ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Підгорний Микола Володимирович
УДК 618.5.01:614.844
МОДЕЛІ, МЕТОДИ ТА ЗАСОБИ СИСТЕМНОГО ПРОЕКТУВАННЯ АВТОМАТИЗОВАНИХ СИСТЕМ КЕРУВАННЯ ОПЕРАТИВНИМ ПОЖЕЖОГАСІННЯМ
05.13.06 – автоматизовані системи управління
та прогресивні інформаційні технології
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Черкаси –
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Черкаському державному технологічному університеті Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
ТИМЧЕНКО АНАТОЛІЙ АНАСТАСІЙОВИЧ,
Черкаський державний технологічний університет,
завідувач кафедри комп’ютерних технологій.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
ПОДЧАСОВА ТЕТЯНА ПАВЛІВНА,
Київський національний торговельно-економічний
університет, професор кафедри інформаційних технологій
і систем;
кандидат технічних наук, доцент
РОДІОНОВ ОЛЕКСАНДР ОЛЕКСАНДРОВИЧ,
Міжнародний науково-навчальний центр інформаційних
технологій та систем Національної академії наук України
і Міністерства освіти і науки України, вчений секретар.
Захист відбудеться „ 27 ” вересня 2007 р. о 14 год. 30 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради К73.052.01 Черкаського державного технологічного університету за адресою 18006, м. Черкаси, бул. Шевченка, 460.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Черкаського державного технологічного університету за адресою 18006, м. Черкаси, бул. Шевченка, 460.
Автореферат розісланий " 21 серпня 2007 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради В.В. Палагін
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми дослідження. З кожним роком спостерігається тенденція до збільшення збитків від пожеж. Технічний прогрес у будь-якій галузі економіки тісно пов'язаний із проблемою забезпечення пожежної безпеки, тому що він неминуче спричиняє збільшення ступеня ризику виникнення пожежі. В економічно розвинених країнах також гостро постає питання про втрати від пожеж. Так у країнах Західної Європи пожежі знищують понад 2,5 % національного доходу. Дослідження свідчать, що пожежі – це потужний фактор, який так само негативно впливає на стан економіки України, як і економічна злочинність. Все це ставить проблему забезпечення пожежної безпеки об’єктів народного господарства в один ряд з найбільш актуальними народногосподарськими завданнями.
У процесі виконання завдання по гасінню пожежі перед підрозділами МНС України виникає необхідність виявлення осередку пожежі, визначення причини її виникнення, а також постає питання виявлення шляхів поширення вогню, тривалості пожежі, реєстрації інформаційних факторів пожежі (дим, тепло, випромінювання, полум’я тощо), які в подальшому дозволять дати точні висновки при розслідуванні факту пожежі. Ефективний шлях вирішення даного завдання бачиться в автоматизації і координації всіх етапів наступного процесу: комплексна оцінка й класифікація об'єкта захисту по пожежній небезпеці; наукове дослідження і вибір ресурсів пожежної охорони; системний аналіз функціонування пожежної охорони; наукове дослідження і вибір шляхів розв’язку задач, що виникають; проектування автоматизованих систем керування оперативним пожежогасінням (АСКОП) для розв’язку цих задач; розробка і впровадження АСКОП; їх цільове використання.
Значний внесок у розробку теоретичних і прикладних питань забезпечення пожежної безпеки об’єктів народного господарства внесли Н. Н. Брушлінський, В. М. Гаврилей, С. Н. Минаєв, В. Н. Тарасов, О. В. Августинович. Вагомий внесок в теоретичні основи пристроїв і систем виявлення займання зробили відомі дослідники: Ф. І. Шаровар, В. В. Дьяков, В. А. Кузнецов, Ю. М. Медяник, Н. М. Косміна, С. М. Ряковський, О. В. Бичков, В. І. Мурашов. В області пожежної автоматики: Н. Ф Бубирь, Р. П. Воробйов, А. Ф. Іванов, В. П. Бабуров, В. И. Мангансаров.
Накопичений вітчизняний і закордонний досвід експлуатації автоматичних систем пожежної сигналізації свідчить про те, що проблема пожежної безпеки на сьогодні не може бути успішно вирішена за допомогою тільки систем пожежогасіння, які б вони не були досконалі в технічному відношенні.
Істотного розвитку теоретичних основ і методів технічної кібернетики, системотехніки, системного аналізу і теорії прийняття рішень, штучного інтелекту, інформатики, прикладної математики і створення сучасних технічних засобів дослідження досягли В. М. Глушков, В. С. Міхалевич, В. І. Скуріхін, А. А. Красовський, Б. Н. Петров, Г. С. Поспєлов, Е. А. Якубайтіс, А. Г. Івахненко, А. І. Кухтенко, П. І. Чинаєв, М. З. Згуровський, В. І. Гриценко, Т. П. Подчасова, Н. Д. Панкратова та їхні учні.
В області автоматизації проектування істотні наукові і прикладні результати отримані Д. М. Батіщевим, А. І. Петренко, К. Д. Жуком, А. А. Тимченко, О. О. Родіоновим та іншими вченими.
Характерною рисою створених останнім часом засобів є широке використання сучасної елементної бази – цифрових інтегральних мікросхем. Перехід на інтегральні мікросхеми є тільки першим етапом процесу вдосконалювання АСКОП. Наступним етапом повинен стати перехід на якісно новий щабель удосконалення засобів протипожежного захисту, що полягає в переході повністю на цифрові методи отримання, перетворення й кодування інформації в пожежних сповіщувачах і широкому застосуванні засобів мікропроцесорної й обчислювальної техніки в системах пожежогасіння.
