технической конференции - М.: Академия ГПС МЧС России, 2010. (0,1/0,033 п.л.). http://ipb.mos.ru/sb.

13. Manin P.A., Tarantsev A.A. On Some Regularities in Single Channel Unclosed Systems with Two Phase Service. // Journal of Computer and Systems Sciences International, Vol. 50, No. 3, 2011. (0,5/0,25 п.л.).

14. Манин П.А., Родичев АЛО. Оценка параметров потока событий, образованного слиянием двух случайных потоков // Проблемы обеспечения взрывобезопасности и противодействия терроризму: Материалы VI ВсероссийскойНПК. СПб, 19-20 апреля 2011. - СПб.: СПбУ ГПС МЧС России, 2011. (0,1/0,05 п.л.).

15. Манин П.А., Манина Н.В. Реализация компьютерной модели оптимизации расходов для центра обработки заявок // Подготовка кадров в системе предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций: Программа международной научно-практической конференции. Санкт-Петербург, 17 октября 2011 года. - СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС Росси, 2011. (0,2/0,1 п.л.).

16. Манин П.А. Применение СМО для оценки деятельности ДДП на примере де-журно-диспетчерского пункта с одним дежурным и обработкой сигнала в два действия // Молодые ученые о системе обеспечения безопасности в условиях природных и техногенных чрезвычайных ситуаций в первой половине XXI века: Программа научно-практической конференции. Санкт-Петербург, 17 октября 2011 года. - СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2011. (0,2 п.л.).

17. Манин П.А., Родичев А.Ю., Таранцев A.A. О некоторых проблемах спасения и эвакуации персонала с аварийных объектов в северных широтах // Материалы IV Международной НПК, 17 ноября 2011 г. - СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, Российский союз спасателей, 2011. (0,1/0,033 п.л.).

Подписано в печать 11.02.2013 Формат 60х 84 ]/1б

Печать цифровая Объём 1,0 п.л. Тираж 100 экз.

Отпечатано в Санкт-Петербургском университете ГПС МЧС России 196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, д. 149

Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы МЧС России

На правах рукописи

04201354734

Манин Петр Андреевич

МОДЕЛИ И МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЫСЫЛКОЙ СИЛ И СРЕДСТВ

ПОЖАРНОЙ ОХРАНЫ В РЕГИОНАХ

05.13.10 — управление в социальных и экономических системах

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, Заслуженный работник высшей школы РФ Таранцев A.A.

Санкт-Петербург - 2012

Содержание

Принятые сокращения 4

Основные обозначения 5

Введение 7

1. Анализ процессов управления высылкой сил и средств

при пожарах и чрезвычайных ситуациях в регионах 11

1.1 Причины задержки с высылкой сил и средств к местам пожаров и чрезвычайных ситуаций и ее последствия 11

1.2 Основные схемы передачи информации о пожарах и чрезвычайных ситуациях в центры обработки сообщений 14

1.3 Чрезвычайные ситуации и работа операторов сотовой связи 19

1.4 Моделирование систем управления высылкой сил и средств пожарной охраны с использованием математического аппарата теории массового обслуживания 22

2. Математическое моделирование деятельности

центров обработки сообщений в регионах 24

2.1 Методика оценки параметров обобщенного потока сообщений, поступающих в центры обработки сообщений, образованного слиянием простейшего потока с регулярным 24

2.2 Расчетно-аналитическая модель процесса дозвона абонента в условиях перегруженности диспетчеров и линий связи 41

2.3 Модель двухфазной обработки заявок диспетчером центра обработки сообщений 47

3. Методы обеспечения устойчивости работы

центров обработки сообщений 59

3.1 Устойчивость работы центра обработки сообщений 59

3.2 Синтез центра обработки сообщений как незамкнутой системы массового обслуживания 61

3.3 Синтез центра обработки сообщений как замкнутой системы массового обслуживания 65

3.4 Корректировка условий синтеза и оптимизация центра обработки сообщений в условиях сложного пожароопасного периода 77

Основные результаты работы 82

Литература 83 Приложение А. Пакет Мув^сНит: его возможности и методы

работы 93

А. 1 Продукт и сфера его применения 93

А.2 Принципы построения и запуска базовой модели в Му8Шёшш 94 А.З Разработка интерфейсов для конечных пользователей. Работа с

