автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Научно-методические основы принятия решений по обеспечению пожарной безопасности промышленных объектов с применением теоретико-игровых моделей

МИНИСТЕРСТВО ВНУТРЕННИХ ДЕЛ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕР*'!"И ВЫСШАЯ ИНЖЕНЕРНАЯ ПОЖАРНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ШКОЛА

На правая рукописи

до'жровскя mmi ■

НАУЧНО-ИЕШИЧЕСКИЕ ОСНОЮ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЯ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЙ ПОПАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОШМЕННЫХ ОБЪЕКТОВ С ПРИИЕНЕИИЕИ ТЕОРЕТИКО-ИГРОВЫХ МОДЕЛЕЙ

Спгцшйнссть: 05.23. Oi. 0*ргга труда я погарнал безо тел ость

Сб. 13.10. Ущшгаппв в социальных в акснсзнчгскзщ састс^ая

Автореферат гзсссртшш на сояскгнко учакоа степени доктора технических паук

Москва 1395

Работе выполнена в Высшей инженерной понарно-тсхшческой школа КБД №г

Научный консультант - действ, член Академии естественных наук РФ. доктор технических наук, профессор И. Г.ТополшотЯ.

Официальные оппонента: действ, член Академии естест-

ванных наук №. доктор технических наук, профессор Бурков Б.Н.;

действ, член йевдун&родной академии информатизации, доктор технические наук, профессор Леев В. В.; доктор технических наук, профессор Кошароз O.A.

Ведущая организация -. Акгиеншз !Щ РФ.

Зашита состоится 24 апреля 1995 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д.052.03.01 в Высшей кн-х&нернсй пожарно-технической школе МВД № по адресу: Москва, уд. Б.Галушкина, д.А. зал совета.

С дкс-сертацией можно ознакомиться в библиотеке БИПТШ МЕЛ РФ.

Автореферат разослан 23 марта 1995 г. йсх. Н 8/11.

Отзыв на ¡иптореферат с заверенной подписью я печать» просим направить в ВИПТШ МВД РФ по указанному адресу.

Телефон для справок: 283-19-05.

Ученый секретарь 7. Г. Меркушкина

диссертационного совета кандидат технических наук старыий научны® сотрудник

ОЭДАЯ ХАР/КГЕРЕСПНА РАБОШ

Пожары постоянно сопутствуя? произволстьетасй''деятельности ' человека, нос развитием ясЗтехиник ш газсаой энергетики они стали сопро-воадаться обьекикст огаегасш взркгздн парозоздуишх или газсЕоздузныя емссеЯ. '¡то р*г?,а увеличило пораяаадса воздействие погаров в прсггиялсгноста.

Чтоб« составить проставление о касптабая залезекнсЗ в техносфере ззрнзояогаргюй опасности, достаточно утаить, что в ггмро «з годно добывается. хранится. транспортируется и используется ОКОЛО 10 Шгрд. ТОНН УСЛОВНОГО Т0ПЛИВЙ. которое по своей способности азр^эатьсл а гсрзг» осизнорчуо с пораззгза« потенциалом нгшшеияых ядерккх бозприпасса.

3 отличив от яогароп е янльк зданиях. пояары на гтро-шаигсшш оЗъгктзх, йак ярааяло. является болев хруияьки и зачастую вшкугг иассозоа перагеш£3. о качество примера достаточно прквсста позгар на ХакАЗз з 1593 г.. в результата которого водноогы» сгсрэл гасэд бзтоаобмлькьк двигателей.

Особую огабочзяность шзш^ш- шшрн иа радкадаонно и .химячгсга опасных прО'лагзггигз? б&еятах где озш. ¿аге не •будучи крутяая и яетмредстз&пю яэ тчося серьезного уг,бр&!. "шжщщуз»» пажжов&ш та;::«: грсяш. поразав-ик фактсроз, к а!: р&шдаошгоа я хиническоз дарзгение.

Рагаятоз прсЕьэлекяосга, еа иагокая концентрация. но-ШгеШГЗ ОДЖЙЧНОЗ Ь'С^ССТЗ ОТДЗЛЬИ!« производств я рост их знергоЕСсругеиноста, узеглчекхз плотности транспортных ко&гукикетй, игреке® пряшгеяйф гашкерных горючих иате-р-шсз п пожароопасного злзкярсоСаруяйаанзш сопрозоздавтся рсстсл <с?сла погзрса на проюалеякнх сб-ьектах, масштабов 5Г.с? погарсз л сспутстзугпгпс иа взр££ой. радиационного и Ейкггзсхого злраггзапз. ■ ,

Поэтсиу обеспеченна пжарнсЗ безопасности прсмьшек-госта продолзаат оставаться олкой из вагнейвос залач вш систеаа псгэркой охрана и руководства предприятий.

Постоянное йаргстахпгэ шяаарной угрогн.я проиышннос-тп диктует кеобходизззсть шгезгоаия зффейтнвности систем

попарной безопасности (СПБ) грокызлешйгх объектов, для чг-го требуется проведение иелого когтлекса кероцриятай. в

ток; числе:

- повышение качества попарной техники;

- шзфокое внедрение автоматических средств полгрзсЗ сигнализации. тувения поааров. протиБсдыжоЗ зат^-лн:

- улучшение надзорно-прсфилактаческой противопсззраой деятельности;

- повышение профессионального уровня работшков попарной охраны и общей противопогарной гргу.ошоста обслуживающего персонала промышленных объектов.