Доручення аналізу пожежонебезпечної ситуації обчислювальному пристрою покращує здатність системи своєчасно і однозначно виявляти пожежонебезпечний стан, сприяє підвищенню вірогідності інформації, мінімізації кількості помилкових спрацювань “тривоги” й суттєвому зниженню вартості пожежних сповіщувачів, які є найбільш масовою периферійною ланкою системи пожежної сигналізації.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано згідно з планом науково-дослідних робіт Черкаського державного технологічного університету в рамках держбюджетної науково-дослідної теми (державний реєстраційний №0106U004495) “Основа методики побудови САПР в галузі промисловості машинобудування”.
Мета і задачі дослідження. Метою даної дисертаційної роботи є підвищення ефективності створення АСКОП з використанням моделей, методів та засобів системного проектування логіко-динамічних систем.
Для досягнення даної мети в дисертації поставлені і розв’язуються такі задачі:
- системний аналіз стану пожежної безпеки об’єктів народного господарства, здійснення математичної постановки задач оцінки рівня їх пожежної безпеки;
- розробка логічної схеми задач системного дослідження автоматизованих систем керування оперативним пожежогасінням, яка заключається у виділенні ієрархічних рівнів прийняття рішень, визначенні етапів побудови рішень та поєднанні їх в єдину логічну схему;
- розробка теоретико-множинної моделі АСКОП з метою підвищення ефективності керування оперативним пожежогасінням і якості створення автоматизованих систем пожежогасіння;
- адаптація системного підходу до розробки різних видів забезпечення автоматизованих систем керування оперативним пожежогасінням.
Об’єкт дослідження – процеси пожежогасіння об’єктів народного господарства.
Предмет дослідження – моделі, методи та засоби системного проектування автоматизованих систем керування оперативним пожежогасінням.
Методи дослідження ґрунтуються на використанні: теорії системного проектування, концепції “чотирьох І”, теорії інформаційної взаємодії, теорії ймовірності, теорії гарантоздатності. При побудові моделі автоматизованої системи керування оперативним пожежогасінням використано теорію множин. Для процесу прийняття рішення в задачах проектування використаний метод системної оптимізації.
Наукова новизна одержаних результатів. У дисертаційному дослідженні вперше формалізована і розв’язана задача забезпечення пожежної безпеки об’єкта як системи на основі принципів системного проектування, що дозволило одержати теоретичні та практичні результати, які характеризують новизну дослідження і особистий внесок автора, зокрема:
- набула подальшого розвитку модель забезпечення пожежної безпеки об’єктів народного господарства, на базі якої сформовані нові задачі підвищення ефективності функціонування систем керування оперативним пожежогасінням на основі врахування композиції внутрішніх та зовнішніх факторів;
- вперше запропоновано системний підхід до побудови логічної схеми задач системного проектування, що вносить структуру порядку в слабоструктуризований процес розробки систем автоматизованих систем керування оперативним пожежогасінням;
- вперше розроблено модель автоматизованої системи керування оперативним пожежогасінням, що дозволяє побудувати алгоритми розв’язку функціональних задач на різних рівнях ієрархічної системи керування і вирішити проблеми міжрівневої координації;
- вперше запропоновано процедуру одержання основних параметрів мінімальної структури автоматизованої системи керування оперативним пожежогасінням, процедуру процесу прийняття рішень при побудові структури кабельних трас (з використанням методу найкоротшого ланцюга), що дає економію коштів при створенні АСКОП.
Практичне значення одержаних результатів полягає в подальшому розвитку науково-методичного базису створення АСКОП.
1. Створено технологію системного проектування на базі розробленої АСКОП (патент на винахід UA 79683 C2).
2. Отримані результати знайшли застосування в розробці проекту на приєднання відомчої телефонної мережі Управління МВС України в Черкаській області до мережі загального користування Черкаської філії ВАТ “УкрТелеком”, це дало можливість не перевищити навантаження 0.8 Ерл на одну абонентську лінію та 0.8 Ерл на одну з’єднувальну лінію в ГНН з урахуванням від апаратури ущільнення.
3. Отримані результати знайшли застосування у впроваджені в чергових частинах міськрайлінорганів Управління МВС України в Черкаській області спеціалізованих багатоканальних систем запису повідомлень “MARS” “чорна скринька”. Запропоновано обґрунтування необхідної кількості цифрових та аналогових каналів запису, що дало можливість при виготовлені реєстратора отримати економію коштів.
4. Наукові положення, пропозиції та рекомендації, викладені в дисертації, статтях та інших публікаціях, використовуються в навчальному процесі в Черкаському державному технологічному університеті при підготовці спеціалістів в області роз-робки і експлуатації автоматизованих систем управління і систем обробки інформації.
Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є самостійною закінченою науковою працею. Всі результати дослідження отримані автором особисто. В сумісних роботах автору належать реалізація принципів системного підходу до створення автоматизованих систем керування оперативним пожежогасінням [4]; запропоновано критеріальну оцінку ефективності системи пожежної безпеки об’єкта [12]; системний аналіз об’єкта захисту [17]; процедуру визначення показників надійності [5]; теоретико-множинну модель сучасної багатокомпонентної автоматизованої системи керування оперативним пожежогасінням [8]; запропоновано всебічне та цілеспрямоване оцінювання динамічних характеристик об’єкта [15]; запропоновано концепцію створення систем пожежної безпеки об’єктів [16]; запропоновано підхід до контролю динамічного стану системи [10]; запропоновано підхід до розв’язку загальної задачі зі застосуванням методу послідовного аналізу варіантів [11]; запропоновано системно-евристичний підхід при розв’язку задач оптимізації [2]; запропоновано концепцію безпеки при керуванні динамічною системою [14]; запропоновано алгоритм системно-евристичної оптимізації [13]; запропоновано критеріальну оцінку ефективності відомчих цифрових телекомунікаційних мереж [9].