результатами 99 Приложение Б. Набор моделей в Мл^йкНит для лабораторного

практикума курсантов 103

Приложение В. Пакет Мар1е 111

Приложение Г. Пакет МаШета^са 115

Принятые сокращения

Сокращения Термины

АТС Автоматическая телефонная станция

ГПС Государственная противопожарная служба

ЕДДС Единая дежурно-диспетчерская служба

ЛС Линия связи

НП Населенный пункт

ОСС Оператор сотовой связи

ПО Пожарная охрана

1И1С Порядок прохождения сообщений

псч Пункт связи пожарной части

пч Пожарная часть

СиС Силы и средства

смо Система массового обслуживания

смп Скорая медицинская помощь

ТЭЦ Теплоэлектроцентраль

ЦОС Центр обработки сообщений

ЦУКС Центр управления в кризисных ситуациях

чс Чрезвычайная ситуация

Основные обозначения

Обозначение Пояснение Размерность

X Частота поступления сообщений 1/мин

А Суммарная частота поступления сообщений 1/мин

V Частота поступления сообщений от единичного 1/мин

источника

М Частота обработки сообщений 1/мин

а Нагрузка по фазе -

Р Нагрузка по фазе от единичного источника -

а Общая приведенная нагрузка -

N Количество источников сообщений -

п Количество диспетчеров -

п3 Среднее число занятых диспетчеров -

т Количество накопителей (число мест в очереди) -

точ Средняя очередь -

L Количество линий связи (ЛС) -

и Среднее число занятых линий связи -

S Состояние системы -

Р Вероятность какого-либо состояния -

Рн Вероятность немедленного реагирования на заявку -

Ру Вероятность утери сообщения -

Р Вероятность обобщенных состояний -

Ч Вероятность отказа в приеме сообщения -

Чг Вероятность отказа при г-ой переадресации -

tож Среднее время ожидания мин

tож Приведенное время ожидания мин

Т Период между сигналами мин

<p(t) Плотность распределения -

т Функция распределения промежутков времени между сообщениями _

Среднее число попыток соединения -

К Средне число источников, подавших сообщения -

р Нагрузка на диспетчера -

я Число переадресаций -

кв Вероятность попыток дозвониться абонентами

Введение

Пожары в России исторически являются одним из самых страшных бедствий. Ежегодно они наносят большой материальный ущерб и приводят к человеческим жертвам, что, как следует из доклада «Горящая Россия», сравнимо с постоянно ведущейся войной среднего масштаба.

Особенно опасны пожары в северных и центральных регионах России, в Сибири и на Дальнем Востоке. Это обусловливается наличием лесов и недостаточно развитой инфраструктурой, большим числом населённых пунктов (НП), в которых нет какой-либо пожарной охраны (ПО), много деревянных строений с пониженной степенью огнестойкости и печным отоплением, отсутствием или ограниченным числом водоисточников, пригодных для тушения пожаров, удалённостью НП от ближайших пожарных частей (ПЧ) - только в достаточно развитой Ленинградской области свыше двух с половиной тысяч НП, время следования пожарных подразделений в которые превышает 20 мин., как то требует Федеральный Закон от 22.07.08 № 123-ФЭ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» (далее ФЗ №123) [79]. Кроме того, проблема обеспечения пожарной безопасности во многих НП регионов крайне обостряется в период пала травы, а также в засушливый летний период по причине лесных пожаров и большого числа одновременно возникающих пожаров в различных НП, что имело место печально известным летом 2010 года.

В этой связи особенно важным является оперативная высылка подразделений ПО к месту вызова. Это, в свою очередь, предполагает скорейшую и объективную обработку сообщения о пожаре или ЧС в НП или вблизи него (приём и уточнение информации от абонента, оценка обстановки и принятие решения на высылку сил и средств к месту пожара или ЧС), от чего зависит общее время прибытия первого пожарного подразделения и, как следствие, время локализации и ликвидации пожара, размер материального

ущерба и число пострадавших. От скорейшего и полного получения информации о месте пожара в лесу также зависит ограничение его развития и успешное тушение.

Звонки от абонентов с информацией о пожарах или ЧС могут поступать в центры обработки сообщений (ЦОС) как через районные АТС по проводным линиям связи (ЛС), так и через различных операторов сотовой связи (ОСС). В ряде случаев сообщения в ЦОС поступают по прямым ЛС с предприятий и др. пожароуязвимых или общественно значимых объектов. В регионах ЦОС - как правило, пункты связи частей (ПСЧ), а также единые дежурно-диспетчерские службы (ЕДДС), центры управления в кризисных ситуациях (ЦУКС).

В пожароопасные периоды в регионах потоки сообщений в ЦОС приобретают лавинообразный характер, что чревато утерей вызовов по причине перегруженности ЛС и занятости сети сотовой связи, а также неправильной обработкой сообщений из-за ошибок диспетчеров ЦОС ввиду их переутомлённости. Это, в свою очередь, приведёт к превышению нормативного значения предельно допустимой вероятности 10~3 утери вызова и к ещё большему увеличению времени прибытия первого пожарного подразделения к месту вызова, что усугубит и без того негативные последствия пожаров и ЧС в регионах.