Б этом комплексе мероприятий осаСо атаэтить

повышение качества упршленкя коварней охраной в целя;? обеспечения рационального использования ограниченных кате-ркально-технических и фквакссйкх ресурсов. кнтенсн5нкац!Ш к оптад;зации деятельности всей снстеж погарной охраны, ¿ля Республика Полька позьгпенкц качества уцраглевяз локгр-ной охраной является аеоыга актуальные ецг и аотоау. что вследствие значительных трудностей с ЕадосЕйбшшек в стране оцузаетсп явная иадостато^-юсть ва&г воззро/у-

Павьагенне качества гпрезленкя в позараой охране тре-оует применения ксшх ¡¡зфориационккх в кэккуакхадаонкых те.&о.юреализуемых на электронных вычасдитеяыа» иа-к Евтонатизкровакнкх средствах снят,:, и научных ие-г гржятня решений. Существует настоятельная несСяэди-кгс-.ъ ускорезаогс пэрехагг от сяоганиосся традщионннх ме-тсдгв улразлеЕЕЕ к кекг^ексаоку цршешетп езтмгатагяро-ваннах -:челс.Еекг-к£гз5:кг:;£х) систем укравлешш. в которых осуществляется диалог человека с электронно* вычислительной катаной; ЗВП шдает с5основанннэ рекскекдаэш по принятию решения, а окончательное решение ;прнЕ£кает лвдз. наделенное соответствующими правами.

Сердцевиной управления является принятие решений: от кх обоснованности во многом зависит функционирование сил и средств потри ой охраны и эффективность мер то предотвращении посароь. их ликвидации. спасению людей и материальных ценностей.

Характерной особешостьэ принятия шюшх ресений з позарпсЭ охране проваленных объектов является недостаточность конкретной информации о предпояарных и пекарных ситуация*. неопределенность зткх ситуаций.

Автоматизация систем попарной безопасности. их оснащенность вычислительной техникой лают возможность применения научных методоз принятия репений в условиях недостаточности кнфорнация, повкшежя сбоснсзаннсстл этих регения я снихзжя субъективного фактора при их принятии.

Цель н задачи псслецодант^. Цельо диссертационного исследования является разработка научно-иетояичесхих основ принятия реяенкй по обеспечения пог-арнсг. безопасности про-иыаленкых объектов с применением теоретико-игроеш: моделей. позволящих уменьшить субъективный характер регзкий з условиях недостаточности конкретной информации о предле-зарккх и пожарных ситуациях па объектах н позкеятэ обоснованность реаэния с учетом результатов поедварательнея сценки различных вариантов действий погорной охраны.

Калболзз простата задачами принятия резекий по обеспеченна попарной безопасности являпгтея та. а которых известны все факторы, характеризующие предпояарныг и позар-нка ситуации - это детергсшированные вариационные игровые задачи.

Емзсте с тем при решении значительной части задач управления погарной охраной приходится сталкиваться с недсс-таточностьа конкретной информации о ряде факторов пожара, неопределекностьо предпсЕарных и попарных ситуаций: известными бывает перечни факторов поглра. диапазоны их параметров. иногда и их вероятностные характеристики, но отсутствует точная и полная информация об этих факторах. В науке об исследовании операций зада'« такого рода нагнаны задача1« "принятия решения в условиях неопределенности".

С наибольшим числом неопределенных Факторов приходится сталкиваться при проектировании систем и средств обеспечения .товарной безопасности и при управлении службой попарной профилактики. К этим факторам относятся:

- причины погара (взрывы, огневые работы, неиспсав-нсстн технологического оборудования, непредсказуемые сши-

- в -

бочные действия обслузкваящгго персонала, неосторсшюе обращение с огней, самовозгорание, подлога и др.):

- кесто возникновения пояара:

- время возникновения поаара (время года, суток);

- погодят условия (температура окружающего воздуха, снег, довдь, параметры ветра и т.д.);

- состояние пожарной техники;

- состав и количество горючих кецеств к материалов на объекте;

- категория зданий, помещений, сооружений.

При возникновении покаров и принятии управленческих решений по их тушении, эвакуации людей и дьмоудаленив из горянку. зданий часть факторов пожара, как правило, также остается неопределенной, о них отсутствует достоверная кн-г>эркацкЕ Это некоторые кз перечисленных выше факторов, а таж:

- количество ледей. подлегщих эвакуации;

- направление и вреия свободного развития понара;

- условия срабатывания пог»ряой автокатики и г;'фек-тианость использования прибывшей пожарной техники;

- состояние строительных конструкций.

При принятии решений по обеспечении пожарной безопас-::ос1г в условиях неполноты информации гшектся две альтер-либо случайные субъективныз решения, которые пеш-оекнз связаны с риском к возможные опшСгаыи. либо реше-опирающиеся ка научные метода исследования операций, предварительную оценку' результатов различных вариантов действий пожарной охраны во все« диапазоне факторов псзьарг к обеспечивайте оптимальность по сравнении со случайными волевыми решениями.

Существо научно обоснованных методов принятия решений в автоматизированных системах пожарной безопасности (АСПБ) при неполноте информации о Факторах пожара заключается в следующей. Задача принятия решения интерпретируется как задача нахождения решения в игре двух сторон, одной из которых являются силы и средства пожарной охраны, другой -факторы поаара (которые принято такае называть "природой").