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались і отримали позитивну оцінку на таких наукових конференціях і семінарах: на VІІ Міжнародній конференції “Контроль і управління в складних системах” (Вінниця-2003); на ІІ Міжнародній науково-технічній конференції “Шляхи автоматизації, інформатизації та комп’ютеризації діяльності МНС України” (Харків-2005); на ХІІ Міжнародній конференції з автоматичного управління “Автоматика-2005” (Харків-2005); на ІІІ Міжнародній науково-практичній конференції “Надзвичайні ситуації: попередження і ліквідація” (Мінськ-2005), на VІІІ Міжнародній конференції “Контроль і управління в складних системах” (Вінниця-2005); на ХІІІ Міжнародній конференції з автоматичного управління “Автоматика-2006” (Вінниця 2006); на щорічних науково-практичних конференціях Черкаського інституту пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля.
Публікації. Результати дисертації викладені в 18 публікаціях, у тому числі в 7 статтях у фахових виданнях ВАК України, в яких публікуються основні результати дисертаційного дослідження, 2 статтях та 9 тезах доповідей на міжнародних конференціях.
Структура і обсяг дисертації. Структура дисертаційної роботи визначена задачами дослідження та включає вступ, чотири розділи, висновки, список літературних джерел (143 найменування) і містить 129 сторінок основного тексту, 17 ілюстрацій, 4 таблиці і додатки.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність дисертації, сформульовано основну мету і завдання дослідження, представлено перелік отриманих у дисертації результатів, розкрито їхню новизну та практичне значення. Подано відомості про апробацію і впровадження результатів дисертації, окреслено її структуру.
У першому розділі проведений системній аналіз стану пожежної безпеки об’єктів народного господарства. Проведені дослідження вказують на тенденцію зростання кількості по-жеж і кількості загиблих на них людей. Стійку динаміка збільшення пожеж вказує, що забезпечення пожежної безпеки об’єктів народного господарства є надзви-чайно ва-жливим завданням загальнодержавного значення (рис. 1). Шляхом проведеного аналізу визначені об’єкти народного господарства, які доцільно обладнати АСКОП.
Середовище функціонування, під впливом якого формується протипожежний стан об'єкта, можна характеризувати: фактами нехтувань вимог пожежної безпеки, наслідками нехтувань вимог пожежної безпеки, а також обставинами, що їм передують. Тобто є циклічна технологічна послідовність (процедура) від безпеки до наслідків і знову, вироблення та видання нових рекомендацій для покращення безпеки, планування, наслідки – етапи життєвого циклу пожежної безпеки об'єкта народного господарства (рис. 2), де – теоретичний рівень протипожежного стану та – критичний рівень протипожежного стану об’єкта.
а) б)
Рис. 1. Залежності динаміки смертності на пожежах (а) та кількості займань (б)
Сформовано основні етапи формування протипожежного стану об'єкта, необхідний і критичний рівні пожежної безпеки на всіх стадіях “життєвого циклу” об'єкта (рис. 2) (розробка – проектування – будівництво – експлуатація – моральне старіння – модернізація) при цьому життєвий цикл є продуктом системного аналізу. Системний аналіз протипожежного стану об’єкта дає можливість вивчити основну властивість пожежну небезпеку з подальшим розглядом її як процесу формування пожежної безпеки.
Проведений аналіз результатів дослідження АСКОП. Накопичений досвід експлуатації автоматичних систем пожежної сигналізації вітчизняних і закордонних виробників (акредитованих в Україні). Проведена класифікація автоматизованих систем пожежогасіння. На основі проведеного аналізу зроблено висновок, що варто переглянути концепцію побудови АСКОП, відповідно до якої необхідно здійснити перехід на повністю цифрові методи обробки й перетворення інформації від засобів виявлення займань.
Рис. 2. Етапи життєвого циклу пожежної безпеки об’єкта народного господарства
Створені за такою концепцією системи характеризуватимуться тим, що функції пожежного сповіщувача обмежуються виміром контрольованих параметрів навколишнього середовища й передачею цих даних по каналах зв'язку до пристрою обробки інформації. Пристрій обробки інформації використовує оптимальні алгоритми перетворення й оцінки параметрів сигналів, що надходять по декількох каналах зв'язку одночасно. Аналіз інформаційних параметрів сигналів і прийняття необхідних рішень здійснюється в центральному інформаційно-керуючому пристрої, що керується мікропроцесором відповідно до заданої програми.
Узагальнення вищевикладеного вказує на необхідність розгляду комплексної проблеми підвищення ефективності процесів керування оперативним пожежогасінням і якості проектних рішень створення АСКОП з позиції методології програмування життєвих циклів об'єктів нової техніки, а саме: ефективності дослідження, розробки, впровадження і використання (рис. 3).