Таким образом, тема диссертации, связанная с управлением высылкой сил и средств (СиС) ПО в регионах и, как следствие, предполагающая формулировку практических рекомендаций по устойчивой работе ЦОС в пожароопасные периоды, представляется актуальной.

Справедливости ради следует отметить, что для мегаполисов, крупных

и средних городов проблема оперативности реагирования ПО и др.

экстренных служб стоит менее остро - это объясняет и наличие крупных

ЦОС (са11-центров) с достаточным числом диспетчеров и развитой системой

связи, и наличие на многих городских объектах систем автоматической

пожарной сигнализации, и большая концентрация СиС ПО при хорошей

8

дорожной сети (как следствие - меньшее время прибытия), и их лучшая оснащённость, и достаточное водоснабжение, и фундаментальные научные исследования (Г.И.Абдурагимов, В.С.Артамонов, Н.Н.Брушлинский, А.В.Матюшин, К.В.Погорельская, А.А.Порошин, Б.М.Пранов, С.В.Соколов, А.А.Таранцев, Н.Г.Топольский, А.Л.Холостов и др.). Разработки некоторых из перечисленных авторов учитывались и в настоящей диссертационной работе.

Целью работы является разработка и совершенствование моделей и методов управления высылкой СиС ПО по вызовам в регионах и формулировка предложений по повышению устойчивости работы ЦОС в пожароопасные периоды.

Для достижения цели поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Анализ сложившейся системы прохождения сигналов о пожарах и ЧС в регионах, работы ЦОС и управления высылкой СиС ПО по вызовам;

2. Построение модели суммарного потока сообщений, полученного слиянием простейшего и регулярного потока сообщений о пожарах;

3. Обоснование и разработка моделей двухфазного обслуживания сообщений, процесса дозвона при большой загруженности сети и метода выбора рационального числа линий связи и диспетчеров ЦОС;

4. Формулировка рекомендаций по устойчивой работе ЦОС в часы наибольшей нагрузки.

Объект исследования - система обработки сообщений о пожарах и ЧС и управления высылкой СиС ПО в регионах РФ.

Предмет исследования модели и методы управления высылкой СиС ПО в случае пожаров и ЧС в регионах.

Методы исследования: системный анализ, теория массового обслуживания, математическое и имитационное моделирование, теория вероятностей и математическая статистика.

Практическая значимость полученных результатов определяется необходимостью совершенствования структуры региональных ЦОС с целью повышения устойчивости управления высылкой СиС ПО в случае пожаров и ЧС в регионах. Разработанные модели и методы используются в учебном процессе Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России и в профильных организациях.

Достоверность основных положений исследования обеспечена корректной постановкой задач и проведением исследования, применением системного подхода при анализе предметной области, использованием современных расчётных методов, корректным использованием исходных данных и согласованностью полученных результатов с результатами работ других исследователей. Достоверность научных результатов подтверждается апробацией основных положений диссертации.

Обоснованность научных результатов определяется строгой аргументацией полученных моделей и основных выводов, доказательным и корректным использованием апробированных методов исследований.

Результатами диссертационного исследования, полученными автором лично и выносимыми на защиту, являются следующие:

1. Методика оценки параметров обобщенного потока сообщений, образованного слиянием простейшего потока с регулярным;

2. Уточнённая модель двухфазного процесса обработки сообщения диспетчером ЦОС;

3. Расчетно-аналитическая и имитационная модели процесса дозвона абонента в ЦОС в часы наибольшей нагрузки;

Глава 1. Анализ процессов управления высылкой сил и средств при пожарах и чрезвычайных ситуациях в регионах

1.1 Причины задержки с высылкой сил и средств к местам пожаров и чрезвычайных ситуаций и ее последствия

Во многих регионах РФ, где имеются большие лесные массивы и месторождения торфа, недостаточно развита дорожная сеть, большое число строений с пониженной степенью огнестойкости, печное отопление, а также ограниченное количество ПЧ и слабая добровольная ПО наиболее высок риск ущерба от пожаров и гибели людей ввиду запоздания с высылкой СиС ПО к местам пожаров и ЧС.

Особенно остро данная проблема проявилась жарким летом 2010 г., а также в 2011 году (рисунки 1.1 - 1.4). Так в 2010 лесные пожары были отмечены в 22 субъектах Российской Федерации. Сильнейшие природные пожары полыхали в европейской части России с июля. В результате погибли 60 человек, сгорели около 2,5 тысячи домов. В связи со сложной пожарной ситуацией в семи регионах - Нижегородской, Воронежской, Владимирской, Московской и Рязанской областях, в республиках Марий Эл и Мордовия -вводился режим ЧС. В борьбе с огнем участвовали более 160 тысяч человек, из которых почти 125 тысяч - профессиональные пожарные, которые работают в МЧС.