Для проведения шщдой игры с "природой* надо знать набор стратегий (ходов) обеих сторон, результаты игры при каздой паре стратегий (выигрыш или потери) и. по зозмсх-ностн. вероятности стратегий "природы".

Построив матрицу выигрышей (потерь) я проакализнрссав ее. 5гозио заранее оценить последствия каждого ранения. отбросить явно неудачные варианты действий сил и средсга поаарно/1 охраны к рекомендовать наиболее эффективные Д2$с~ твил для всего диапазона факторов позара.

В соответствии с поставленной цэльа в диссертации решится следующие задачи:

- обоснование Бкбсра . теоретико-игровых кодалей лхл принятия ревюний по обеспеченна пссарной безопасности и методов оптимизации решений при применения этих моделей:

- разработка теоретико-игровых методов прннйткя решений по противопожарной заяэте: тушении поеаров. эвакуации людей и джоудалению из горящих здашй:

- разработка теоретико-игровых нетодов принятая редкий по проведении пожарной профилактики:

- разработка игровых петолс:; проектирования снстон позарной безопасности;

- разработка игровых методов обучения работников позарной охраны принятии решений э условиях недостаточности кнфоргшега.

Обоснованность к достоверность научных пололений. выводов и рекомендация подтверждается принятыми уровнями допущений при математической описании модели пожара и теоретико-игровых моделей, катеиатическики метода.'«, критериями и принципами оптимального управления (Понтрягина. Гурвица. Белллака и др.). коипьвтернки моделированием при использовании теоретико-игровых методов принятия решений з АСП5. результатами решения на ЭВМ конкретных практических задач по обеспечения позарной безопасности объектов, практическим использование« разработанных моделей и методов а работе органов и слувб позарной охраны Республики Польша и з учебном процессе.

диссертационного исследования состоит:

- в разработке научно-методических основ применения теоретико-игровых моделей для принятия решений по обеспеченна поаарной безопасности в условиях недостаточности информации о прсдпокарных и пожарных ситуациях на защищаемых промышленных объектах;

- в разработке теоретико-игровых методов принятия решений по тушекив пожаров, эвакуации людей и дг&гоудалению из горящих зданий промышленных объектов;

- в разработке теоретико-игровых методов принятая ре-' ияний по пожарной профилактике на потенциально опасных промышленных объектах;

- в разработке игровых методов обучения работников поаарной охраны принятию решений в условиях недостаточности информации;

- в разработке игровых методов проектирования систем пожарной безопасности промышленных объектов.

Практическая ценность и реализация результатов лис-с;ертд.циокной работы. Разработанные в диссертации ка/ч -ио-методические основы принятия решений по обеспечению по-нарной безопасноста промышленных объектов с применением теоретико-игровых моделей позволяют уменьшить субъективный характер решений, неизбежно связанный с риском и возможны-№ ошибками, и повысить обоснованности решений с учетом результатов предварительной оценки различных вариантов действий пожарной охраны в условиях недостаточности информации о факторах пожара.

Применение теоретико-игровых методов принятия решений по обеспечению поаарной безопасности в условиях неполноты информации стало составной частью автоматизации Государственной пожарной охраны Республики Полый» СРП). управления ее органами и службами, в том числе:

е Научно-исследовательском центре пожарной охраны РП - при разработке норм проектирования систем поаарной безопасности;

в Главной школе поиарной службы РП - в учебном процессе по курсам: "Автоматика противопожарной защиты".

"Технические слоте: за пострной безопасности". "Попарная профилактика технологических процессов". "Тг-ктчка спасательных действий ;т пскаротуЕсния":

п Главной управлении позарноЯ охраны РП - при управлении служба;® и подразделениями;

в районных управлениях поаарной охраны Конин с ко Г'.;. Пндьскпго. Щецинского и Позканьского воеводств РП - г.г.л проведете* профгиактической и тактической работы.

Шзярение тесретнко-игрозих методов принятая ревеня ? 8 сястзиэ ксгзрной охраны Республики Польгл повысило про-тивоповарнув задиту промышленных объектов, уменьшило яс-гарнуэ опасность на этих объектах и снизило людские и териаяькиз потери при пожарах, внеся теа самым сущестп»,-н-ккй вгслзд О науку и практику обеспечения попарной безо.ис-исстя проккаленностя.

Апробация работа. Оснозныэ результата дкссэрталкгннс;! работа докладывались а обсуадолюь на 7 нездунзрои конференциях !! 13 польских конференциях. скштозиуках. сжша-рах:

- Научная ко.чферетда по прсблегам сло.-зя« слотем управления. Варшава. 1S82 г.;

- Всепольсклй скипозиун по кзбср^зтахе. Заршаза, 1933 г. ;

- Симпозиумы "Искусственный йнтелгзкт". Варзаза. 1S8S. 1S87 гг.;

- Третья школа пояармоЯ oxpaiiy, Eap^ââa. 1938 г. ;

- Всепольский сешнар 'ИсглздсЕаяне позарез", Зар-пава. 1388 г,;

- Симпозиум "Ясйусствбнгшй интеллект а разгягл? систем". Варпава, 19SB г,;

- Сттоз'лут по сястемаи безопасности. Лольгй, г. Кекх 1SS3, 1990 гг.;

- ВсеПЗЛЬСКИЯ С!!ЖЙЗЙУЙ "ТТекуссТВенНЬД л кибернетика знатй\ г, Седльяе-г&рсаза. 1991 г, ;

- Скиизиуки по безопасности систем. Шика», г, 1S92. 1994 гг.;

- Нежщародгз® конференции 'Инфс^йзттазиия систем безопасности* Йгзшукзрояного форума информатизации. Моек-

ва. 1992, 1993, 1994 ГГ.;

- Международные конференции пожарной охраны. Чехия, г. Острава. 1992, 1993, 1934 гг.;

- Международная конференция "Информатизация прааохра-нительиых систем", Москва. 1934 г.;

- Симпозиум "Искусственный интеллект". Польша, г. Седльце. 1994 г.