Для кількісної оцінки ефективності служить її показник (міра ефективності) типу: , де – вектор параметрів (змінних) системи, що вимірюються, за допомогою яких можна впливати на значення показників, – вектор впливаючих на значення показників, але незмінних параметрів системи. Задачі створення АСКОП формуються як задачі системного програмування процесів проектування, впровадження і цільового використання на основі методології ЖЦ, як засоби комплексного ціледосягнення якості проектних рішень. Вирішення проблеми підвищення ефективності і якості створення сучасних АСКОП базується на основі системного підходу, який в свою чергу містить науковий, методологічний та технічний аспект створення моделей, методів та засобів АСКОП. Задачі системного дослідження АСКОП як складних систем логіко-динамічного класу формують наступну множину задач: задача моделювання процесів функціонування; задача функціональної оптимізації; задача структурної оптимізації; задача структурного синтезу; задача оптимального керування; задача оптимального розвитку; задача дослідження внутрішніх властивостей.
Рис. 3. Морфологічна схема <ефективність-якість>
Концентрованим виразом такого підходу є системні моделі. Системна модель становить складну багаторівневу структуру. З таких рівнів можна назвати: рівень цілей, задач (методів), алгоритмів, організаційно-технічних засобів та процесів, що відбуваються. Перехід від вищого рівня до нижчого фактично означає розв’язок задачі планування, а від нижчого до вищого – процес прийняття рішення при керуванні, тобто при реалізації плану. Саме в силу цього логічна схема задач оптимального керування оперативним пожежогасінням формується з урахуванням ієрархічної структури об’єкта, що розглядається, і включає наступні рівні прийняття рішення: організаційно-економічний, виробничо-технологічний та технічний.
Організаційно-економічний рівень прийняття рішення. Цільова критеріальна функція має вигляд:
, . (1)
Обмеження описуються співвідношеннями:
, ,,
де –- кількість -х елементів АСКОП для забезпечення пожежної безпеки об’єкта;
– ціна -го елементу АСКОП;
– нормативи затрат, закладені в кошторисі на створення АСКОП об’єкта.
Оптимізація таких затрат шляхом лінійного програмування дасть можливість обрахувати затрати на забезпечення пожежної безпеки об’єкта.
Виробничо-технологічний рівень прийняття рішення.
Цільова критеріальна функція має вигляд:
, ; . (2)
Обмеження описуються співвідношеннями: ,
де – кількість -х елементів АСКОП, задіяних для забезпечення пожежної безпеки об’єкта в -й момент часу; –
затрати, необхідні для забезпечення пожежної безпеки об’єкта в -й момент часу.
Технічний рівень прийняття рішення.
Задача на даному рівні відноситься до класу задач оптимального керування технологічними процесами пожежогасіння. Цільова критеріальна функція має вигляд:
, (3)
де - деяка функція часу.
Для розв’язання задач оптимального керування на виробничо-технологічному рівні необхідно виконати декомпозицію вказаного комплексу задач і сформувати принципи будови АСКОП.
У другому розділі визначено наукові основи та аксіоматику системного підходу до проектування АСКОП. Найбільш актуальною задачею є вибір критеріїв забезпечення пожежної безпеки об'єктів. Сутність запропонованих критеріїв полягає в тому, що вони характеризують вплив систем пасивного й активного протипожежного захисту на рівень забезпечення пожежної безпеки об’єктів. Стосовно профілактики пожеж це означає, що є сукупність інтервалів часу ефективної дії профілактичних заходів , протягом яких об’єкт здатний перенести вплив пожежі без значних наслідків. Показник , де – число інтервалів часу . Вибір конкретного значення залежить від поставленої мети – обґрунтування ціни засобів протипожежного захисту об’єкта, забезпечення безпеки людей при пожежі, збереженості устаткування, будівельних конструкцій та ін. (рис. 4).
4.а 4.б
Рис. 4. Залежність вибору критеріїв забезпечення пожежної безпеки об’єкта (а) та критеріїв економічної доцільності варіанта засобів пожежної безпеки (б)
Ця основа дозволяє створювати АСКОП з визначеними економіко-цільовими характеристиками. При створенні складних систем традиційно здійснюється вибір одного з деякого числа можливих варіантів системи. Пропонується взяти величину річних приведених витрат за оцінку проектного рішення по об'єкту, що залежить від варіанта АСКОП, причому
, (4)
де: – оцінка , , елемента АСКОП.
Локальними критеріальними оцінками створення АСКОП приймаємо: підвищену надійність і вірогідність формування тривожного повідомлення; габаритні характеристики АСКОП; ремонтопридатність АСКОП; можливість програмування роботи системи й керування різними технічними засобами залежно від конкретних умов експлуатації; мінімальні експлуатаційні витрати; будівельну вартість АСКОП. Реалізований принцип системного підходу до задач проектування АСКОП, що містить у собі два зустрічні домінуючі процеси. Рушійним принципом процесу макропроектування, тобто визначення основних параметрів головних підсистем об'єкта на ранніх етапах його проектування, є принцип головного конструктора, а метою - вибір конкурентоспроможних комплексів технічних засобів, що забезпечують досяжність цілей об'єкта і визначення основних параметрів головних підсистем об'єкта. Метою процесу мікропроектування, тобто визначення конструктивних параметрів підсистем АСКОП, є вибір оптимального варіанта підсистем АСКОП. Результатами розв’язку задач процесу проектування є оптимальні (або близькі до оптимальних) варіанти підсистем об'єкта й системи обмежень для підсистем нижчого рівня. При розв’язку задачі мікропроектування об'єкта можливі наступні випадки: оптимальний розв’язок задачі мікропроектування (внутрішньої) існує в області, визначеній при розв’язку задач макропроектування (зовнішньої); оптимальний розв’язок задачі мікропроектування не належить множині припустимих проектних рішень, визначених розв’язком зовнішньої задачі. Рішення про вибір кожної із зазначених альтернатив визначається величиною оцінки впливу на ефективність об'єкта прийнятого неоптимального проектного рішення і її зіставленням з необхідною ефективністю. У дисертації висвітлено оптимізацію багатокритеріальних задач, як методологію вибору проектного рішення із множини можливих (системна оптимізація). Зроблено висновок, що останнім часом при вирішені задач багатокритеріальної оптимізації намітилося широке застосування людино-машинних процедур, на кожному кроці яких особа, яка приймає рішення, повинна вказувати свою перевагу на одному з варіантів рішення (рис. 5).
