Энергоэффективный метод бинарной защиты персонала

А.С. Степанова,

аспир. каф. КРЭМС, ser23n2005@yandex.ru,

ТГТУ, г. Тамбов

Проведён анализ мировых показателей энергоёмкости обрабатывающей промышленности. Разработана методика энергоэффективной инновационной бинарной защиты персонала. Используя технологические платформы России и Евросоюза, методика меняет систему защиты, обеспечивая как технологические, так и управленческие инновации. Предложена методика системных исследований на основе анализа обобщения опыта разработки и эксплуатации средств защиты, позволившая решить задачу синтеза бинарной «умной» системы защиты. Получена параллельная система новой бортовой информационно-управляющей системы средств защиты с информационно-коммуникационной системой управления. Методика позволяет переходить от систем и изделий 4-го технологического уклада к системам и изделиям 6-го технологического уклада, минуя пятый.

 

The analysis of world energy intensity of industry. The technique of energy efficient innovations binary protection of the personnel is developed. Using technology platforms in Russia and the EU, the method changes protection system, providing both technological and managerial innovations. The technique of systematic research on the basis of analyzing, synthesizing the experience of development and operation of the remedies allowed to solve the problem of synthesis of the binary of "smart" protection system. There is obtained a new parallel system onboard information management system of protection of information and communication management system. The technique allows moving from systems and products of the 4th technological structure to the 6th order, bypassing the fifth.

Введение

Актуальность. Энергоэффективность производства по данным Росстата РФ [1] и Отдела по вопросам управления экономикой и экономической политики Всемирного банка в Российской Федерации [2] изображена на рис.1, где приведено сравнение России с другими странами по показателю энергоёмкости обрабатывающей промышленности [2]. Как видно, положение - не завидное, но и не безнадёжное [3].

 

рис. 1 Сравнение мировых показателей энергоёмкости обрабатывающей промышленности

Экономика России является одной из наиболее энергоёмких в мире по любому показателю. В табл. 1 приведены потенциалы повышения энергоэффективности в обрабатывающей промышленности [2].

Таблица 1

Потенциал повышения энергоэффективности в обрабатывающей промышленности

Основные отрасли России

Потенциал эффективности

Основные секторы рынка

Экономия расходов,

в ценах 2007г.

 

Промышленность

 

38%,  41,5 млн. т.н.э.

53% в черной металлургии, целлюлозно-бумажной промышленности и производстве цемента; 42% в неэнергоёмких отраслях

 

14 млрд. долл.

 

Результаты показывают, что самое значительное снижение конечного потребления энергии можно сократить на 45%, в том числе в обрабатывающей промышленности на 41,5 млн. т.н.э. [2].

Для систем жизнеобеспечения персонала используются химические продукты, в которых, при больших затратах энергии, химически связанный кислород переведён из газообразного в твёрдый продукт и все производства по его изготовлению размещены в районах с низкой стоимостью электрической энергии.

Основной мировой тенденцией развития средств защиты органов дыхания является увеличение времени работы (защиты персонала) и снижение массы носимых и неиспользуемых до чрезвычайной ситуации персоналом изделий. Патентные исследования показали, что задачи, как правило, решаются применением дополнительных изделий, содержащих твёрдый кислород, включаемых после выработки основного изделия (количественное приращение кислорода для дыхания).

Проблема. Анализ ситуации на мировых рынках, а так же практик ведущих фирм, позволяет выделить основные проблемы. Это отсутствие в существующих системах СИЗОД методик, технологий и изделий, которые удовлетворяли бы перспективным тенденциям, обеспечивающим инновационность и конкурентоспособность в XXI веке.

Из 80 основных ведущих мировых корпораций для сравнения выбраны три главных изготовителя продукции: Dräger Safety AG&Co. KGaA, Германия, Mine Safety Appliances Co., (MSA) США и Sperian Honeywell, Франция.

На всех рынках, в патентах, выставках ведущих мировых лидеров отсутствуют системы защиты, использующие предложенный нами энергоэффективный метод бинарной защиты персонала за счёт использования бортовых информационно-управляющих систем для управления временем защиты.

Известно, что от 50 до 60% расходов тратиться на обеспечение производственных процессов, непосредственно связанных с выпуском товарной продукции (для предприятий, производящих её) [1]. Поэтому и необходимо стремиться к минимизации его энерго- и ресурсозатрат, в основном за счёт лучшего управления [4].

Основой для разработки методики энергоэффективного метода бинарной защиты персонала является [5-8].

Постановка задач. Одной из основных задач является формирование перспективных направлений развития технологий и средств жизнеобеспечения, совершенствование защищенности персонала и доведение её до социально значимого уровня. Главной задачей в настоящее время является разработка методики, за счёт использования которой возможно гибкое реагирование на вероятные изменения ситуации в системе защиты и вне её для 6-го технологического уклада, обеспечивая рациональное использование кислорода для дыхания.

Методика. Предлагаемая методика развивает Технологические Платформы (ТП) (ETPs) Европейского Союза (ЕС), действующие и развивающиеся (август 2011 г.- 38 ETPs) по 7-й рамочной программе ЕС [9,10]. Мы развиваем - 6:

- ТП «Передовые технические материалы и технологии» (EuMaT).