Публикации. Результаты диссертационных исследований опубликованы в 32 работах, в том числе: 9 - в трудах международных конференций (5 - в России. 4-е Чехии); 12 - в трудах польских конференций, симпозиумов и семинаров; 3 -в сборнике трудов БИПТШ МВД РО; 5 - в Главной школе пожарной служба РП; 1 - депонирована в ГИЦ ШД РФ.

- научно-иетоднческие основы применения комплекса те-сретико-игровых моделей для принятия ревений по обеспеченна поаарной безопасности промышленных объектов в условиях недостаточности информации о предпожарных и попарных ситуациях;

- теоретико-игровые методы принятия решений'по тушение пожаров, эвакуации людей и дымоуДалению кз гооящих зданий промышленных объектов;

- теоретико-игровые методы принятия решений по пожарной профилактике;

- игровые методы проектирования систем попарной безопасности;

- игровые методы обучения работников пожарной охраны принятию решений в условиях недостаточности информации.

рбъем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем диссертации - 307 страниц машинописного текста; 35 рисунков и 14 таблиц; список литературы - 208 источников: приложения на 90 стр.

Е приложениях приведены блок-схемы алгоритмов и программы математических игровых моделей и акты о реализации диссертационных материалов в работе органов пожарной охраны Республики Польша.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе показано, что в условиях ограниченности материально-технических и Финансовых ресурсов позар-ной охраны экстенспв!шй путь усиления борьбы с поварами з промышленности на представляется возмозяши я поэтому требуется широкая автоматизация систем позарной безопасности, использование? новых организационных. информационных и коммуникационных технологии (реализуе!шх на програ:ошо-тгхки--ческих средствах сбора, передачи, обработа! и отобра-кенн? информации) н новых технических средств обнаружения пежа-ров, их локализащеи. тушения н загщтн ллдей. сосружнил. окрузахщей среды.

В настоящее вре:'Д автоматизация систем попарной безопасности прометенных объектов осуществляется па даун направлениям:

- внедрение автоклтлчзских средств противопожарной защиты. функционирующих баз вмегателъстЕа человек по заранее заданным програ2о^ам (погарных извегателей. установок пожаротушения, систеп протаводкжой загзггн, средств противопожарной загциты технологических процессов производств);

- внедрение автоматизированных (человеко-чапжных) . систем и подсистем, рогаяоих с использованием электронных

вычислительных иапин управленческие, адкянистратазно-хо-зяйственныз и другие задачи в интересах поззрной охраны (иныии словами: автоматизация рекешш задач в резике диалога человека с ЭБУ-. при которой окончательные ревения пришшает человек).

Указанные пыгга азтокатизированныз систем и подсистемы. а такге автоматизированные средства связи по существу являгггея взаимоувязанными элементна! единой автоматизированной системы позарной безопасности (АСПБ). представлявшей собой человеко-машиннув управленческую часть общей систем погарной безопасности промышленного объекта.

Показано что. применение разработанных з диссертации теоретико-игровых методов принятия решений по обеспечения попарной безопасности является составной частьи автоматизации решения задач по управлении СПБ слонных промышленных

производств.

В главе показаны основные причины автоматизации еноте*: пожарной безопасности и предпосылки для ее успешного осуществления.

В системах пожарной безопасности промышленных объектов автокатизкрованно могут решаться следующие задачи:

- информационное обеспечение руководителя тушения пожара. подразделений пожарной охрани ч персонала объекта при возникновении предповарных и пожарных ситуаций:

- управление действия!® подразделений при тушении пожара:

- управление службой поаарной профилактики:

- управление эвакуацией людей и дымоудалением;

- постоянный контроль готовности и работоспособности пожарно-техшческого оборудования;

- постоянный контроль предпокарных к поиарных ситуаций на основных технологических узлах и оборудовании объекта;

- проектирование средств, систем и подсистем понарной безопасности;

- обучение работников покарной охраны;

- оценка проектных решений по объекту защиты на предмет их соответствия требованиям пожарной безопасности.

Решение ряда этих задач осуществляется в условиях неопределенности некоторых факторов пожара: их случайного характера, неполноты информации о них. что требует применения теоретико-игровых методов и предварительной, оценки различных вариантов действий попарной охраны во всем возможном диапазоне факторов пожара.

Общая структура АСПБ промышленного объекта (рис. 1) включает в свой состав функциональные системы нижестоящего уровня и обеспечивающие системы.

В состав функциональных систем АСПБ входят:

- автоматизированная система предотвращения пожара, которая предназначена для автоматизированного управления пожарной профилактикой, ликвидацией аварийных предпожарных режимов и проектирования систем пожарной безопасности;

- автоматизированная система противопожарной защиты.