С точки зрения происшествий, зафиксированных на территории Северо-Западного федерального округа, последние годы были нестабильными. Лесопожарный период начался в 2010 году непривычно рано: 6 апреля в Калининградской области были зафиксированы первые пожары на общей площади 3,7 га. Всего с начала пожароопасного периода на территории Северо-Западного федерального округа возникло 2177 очагов природных пожаров, что почти в два раза превысило показатели 2009 года.

Наиболее сложная обстановка сложилась в Коми, Карелии и Архангельской области. Был развернут круглосуточный оперативный штаб регионального центра с привлечением представителей Росавиалесоохраны, Северо-Западного регионального командования внутренних войск Министерства внутренних дел России и Ленинградского военного округа. Удалось предотвратить возникновение пожаров в 1278 населённых пунктах, расположенных в пожароопасной зоне, и уберечь от огня свыше 83 тысяч жилых домов, в которых проживают 1 млн. 300 тысяч человек.

Рисунок 1.1 - Борьба с низовым Рисунок 1.2 - Верховой пожар

пожаром («огненный шторм») вблизи

сельского населенного пункта

Рисунок 1.3 - Тушение пожара в Рисунок 1.4 - Последствия пожара в сельском населенном пункте сельском населенном пункте

Однако несмотря на все меры количество погибших превысило 1300 человек, что является показателем, который необходимо уменьшить.

В 2011 году на территории федерального округа произошло 2455 лесных пожаров на общей площади 132 770 га. Площадь, пройденная огнём, увеличилась в 3,4 раза, по сравнению с 2010 годом.

Всего на территории федерального округа расположено около 28 тысяч населённых пунктов с населением свыше 13 млн. человек. Выяснилось, что не отвечают требованиям технического регламента по размещению подразделений пожарной охраны 10524 населённых пункта (37,7% от общего количества НП), с населением около 500 тыс. человек (3,5% от общего количества населения). Проблемными по прикрытию населения и населённых пунктов остаются Псковская, Вологодская области, Республика Коми и Ненецкий автономный округ, где около половины НП труднодоступны.

Принимая в учет всю важность развития инфраструктуры и материально-технического оснащения пожарных и спасательных подразделений, успех борьбы с пожарами в НП и лесных массивах во многом зависит и от оперативности обработки сообщений (сигналов, звонков) с информацией о возгораниях. Их запоздалое поступление на пункты связи пожарных частей (ПСЧ), в единые дежурно-диспетчерские службы (ЕДДС) или центры управления в кризисных ситуациях (ЦУКС) приводит увеличению времени прибытия СиС ПО. Это, в свою очередь, приводит к увеличению времени свободного развития пожара, большому материальному ущербу и человеческим жертвам.

Представляется возможным отметить основные причины утери сообщений и задержек в их приеме. Во-первых, это перегруженность линий связи и диспетчеров. Из-за несоответствия инфраструктуры наплыву заявок в пиковые периоды абоненты не могут связаться и сообщить информацию о пожаре. Такое положение дел является следствием «обвала сети» или

неправильной организации ЦОС и влечет несвоевременное реагирование и возрастание риска человеческих жертв и увеличения материального ущерба.

Вторая важная причина - это переадресации сообщений до момента окончательной обработки и высылки сил и средств на пожар. Данная проблема стремительно обрела важность из-за все увеличивающейся роли операторов мобильной связи в коммуникациях. Сейчас становится понятно, что в дальнейшем эта роль будет еще большей. При всех преимуществах ее использования система прохождения сообщения принимает сложный и зачастую неоднозначный характер. В этой связи варианты схем передачи информации о пожарах и ЧС требуют отдельного рассмотрения.

1.2. Основные схемы передачи информации о пожарах и чрезвычайных ситуациях в центры обработки сообщений

К запаздыванию поступления сообщения о пожарах в регионах приводит достаточно сложная система прохождения сообщений. Существуют 4 основных варианта (представлены на рисунках 1.5 - 1.8) передачи сообщений о пожаре и ЧС. В первом случае сообщение посредством АТС или оператора сотовой связи сразу попадает в пункт связи частей (ПСЧ) той пожарной части (ПЧ), где находится горящий объект. В этом случае сразу происходит высылка СиС, а в случае необходимости через ЕДДС происходит запрос на высылку дополнительных СиС из соседни