Запропоновано системно-евристичний підхід до розв’язку задач оптимізації. Він полягає у формулюванні деякого набору евристик, що забезпечує рух у потрібному (а не в протилежному або індиферентному) напрямі, і побудові таких формальних еквівалентів і алгоритмів реалізації цих евристик, що забезпечували б рішення задачі оптимізації з необхідною точністю, але за набагато коротший проміжок часу, ніж строгі методи, і з набагато меншою витратою машинних ресурсів. Це пояснюється насамперед тим, що в цілому ряді випадків автоматизовану систему, що приймає рішення, цікавить не скрупульозно-точний розв’язок конкретної задачі, а якісно-кількісна картина ситуації, що досліджується, однак з досить високою вірогідністю.
Рис. 5. Вибір проектного рішення (системна оптимізація)
Іншими словами, АСКОП в якості первинної інформації важливіше отримувати швидку і, можливо, не дуже точну відповідь на поставлену задачу, ніж витрачати час на добування точних вихідних даних (які, до речі, часто так і залишаються неточними) і одержання точного і повного розв’язку задачі. Збудована логічна схема проектування автоматизованих систем керування оперативним пожежогасінням, яка покликана вносити структуру порядку в слабоструктуризований процес розробки складної системи (рис. 6).
У третьому розділі представлений розв’язок задач створення АСКОП, сформульованих в розділі 2, який визначається такими положеннями: будь-який об'єкт синтезується із блоків (підсистем), що експлуатувалися раніше і про характер роботи яких є досить повна інформація; до складу об'єкта можуть входити нові блоки, характер роботи яких може бути прогнозований фахівцями з достатньою точністю й коректністю. Запропонована структура сучасної багатокомпонентної АСКОП, яка описана теоретико-множинною моделлю і складається з множини ієрархічно взаємозалежних рівнів . На кожному -му рівні формується множина компонентів , що реалізує множину функцій . Крім того для кожної із множин і в процесі еволюції можуть бути виділені дві наступні підмножини: підмножина компонентів, що змінюється , і функцій, що змінюються ; підмножина компонентів, що не змінюється , і функцій, що не змінюються . При цьому ; ; ; .
Надана формалізована постановка задач створення АСКОП.
Внутрішня задача проектування АСКОП. Метою рішення даної задачі є одержання параметрів процесу забезпечення пожежної безпеки об’єкта. Вихідними даними є тип елементів АСКОП, обраних відповідно до зовнішніх умов їх експлуатації. Крім того повинна бути відома множина основних режимів роботи підсистем АСКОП і закон їх взаємодії в кожному із цих режимів. Процедура розв’язку - це обчислення достатньої величини навантаження в основних режимах, виділення найбільшого й найменшого із цих значень і вибір елементів АСКОП за потужністю й тривалістю використання в режимі. Результатом розв’язку є значення навантаження елементів АСКОП у кожному режимі, тривалість кожного режиму, частота переходів із всіх можливих режимів в інші. Метою прогнозування навантажень на елементи АСКОП є одержання характеристик детермінованих або випадкових процесів навантаження на АСКОП. Методи розв’язку складають методи детермінованих і стохастичних процесів: детермінованих функцій часу; напівмарківських випадкових процесів; функцій від випадкових параметрів, що є функціями часу; детермінованих і випадкових процесів. Результатами розв’язку задачі будуть або детерміновані залежності , або закони розподілу випадкової величини : , 1,2,...,, = 1,2,..., у кожному з режимів роботи. Якщо відомо, що час циклу =, = 1,2,..., , , де - час -гo, режиму циклу (циклічний характер роботи властивий кожному механізму багаторазового використання), то щільність розподілу навантаження на елементи АСКОП за цикл визначиться співвідношенням:
, 1,2,...,. (5)
Оцінка впливу навантаження елементів АСКОП на ефективність протипожежного захисту об'єкта і визначає граничні значення навантаження.
Зовнішня задача проектування АСКОП. Постановка задачі. Нехай задано: - простір умов експлуатації АСКОП; – множина елементів (кабелів, сповіщувачів, аналого-цифрових перетворювачів, комутаторів (концентраторів), мультиплексорів, синхронізатора, реєстратора інформації, розподільника імпульсів, сигнальних елементів, виконавчих елементів та ін.), з яких комплектується АСКОП.
Рис. 6. Структурна схема взаємодії задач створення АСКОП
Елементом простору умов експлуатації будемо вважати вектор : , компонентами якого є числові значення параметрів, що характеризують зовнішні умови, які впливають на елементи АСКОП у процесі експлуатації об'єкта. Для кожного компонента вектора можна визначити значення , , які є межами якісної зміни характеру зовнішніх умов. Приналежність компоненти вектора до інтервалу буде називатися станом компоненти вектора зовнішніх умов.
Якщо збільшення індексу відповідає зміні в напрямку жорсткості умов експлуатації, то простір може бути розбитий на підмножини , які задовольняють умови: ; , - умова ідеальної експлуатації; . Оскільки - скінчені, то множина , - скінчена. Множина елементів АСКОП має одинадцять підмножин.