АСУ технологически;.! процессом (АСУГП) АСУ похссрной охраной региона (АСУПО) АСУ производством (АСУП)

(

Аатоалатизаровлнная система похшрной бз5опссности(АСЛБ) |_J

Аатоштизнрованная система прэдотсращсн1!л поксаро (АСПП) Автоматизированная сис1сма протиоогккклрной гащнты(АСППЗ) Автоматизированная снстза&з общего иззкйчония (АСОН)

Подсистема предотвращения продпагхарных рсжшоэ (ПППР) Подсистема пожарной сигнализации (ППС)

Подсистема оповещения людей а ' управления »айкуациой (ПОЛУЭ) Информационная екзтеш псйсзрноД бэзспасиосты (ИСПБ)

Подсистема пожаркой профилактики (ППП) Подсистема протиоодымкоЛ гащиш (ЛПДЗ)

. Подсистема пс5*аротушеи15я(ППТ) Подсистогда подготовку кадроз (ППК)

Система аатоштинроааннсго проектирования (САПР) СПБ АС салак и слератиэного _ управления пзжсрнсЛ охраны (АССОУПО)

Обсспо^иаающ1ш системы (виды об&сп&ч5№«я)

информационной иэтомшич&ское ................ ....... .........1 программное тоАИйчеооа | методическое | органиавцйомио-правовое

Рис. 1 . Общая структура ЛПЦ; пр> м1Л|Цити/ГО ое'уьокта

которая предназначена для автоматизированного управления тушением покара и связанными с ним первоочередными аварийно-спасательными работали (эвакуацией людей и дымоудалени-ем из горящих зданий);

- автоматиз!фованная система общего назначения, которая предназначена для автоматизированного решения задач в интересах всей системы попарной безопасности объекта и состоит из информационной системы попарной безопасности и подсистемы подготовки кадров.

В работе выполнена укрупненная классификация математических игр, на основе которой осуществлен выбор видов игровых моделей для принятия решений в АСПБ.

Для решения управленческих задач в АСПБ используются двусторонние игры, которые являются в основном неантаго-нистическимн, за исключением игр. в которых причинами пожаров могут быть поджоги.

Методы теории игр в наиболее простых случаях дают возможность найти оптимальные решения. В более сложных случаях эти методы дают вспомогательный материал, позволяющий глубже разобраться в сложившейся ситуации, опеки^ь каждое из возможных решений с различных точек зрения, взвесить его преимущества и недостатки и в конечном счете принять если не единственно правильное, то по крайней мере обоснованное решение.

Б работе показано, что при выборе решения в условиях неопределенности всегда неизбежен некоторый произвол и, следовательно, риск. Однако в сложной ситуации всегда полезно представить варианты решения и их возможные последствия. чтобы сделать произвол выбора решения и риск минимальными.

При предварительном определении методами игрового математического моделирования результатов тех или иных мер по обеспечению пожарной безопасности объекта защиты и принятии управленческих решений в АСПБ в качестве одной стороны проводимой двусторонней математической игры предложено рассматривать силы и средства АСПБ, а другой стороны -заранее известные и неопределенные факторы (случайные значения или диапазоны значений), характеризующие предпожар-

ныв я товарные ситуации, параметры объекта запеты.

Возможность практической реализации предлагаемого в диссертации теоретико-игрового подхода к принятию решений по обеспечению поаарной безопасности показана на упрощенных примерах отдельных задач, решаемых в некоторых подсистемах АСПБ (стороны игры для автоматизированной системы противопожарной зацггш представлены в табл. 1).

Таблица 1

Стороны игры для автоматизированной системы противоповарной защиты

Подсистема (система) Стороны игры

Сторона 1 Сторона 2

1. Подсистема попарной сигнализации (ППС) 2. Подсистема оповещения людеЛ и управления эвакуацией (ПОЛУЭ) 3. Подсистема про-тиводынной защиты (ППДЗ) 4. Подсистема пожаротушения (ППТ) 5. Автоматизированная система связи и оперативного управления ПО (АССОУПО) Начальные стадии возникновения и развития пожара Опасные факторы по-яара, СДЯВ. радиоактивное излучение Задымление Поаар Погар Техн. средства попарной сигнализации Техн. средства световой и звуковой сигнализации. указатели Техн. средства вентиляции и дыноудаления Силы и средства пожаротушения Техн. средства связи и управления

При выборе конкретных игровых моделей для принятия решений в АСПБ рекомендовано учитывать степень неопределенности информации н необходимую оперативность принятия решений.

Показано, что наибольаее число неопределенных факторов имеет место при проектировании систем пожарной безопасности, выборе мест размещения пожарной техники. Но гтоя этой имеется и достаточное время для принятая решений, что лает возможность проводить многсзариантные расчеты, сложное моделирование. При'.принятии решений по проведению пожарной профилактики неопределенность информации уменьшает-

с я к имеется достаточное время для проведения любых необходимых расчетов.

Из анализа, проведенного в работе, сделан вывод, что при возникновении предпожарных и пожарных ситуаций неопределенность информации становится еще меньше, но необходима максимальная оперативность принятия решения, что требует заблаговременной оценки различных вариантов действий сил и средств пожарной охраны в диапазонах возможных факторов пожара, записи результатов этих оценок в базы данных соответствующих подсистем АСПБ и максимального использования теоретико-игрового моделирования.

Во второй главе дано обоснование выбора теоретико-игровых моделей для принятия решений по обеспечению пожарной безопасности промышленных объектов, приведено описание этих моделей, а также методов оптимизации решений при использовании теоретико-игровых моделей.

Показано, что многообразие задач по проведению попарной профилактики, ликвидации предпожарных режимов, тушению пожаров, эвакуации людей, ' г&ю удалению. проектированию систем и средств противопожарной защита, обучению личлсго состава пожарной охраны, обусловленное также различием объектов (количество зданий, помещений, их размещение и планировка, категории пожаровзрывоопасности. удаление от пожарных частей и т. д.) требует применения различных видов теорегико-игровых моделей для принятия обоснованных решений.

Для принятия решений по обеспечению пожарной безопасности промышленных объектов рекомендовано использовать теоретико-игровые модели с набором типовых решений, с автоматическим поиском решений, матричные, дифференциальные, многошаговые и имитационные модели.

Показано, что нахождению решений в условиях неопределенности факторов пожара в наибольшей степени соответствует матричная теоретико-игровая модель, в которой сторона 1 ("природа" - факторы пожара) имеет т стратегий, а сторона 2 (силь' и средства пожаркой охраны) - п стратегий.

Множество возможных стратегий стороны 1 игры определено, как:

X - (X!. Хг..... X!..... X,). (1)

которое названо пространством состояний "природы", а эле иенты этого пространства - чистыми стратегиями "природы" Множество стратегий стороны 2 игры определено, как:

¥ ■ (У|. У*..... У!..... Уа>. (2)

В общей случае игра определяется платежной матрице;! следующего вида;'

У| yj Уа

С, а* а,» a, a

it аи ... atJ <4*

(а а.» ... I За, a»«

Zalttt ... |XOtj4t

В этой иатркце 4, - вероятность стратегии xi; at л -значение выигрьгза (или потерь) стороны 2. если она выбрала своп J-o стратегии при 1-й стратегии стороны I. Если вероятности стратегий "природы" неизвестны, то предполагается, что все стратегии "природа" равновероятны, и в этом случае вероятности в расчетах не используются, поскольку они (как постоянный множитель) не влияет на проведение сравнительной оценки стратегий погарной охраны.

В играх с бесконечным числом стратегий (непрерывных или дискретных) вместо платежной матрицы предложено использовать платежную функцию f(x.у), где х и у - переменные. характеризующие стратегии сторон игры.

Во многих -случаях путем некоторой идеализации реальных явлений удается свести все бесчисленное многообразие внешних условия к конечному числу возможных состояний

"природы" х,..... »о. Вероятности 4i удовлетворяют условиям: • .

ш

Ki > 0. (3)

1-1

В качестве результатов игры (выигрышей или потерь) рекомендовано использовать показатели эффективности СПБ в целом или ее отдельных подсистем и средств (минимум ущерба. минимальное время ликвидации пожара, минимальный расход огнетушащего средства, минимум погибших на покаре и т.д.). Выбор этих показателей следует осуществлять с максимальным использованием статистических данных и рекомендаций специалистов-экспертов, способных выбрать ключевой показатель для каасдой подсистемы и каждого технического средства.

Результата игры используются для выбора оптимальной стратегии действий пожарной охраны, при которой достигается максимальный средний выигрчш или обеспечиваются минимальные средние потери.

К случайным стратегиям "природы" в работе отнесены место возникновения пожара, время его свободного развития и время его возникновения (в течение суток и времени года). вероятность взрыва, вероятность обрушения конструкций и т.д.

Вероятность этих стратегий определяется методом статистического исследования или экспертного анализа. Время свободного развития пожара включает в себя тот промежуток времени, в котором пожар развивался до поступления сообщения на Центр управления силами и средствами ЩУСС). Если на объекте с моделируемым пожаром имеется автоматическое устройство пожарной сигнализации (АУПС), то время развития пожара до сообщения на ЦУСС можно рассчитать. Если АУПС отсутствует, то вероятность свободного развития пожара является случайной величиной и определяется методом статистического исследования.

К ходам "природа" в работе отнесено изменение во времени площади пожара, температуры, плотности задымления.

высота нейтральной зоны, направления распространения фронта пожара (горизонтальное, вертикальное).

Показано, что количество ходов в игре можно увеличить и тогда построенная модель будет более точной, но это приводит к увеличения количества стратегий и построение платежной катрицы при этом представляет весьма непростую задачу.

Сторона 2 располагает силами и средствами псжарноЛ охраны. К ним относятся: количество отделений, количество стволов, вид огаетутащего состава и т.д.. Управление этили силами и средствами осуществляется ходами стороны 2.

Отмечено, что в последние годы широкое распространение при исследовании динамики функционирования сложных систем получил метод имитационного моделирования, сущность которого состоит в построении для исследуемого процесса соответствующих моделирующих алгоритмов, имнтируюдих с по-ио!цьо ЗЕ1! позедение элементов сложной системы и взаимодействие меаду ними с учетом случайных возггущавчих факторов.

Показано, что специфическую имитационную модель представляет имитационная игра. Иетод игрового имитационного моделирования синтезирует черты трех методов: экс. пертного. теоретического а экспериментального, что и определяет его потенциальные достоинства.

Имитационные игры рекомендовано применять для информационной поддержки при управлении оперативной деятельность!) пояарных подразделений. Модель такой игры имитирует реальные события, происходящие в системе с момента поступления сигнала тревога на Центр управления силами и средс твами пожарной охраны в до возвращения оперативных подразделений в пожарные части. В число этих событий входят: получение сигнала тревоги, высылка пожарных подразделений, их прибытие к месту вызова, работа на пожаре и т.д.