Вибір множини елементів АСКОП, властивості яких допускають використання їх при умовах експлуатації, що очікуються, опирається на відображення , мають такі властивості:
1.
2. Якщо то
Властивість 2 дозволяє частково впорядкувати множину елементів АСКОП за степенем їхньої відповідності можливим умовам експлуатації, а властивість 1 гарантує закінченість процесу вибору.
Запропоновано процедуру отримання проектного рішення про вибір типів елементів АСКОП в плані її подальшої реалізації на ЕОМ. Розв’язані задачі вибору та розміщення елементів АСКОП. Розв’язано задачу оптимізації структури АСКОП. Отримані основні параметри мінімальної структури. Запропоновано процедуру отримання основних параметрів мінімальної структури АСКОП в плані її подальшої реалізації на ЕОМ.
Розв’язана задача побудови структури системи розміщення кабельної траси (СРКТ) АСКОП з використанням методу найкоротшого ланцюга). Запропоновано процедуру побудови кабельних трас у заданому районі об’єкта та процедуру отримання мінімальної структури СРКТ з метою її подальшої реалізації на ЕОМ.
У четвертому розділі дано опис технічної реалізації одержаних наукових результатів. Представлені методичні матеріали по вибору складу технічних засобів і програмного забезпечення АСКОП. Задача вибору складу технічних засобів і програмного забезпечення АСКОП “DEFENDER” (патент на винахід UA 79683 C2), що заощаджує 15% витрат власника за рахунок усунення надлишкових зв'язків в інфраструктурі, сформульована у такий спосіб: необхідно визначити склад, конфігурацію і забезпечення комплексу програмно-технічних засобів АСКОП, що дозволяє ефективно вирішувати виділений клас задач створення АСКОП на основі визначеного рівня базової конфігурації АСКОП, з урахуванням загальносистемних принципів створення, функціонування і розвитку АСУ при існуючій системі обмежень. Ця задача вирішується в кілька етапів: спочатку визначається загальна архітектура комплексу технічних засобів і склад загальносистемного і прикладного програмного забезпечення, які потім у процесі розробки уточнюються, деталізуються і розвиваються. Сформульовано структуру, склад і загальні вимоги до програмного забезпечення і технічних засобів АСКОП. Базові конфігурації технічних засобів і програмного забезпечення АСКОП різних рівнів на основі ЕОМ зображено на рис. 7.
Рис. 7. Архітектура ПЗ “DEFENDER plus”
Розглянуто класифікацію задач, які розв’язуються в АСКОП, що визначає вибір різних режимів роботи ЕОМ. На виконання наказу МВС України від 04.11.2004 №1322 „Про новітні форми і методи роботи органів і підрозділів внутрішніх справ, створення бази даних „Банк ідей” проведені випробування автоматизованої системи керування оперативним пожежогасінням “DEFENDER”. У результаті досліджень експериментально встановлені основні характеристики АСКОП: середній час фіксації спрацьовування сповіщувачів – 300 мсек.; середня інертність спрацювання - 6 сек.; середній час скидання режиму “Пожежа” сповіщувачів – 5 сек.; середня тривалість подачі вогнегасячого порошку виконавчим елементом (МПП(Н)-6-КД-1-БСГ-У2) – 15 сек. Реалізована можливість підключати адресні шлейфи будь-якої конфігурації: променевий, кільцевий при довжині лінії зв'язку до 2000м, встановлювати дублюючі пульти керування з видаленням до 1000м, зберігати інформацію про всі події і обставини їх виникнення в енергонезалежній пам’яті (1000 подій). Загальна кількість адресних пристроїв - 384 на один приймально-контрольний прилад.
Надана техніко-економічна оцінка АСКОП “DEFENDER” (таб. 1).
Таблиця 1.
Кошторис витрат використання АСКОП та типової пожежної сигналізації
№ п/п |
Стаття кошторису | При типовій системі пожежної сигналізації, грн. | При використанні АСКОП “DEFEN-DER”, грн.
1 | Витрати на заробітну плату | 30353 | 21681
2 | Витрати на електроенергію | 668 | 1113
3 | Витрати на поточний ремонт | 914 | 2497
4 | Витрати на амортизацію обладнання | 350 | 950
РАЗОМ: | 32285 | 26241
ВИСНОВКИ
В дисертаційній роботі розроблені методологічні і теоретичні основи автоматизації процесів проектування автоматизованих систем керування оперативним пожежогасінням. Дослідження проведені за трьома аспектами: методологічним, математичним і прикладним.
1. З питань методології на основі розгляду діалектичної єдності АСКОП як цільових категорій і процесів їхнього створення як категорії засобів досягнення цілей розроблена концепція, яка формує нові задачі підвищення ефективності створення АСКОП.
2. Запропоновано підхід до розв’язання задач системної оптимізації як результат прийняття рішення, що виникає в умовах проектування АСКОП і базується на методах і засобах досягнення кінцевих результатів з найбільшою ефективністю.
3. Сформульовано багатокритеріальну задачу системної оптимізації як фундаментальна науково-технічна задача, що забезпечує комплексне розв'язання проблем створення АСКОП і системну ув’язку технічних, технологічних, організаційно-економічних і соціальних аспектів управління. Викладено основні підходи до побудови моделей процесів і об'єктів автоматизації, що складають основу визначення шляхів підвищення ефективності керування оперативним пожежогасінням.
4. З позицій системного підходу викладено основні наукові поняття і визначення, що складають аксіоматичну основу подальшої реалізації дисертаційних досліджень. Головною методологічною тезою дисертаційної роботи є якість кінцевого результату діяльності, як основа ефективного задоволення виникаючих соціальних потреб на етапі цільового використання АСКОП. Зроблено один з перших кроків на шляху побудови сучасної методології створення і цільового використання АСКОП на основі ефективного використання сучасних інформаційних технологій і засобів обчислювальної техніки.
5. На основі викладеної вище методології розроблено теоретичні основи автоматизації процесів системного проектування АСКОП, що базуються на формалізації логіко-динамічних систем як об'єктів, дослідження і розробки задач системного проектування, логічних схем задач і методів їхнього розв'язання. Основа виконаних наукових досліджень і отриманих результатів базується на використанні запропонованої системної моделі, включаючи процеси ціледосягення, а також методи і алгоритми як засоби їхньої оптимальної реалізації.
6. Запропоновано конструктивний підхід до оптимізації процесів створення АСКОП, який базуються на використанні елементів високого ступеня інтеграції, забезпечує заданий рівень надійності і ефективності забезпечення пожежної безпеки об’єктів народного господарства.
7. У прикладному плані основна увага надана розробці і реалізації нових інформаційних технологій, що забезпечують високу ефективність проектування АСКОП.
8. Відповідно до принципів системного аналізу сформована структура задач розробки і впровадження АСКОП і побудована логічна схема розв'язання задач системного проектування, що є науковою основою створення нової інформаційної технології процесів проектування, орієнтованої на підвищення ефективності і якості кінцевих результатів.
9. Розроблено принципи, моделі і методи проектування АСКОП в умовах реалізації запропонованої технології системного проектування. Практична реалізація запропонованих математичних моделей АСКОП (патент на винахід UA 79683 C2) і теоретико-методичні основи їх розробки і реалізації підтверджує їх високу ефективність, актуальність і наукову значимість.
10. Прикладне значення роботи полягає в тому, що вона є науково-методичним і організаційно-економічним засобом для проектантів сучасних АСКОП, а також дає ряд практичних методик, моделей і методів розв'язання актуальних задач ефективного і якісного створення АСКОП.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ
1. Підгорний М.В. Моделювання та системний аналіз створення сучасних систем пожежогасіння // Вісник КДПУ. – 2003. – №3. – С. 143–144.
2. Тимченко А.А., Підгорний М.В. Системна оптимізація та елементи евристики в логіко-динамічних системах пожежогасіння. // Вісник ХНУ. – 2005. – №4. – С. 76–80.
3. Підгорний М.В. Системний аналіз стану пожежної безпеки об'єктів народного господарства // Вісник ЧДТУ. – 2005. – №4. – С. 24–27.
4. Тимченко А.А., Підгорний М.В., Однороманенко С.Г. Системне проектування автоматизованих систем керування оперативним пожежогасінням// Радіоелектронні і комп’ютерні системи. – 2006. – №5. – С. 91–96.
5. Тимченко А.А., Мельник В.П., Подгорный Н.В. Основы безопасности и надежности экспертных систем в задачах управления логико-динамическими системами// Искусственный интеллект. – 2006. – №4. – С. 495–503.
6. Підгорний М.В. Постановка задач проектування автоматизованих систем керування оперативним пожежогасінням// Вісник ЧДТУ. – 2006. – №3. – С. 22–25.
7. Підгорний М.В. Системне дослідження систем керування оперативним пожежогасінням// Вісник ЧДТУ. – 2006. – №4. – С. 186–187.
8. Тимченко А.А., Підгорний М.В., Мельник В.П. Теоретико-множинна модель сучасної багатокомпонентної автоматизованої системи керування оперативним пожежогасінням// Вісник ХНУ. – 2007. – №3. – С. 64–67.
9. Однороманеко С.Г., Підгорний М.В. Системне проектування відомчих цифрових телекомунікаційних мереж // Бюлетень з обміну досвідом роботи. – 2006. – №166. – С. 75–82.
10. Тимченко А.А., Подгорный Н.В., Мельник В.П. Реализация концепции безопасности и надежности при управлении динамической системой // Матеріали XIII міжнародної конференції з автоматичного управління (Автоматика-2006). – Вінниця :УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2007. – С. 219–224.
11. Тимченко А.А., Ланських Є.В., Підгорний М.В. Системна оптимізація систем логіко-динамічного класу // Тези доповідей VІІ-Міжнар. конф. “Контроль і управління в складних системах” (КУСС-2003). – Вінниця:УНІВЕРСУМ- Вінниця, – 2003. – С. 236.
12. Тимченко А.А., Мельник В.П., Подгорный Н.В. Системные модели, методы автоматизированного контроля состояния пожарной безопасности химически опасных объектов // Тези доповідей ІІ Міжнар. науково- технічної конф. “Шляхи автоматизації, інформатизації та комп’ютерної діяльності МНС України”. – Харків: Академія цивільного захисту України, 2005. – С. 84–86.
13. Тимченко А.А., Підгорний М.В. Системна оптимізація процесів пожежогасіння з використанням елементів евристики// Збірник ХІІ Міжнар. конф. з автоматичного управління. – Т1. – Харків: Вид-во НТУ “ХПІ”, – 2005. – С. 82–83.
14. Підгорний М.В. Системна оптимізація складних логіко-динамічних систем// Тези доповідей VІІІ Міжнар. конф. “Контроль і управління в складних системах” (КУСС-2005). – Вінниця :УНІВЕРСУМ- Вінниця, 2005. – С. 267.