Дано описание принципов (методов) оптимизации решений. рекомендуемых автором для использования в рамках АСПБ промышленных объектов: минимакса. минимакса риска. Гурви-ца, Байеса-Лалласа. максимума Понтрягина. Беллмана.

При использовании принципа максимума Понтрягина авто-

рок модернизирован известный математический аппарат.

Принцип максимума Понтрягина заключается в том. что система управления задается уравнением

dx / dt - Г(х. u. t). (4)

где x - С/., ,____Xn) - вектор. характеризующий состояние

процесса;

u - (ut.....Uj) - вектор управления;

Г - (fд.....f„) - вектор-функция:

t - время действия процесса. На управление налогено ограничение Iu2| < U. При этом определяется такой вектор управления Uj. который обеспечизал бы минимум функционала

Ч

I - / F(x. u. t) dt - Bin. (5)

Ь .

где x( tc) - x0. x(t,) - x, ;

F - функция качества управления. В принципе максимума Понтрягина рассматриваются динамические системы, изменяющие свое- состояние во времени (как, например, развитие внутреннего пожара).

Ь работе предлогено выбрать функцию Гамильтона в ви-

» - р(х. и. 0+2 <М0 ^(х. и. ♦,). (6)

1-1

Вводится новая координата Фазового пространства х^! - I и новое дифференциальное уравнение системы

ах,., / й1 т гвм - 1. (7)

Вместо исходной системы уравнений получена система ги-1 уравнений

dx / dt - f(x. u).

(8)

где: х - (Xj..... Xg. я,,.,);

u - (U!..... ut):

f - (ft..... fa.

и функция (8) записывается а следующем виде:

Н - - F(x. u) ♦"l,4fl(*t+1) f,(x. u). (9:

1«!

Далее, введя еще одну функцию f0 п переменную х,. получаем новое уравнение

dXa / dt - f0 (X. U) - F(X. U). ч 1С}

С учетом соотношения (10) имеем a*t

Н - I 7l(X,.t) ft(X. U). (11}

I-»

где %{l) - « - i.

Введя в рассмотрение векторы

V " (».. ..... V«).

f - (f0. fi..... -f,. гШФ|).

получаем H - 9f. Затем из условия оптимальности

Н(и*) - пах Н(и) - 0 (12)

находим минимум функционала

I - / F(x. u) dt * / f(х. u) dt

и оптимальный вектор управления и* в системе.

Доказано, что использование модернизированного автором принципа максимума Понтряпша упрощает сложную процедуру оптимизации управленческих решений в системах пожарной безопасности.

в третьей главе изложены разработанные автором теоретико-игровые методы принятия решений по управлению силами и средствами пожарной охраны при проведении таких узловых мероприятий по противопожарной защите, как тушение пожара, эвакуация людей и дымоудаление из горящих зданий. Эти методы являются иллюстрацией практической применимости предлагаемого в диссертации подхода х принятию решений в АСЛБ промышленных объектов в условиях неполноты информации о возникших пожарных ситуациях.

На рис. 2 представлена схема игровой модели системы противопожарной защиты (ППЗ) объекта. Рекомендовано использовать эту модель как составную часть АСПБ.

На микропроцессорную станцию пожарной сигнализации (МЛСПС) поступает информация о? пожарных извещателей- (ПИ), измерительных приборов (ИП). контролирующих технические состояние (готовность) установок пожаротушения и других технических средств АСПБ.

На основании анализа пожарной ситуации на станции позорней сигнализации автоматически подбирается соответствующая машинная программа включения тревоги, изменения режимов автоматического пожаротушения к т.д.

Цель игровой модели системы ППЗ - наилучшим образом решить задачу по обнаружению, локализации и ликвидации пожара (с минимальными потерями и расходом огнетушащих средств).

В диссертации разработана игровая модель, с использованием которой можно обеспечить оповещение людей и управление их эвакуацией и системой дымоудаления в здании повышенной этажности.

Рис.2. Схема игровой модели системы ППЗ объекта: МПСЛС -микропроцессорная станция гюаарной сигнализации; АУП - автоматическая установка пожаротушения; ТС РЛЗ -технически« средства противопожарной защиты: ГШ - пожарные извещатели; ИП - измерительные приборы (датчики); ЗУс -звуковое устройство сигнализации; СУС - световое устройство сигнализации; ПСПЧ - пункт связи попарной части.

В составе МПСЛС имеется ЭВМ. в программ которой заложена объемная схема здания, коммуникации (кабели, воздуховоды. проемы, места установки ПИ. ИП и т.д.). характеристики строительных конструкций и материалов.

При построении математической модели попарной ситуации может быть использован математический аппарат различной сложности. В самых простых случаях ситуация описывается простыми математическими уравнениями, в более сложных -используются дифференциальные уравнения.

В наиболее сложных случаях при большом числе случайных факторов аналитические методы оказываются непригодными в силу чрезвычайной сложности и практической невыполнимости расчетов даже с использованием ЭВМ. В этих случаях в работе предложено использовать метод статистического моделирования - метод Монте-Карло, суть которого заключается в нногократном математическом проигрывании случайных реализаций каждого фактора пожара, его параметров и всей пожарной ситуации в динамике, получении случайных результатов и их последующей статистической обработке (нахождении средних значений и характеристик разброса результатов). Результаты завершения пожарных ситуаций для каждого задан-

- ТА -

ного варианта действий пояарной охраны используются для проведения анализа и выбора наиболее приемлемого варианта управленческого решения.