15. Тимченко А.А., Гузій Р.О., Підгорний М.В. Перспективні методи та принципи проектування білінгових систем// Тези доповідей VІІІ Міжнар. конф. “Контроль і управління в складних системах” (КУСС-2005). – Вінниця: УНІВЕРСУМ- Вінниця, 2005. – С. 203.
16. Підгорний М.В., Мельник В.П. Підвищення якості проектних рішень в системах забезпечення пожежної безпеки об’єктів// Тези доповідей VІІІ Міжнар. конф. “Контроль і управління в складних системах” (КУСС-2005). – Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2005. – С. 200.
17. Тимченко А.А., Мельник В.П., Подгорный Н.В. Системные модели автоматизированного контроля состояния химически опасных объектов// Сборник тезисов III Междунар. научно-практической конф. “Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация”. – Минск: НИИПБиЧС, 2005. – С.323–325.
18. Підгорний М.В. Ситуаційна модель поширення продуктів горіння в приміщенні// Тези доповідей Міжнародної науково-практичної конференції, “Пожежна безпека та техногенна безпека”.– Черкаси, 2005. – С. 316-319.
19. Патент України №79683С2, МПК G08B17/10. Пристрій для пожежної сигналізації і реестрації; Публ. Бюл. “Промислова власність” №10 10.07.2007
АНОТАЦІЯ
Підгорний М.В. Моделі, методи та засоби системного проектування автоматизованих систем керування оперативним пожежогасінням. – Рукопис.
Дисертація подана на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.13.06 – автоматизовані системи управління і прогресивні інформаційні технології. – Черкаський державний технологічний університет. – Черкаси, 2007.
Дисертацію присвячено вирішенню важливого наукового завдання – опрацюванню наукових засад системного проектування автоматизованих систем керування оперативним пожежогасінням з метою підвищення ефективності забезпечення пожежної безпеки об’єктів народного господарства. Розроблені методологічні і теоретичні основи автоматизації процесів створення автоматизованих систем керування оперативним пожежогасінням. Сформульована багатокритеріальна задача системної оптимізації як фундаментальна науково-технічна задача, що забезпечує комплексне розв'язання проблем проектування АСКОП і системну ув'язку технічних, технологічних, організаційно-економічних і соціальних аспектів управління. Відповідно до принципів системного аналізу сформована структура задач розробки і впровадження АСКОП і побудована логічна схема розв'язання задач системного проектування, що є науковою основою створення нової інформаційної технології процесів проектування, орієнтованої на підвищення ефективності і якості кінцевих результатів. Розроблені принципи, моделі і методи проектування автоматизованих систем керування оперативним пожежогасінням в умовах реалізації запропонованої технології системного проектування.
Ключові слова: автоматизована система керування оперативним пожежогасінням, системне проектування, системна оптимізація.
АННОТАЦИЯ
Подгорный Н.В. Модели, методы и средства системного проектирования автоматизированных систем управления оперативным пожаротушением. – Рукопись.
Диссертация представлена на получение научной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 – автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии. – Черкасский государственный технологический университет. – Черкассы, 2007.
Диссертация посвящена решению важной научной задачи – разработке научных основ системного проектирования автоматизированных систем управления оперативным пожаротушением с целью повышения эффективности пожарной безопасности объектов народного хозяйства.
Главным методологическим тезисом диссертационной работы является качество конечного результата деятельности, как основа эффективного удовлетворения возникающих социальных потребностей на этапе целевого использования АСКОП.
Сделан один из первых шагов на пути построения современной методологии создания и целевого использования АСКОП на основе эффективного использования современных информационных технологий и средств вычислительной техники.
Основа выполненных научных исследований и полученных результатов базируется на использовании предложенной системной модели, включая процессы достижения цели, а также методы и алгоритмы как средства их оптимальной реализации. Разработаны методологические и теоретические основы автоматизации процессов проектирования автоматизированных систем управления оперативным пожаротушением.
Предложен подход к решению задач системной оптимизации как результат принятия решения, что возникает в условиях проектирования АСКОП и базируется на методах и средствах достижения конечных результатов с наибольшей эффективностью.
Сформулирована многокритериальная задача системной оптимизации как фундаментальная научно-техническая задача, которая обеспечивает комплексное решение проблем создания АСКОП и системную увязку технических, технологических, организационно-экономических и социальных аспектов управления.
Предложен конструктивный подход оптимизации процессов создания АСКОП, который базируются на использовании элементов высокой степени интеграции, обеспечивающий заданный уровень надежности и эффективности обеспечения пожарной безопасности объектов народного хозяйства.
Соответственно принципам системного анализа сформирована структура задач разработки и внедрения АСКОП и построена логическая схема решения задач системного проектирования, что служит научной основой создания новой информационной технологии процессов проектирования, ориентированной на повышение эффективности и качества конечных результатов. Разработаны принципы, модели и методы проектирования автоматизированных систем управления оперативным пожаротушением в условиях реализации предложенной технологии системного проектирования. Прикладное значение работы заключается в том, что она является научно-методическим и организационно-экономическим средством для проектантов современных АСКОП, а также дает ряд практических методик, моделей и методов решения актуальных задач эффективного и качественного создания АСКОП.
Практическая реализация предложенных математических моделей АСКОП (патент на изобретение UA 79683 C2) и теоретико-методические основы их разработки и реализации подтверждает их высокую эффективность, актуальность и научную значимость.
Ключевые слова: автоматизированная система управления оперативным пожаротушением, системное проектирование, системная оптимизация.
THE SUMMARY
Pidhorny M.V. Models, methods and means of system designing of the automated control systems