Для использования метода Ионте-Карло в Э5й АСПБ предусматривается датчик случайных чисел с различными вероятностными законами распределения, описывающими факторы пожара. их параметры и действия пояарной охраны в целом и ее отдельных подразделений и технических средств.

В качестве конкретной реализации использования дифференциальной игры при управлении тушением пожара в помещении приведена игровая модель, реализованная на ЭВМ 1БМ РС АТ применительно к складу с деревянными изделиями (рис.3).

//////////////////////////////////////

Ь

9л

Ср ->

\\\ч \ч\ \\

//// /// //

*

///////////////////////////////////////

6 Р*

Рис. 3. Схема развития внутреннего пожара: И - высота помещения: в, - поток массы газов, выходящих из помещения; С2 - поток массы воздуха, который поступает в помещение: - поток массы огнетушащего средства (воды): о, - поток массы водяного пара; Р - среднее давление в помещении (Рв) и снаружи (Р.): р - средняя плотность газов в помещении (ра) и снаружи (ра). Т - средняя температура в помещении (Т,) и снаружи (Т,).

С использованием уравнений, предложенных профессором Кошмаровым В.А. (ВИПТШ МВД РФ), смоделированы фазы пожара:

- первая фаза - свободное развитие пожара;

- зторая фаза - тушение пожара.

Вторая фаза смоделирована дифференциальной игрой с нулевой суммой, где первой стороной является пожар, а вто-

рой стороной технические средства позаротушения.

При преплологсешш, что поведение газов, выделяющихся при поваре, рписывается уравнением состояния идеального газа и огнетушщии средством является вода, подаваемая стволаш с производительность» о и интенсивностью I,. х, -Ра, х2 » Р,'.-'.уравнение, описывающее развитие пожара, приникает вид: ;'

С1Х1 / ас? -Ч3-г - С, + Уа • Гр / V. (13)

йхг / йх. - (я4)-У*в-($й-1ч)-?р/Ч + (а-1)-Сра'Та-Сг ♦

♦ <»-1)-й,в-С'Г*е /,^-х,. (Н)

(Ьч / сП - С; - в', ♦ Ср + У^-я-ц. / У-1г. (15)

ах, / (11 » (гМ)-Га(Д<Ыч)-(Гр-Ч-Ыс / I,) / V ♦

+ (й-иСр.-Т.-С, - (;М)Срв-С, хг / Рв'Х! +

+ (гг-1)-ср1([(1/1г.-х2/х1) -Т1]-ч-ис /V. (16)

где - температура огнетушащего средства; - площадь тушения; 1Ч - тепловая функция Гиббса сгораемого материала; 0 - количество теплоты, выделяемой при сгорании; ар£ - удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении;

срч - удельная теплоемкость газообразных продуктов сгорания при постоянной давлении;

Ср, - удельная теплоемкость воды при постоянном давлении;

ц - производительность одного ствола; (5 - коэффициент неполноты сгорания;

а - адиабатический коэффициент: и«, - количество стволов; С*! - С, / V; С8 - ва / V; С'р - Ср / V.

Значения потоков б! и 62 зависят от ральной зоны, определяемое уравнением:

положения нейт-

У. » Л -

Рщ ' V

(17)

Задача управления в этом случае заключается в том. чтобы подобрать соответствующее количество стволов для ту-гния пожара при минимальном времени.

Обеспечение оптимального игрового управления по методу Понтрягина требует построения функции Гамильтона, как это показано во второй главе.

В данном примере принято, что сигналы, управляющие огнетушщим средством, могут иметь линейный или ступенчатый вид (рис. 4).

и«

и«

Ь* I

а)

б)

Рис. 4. Виды сигналов, управляющих огнетушащим средством: а) линейный: б) ступенчатый.

Управление в игровой системе осуществляется без оптимизации управляющих сигналов либо с оптимизацией управляющих сигналов по принципу Понтрягина.

Процесс ведения игры считается законченым. если средняя температура в помещении склада снизилась до требуемого значения: 333 К < Т„ < 343 К.

В резу.яьтатв использования предложенного теоретико-игрового кетода определены следующие результаты:

- изменения средних значений давления, плотности и температуры воздуха в защищаемой помещении:

- оштаэигьный расход тувацего средства.

Использование платежной иатргахы показано при моделирования развития и тушения позара в помещении адаинистра-тизного здания промышленного объекта.

Разработан алгоритм моделирования оперативной обстановки и расчета сил и средств поааротушения. Укрупненная блок-схема 'алгоритма приведена на рис. 5.

Для составления матрицы игры по результатам моделирования найден средний выигрыш при каядой комбинации стратегий. Выигрышем в данном случае является вероятность тушения повара при минимуме ущерба. Сторона 2 (ПО), располагавшая одной акодистерной (АЦ) и одним автонасосом (АН), в составе караула стремится свожш действиями ликвидировать поаар с нмкицзльккн ущербом.

Эти действия включают в себя: прибытие к месту вызове в составе караула в кратчайший срок, введение стволов (и • 2, 3) на решающем направлении и в кратчайший срок. Выбор оптимальной системы управления включает в себя определение количества стволов и их расстановку.

Рассмотрены два места возникновения пожара, обозначенные цифрами 1 и 2 на рис. 6. которые определяют две стратегии стороны 1:

стратегия 1 - пожар развивается по полукруговой форме;

стратегия 2 - поаар развивается по круговой форме.