- ТП «Индивидуальная технология безопасности» (ETP).

- ТП «Технология умных интегральных систем» (EPoSS).

- ТП «Будущие производственные технологии» (MANUFUTURE).

- ТП «Заводы для будущего» (Plants).

- ТП «Жизнеспособная химия» (SusChem).

В настоящее время в России приступили  к созданию своих технологических платформ (ТП). Эти инициативы исходят из Министерства экономического развития, Министерства образования и науки [5,7,8]. У нас используются две:

● Группа – Информационно-коммуникационные технологии.

- ТП №4. Национальная программная платформа.

● Группа – Электроника и машиностроение.

- ТП № 25. Технологии мехатроники, встраиваемых систем управления, радиочастотной идентификации и роботостроение.

ТП Евросоюза и Российской Федерации дополняют друг друга и, как правило, не пересекаются.

Метод бинарной защиты («умной защиты») персонала представляет собой соединение двух методов:

● Активной защиты персонала.

● Пассивной защиты персонала.

Наша методика предлагает качественно изменить систему защиты, вводя не только  технологические, но и управленческие инновации, обеспечивая конкурентоспособность систем и изделий [10-12].

Схемы. Полученная синтезом система бинарной, «умной»,  защиты представлена на рис. 2. Цветом выделены известные и используемые, как у нас в России, так и за рубежом методы защиты.

Показано, что сейчас используется только активная защита в средствах защиты органов дыхания. Но даже в активной защите не используется информационно-коммуникационные технологии (ИКТ).

Известно, что накоплен большой статистический объём данных, как по результатам испытаний, так и фактических эксплуатационных данных при чрезвычайных ситуациях [13].

Только в результате синтеза активной защиты и новой пассивной, с использованием ИКТ, удалось применить не используемые в практике известные режимы работы.

Формализованные модели предметных областей. Под предметной областью будем понимать информацию о совокупности объектов автоматизации и их характеристиках, которая представлена в виде структурных данных и хранится в базах данных (БД), использующихся пользователями для решения различных функциональных задач. Описание предметной области пользователей включает основные компоненты: автоматизируемые функции и задачи (процедуры) обработки данных и их характеристики, пользователи, информационные элементы и связи между ними, характеристики информационных элементов и процедур обработки данных, отношения между информационными элементами и процедурами.

Модель предметной области может быть представлена в виде семерки [14]:

                                                                                                                              (1)

где:  - множество  автоматизируемых  функций;   - множество задач (процедур) обработки данных;  - множество пользователей;  - множество объектов и процессов автоматизации;  - множество входных данных;  - множество выходных

данных;  - полное множество информационных элементов предметной области;  -

множество отношений (взаимосвязей) между компонентами .

Формализованная модель предметной области описывается с помощью множеств  и булевых матриц смежности:

        (2)

 

которые описывают соответствующие отношения R между компонентами предметной области.

Элементы данных матриц равны 1, если между соответствующими компонентами имеется взаимосвязь, и равны 0 в противном случае.

рис.2  Методика бинарной («умной») защиты персонала

Данная модель предметной области используется при формировании моделей спецификаций информационных требований пользователей. Построение модели спецификации осуществляется итеративно для каждого пользователя множества P путём последовательного анализа матриц смежности, описывающих взаимосвязи между компонентами предметной области (статистическими данными) [14].

Особенностью рис.3 является использование учёта на этапе формализации (построения математической модели) не одной, а целого класса моделей. Это позволяет на следующем этапе производить выбор (с учётом требований адекватности) оптимальной модели из имеющихся альтернатив схемы математического моделирования в рамках многократного использования весьма трудоёмкой процедуры: «построения-проверки адекватности-корректировки» математических моделей, что делает его целесообразным в тех случаях, когда оптимизация модельного описания не существенна и можно обойтись небольшим числом итераций [15].

В качестве одного из возможных вариантов такого учёта предлагается разработка этапа формализации операций (построения математической модели) не одной, а целого класса моделей. Это позволяет на следующем этапе производить выбор (с учётом требований адекватности) оптимальной модели из имеющихся альтернатив.

Примером рассмотренной ситуации является выбор модели режимов оптимальной подачи кислорода пользователю при выборе вариантов спасения (рис.2).

 

рис.3 Формализация классов моделей бинарной («умной») защиты персонала

Заключение

Проведённые системные исследования, на основе анализа, изучения и обобщения опыта разработки и эксплуатации средств защиты, позволили решить задачу синтеза инновационной системы: бинарной «умной» (цифровой) системы защиты, обеспечив её качественное изменение.

На основе анализа представленной структуры бинарной защиты удалось понять место в новой парадигме развития, называемой «Технологическая Платформа». Так как отечественные ТП не пересекаются с ТП Евросоюза, то можно заимствовать их поэлементно. Так впрочем, поступили и США, не развивая свои ТП, а присоединилась к ТП ЕС. Это позволяет экономить и время на разработках, и множество других ресурсов, в том числе и энергоресурсы, составляющие от 50 до 60 % всех суммарных затрат на изготовление продукции.

Разработана многоуровневая бинарная система защиты с использованием информационно-управляющей системы, обеспечивающая синергетический эффект. По представленным данным в нашем патенте РФ удалось увеличить время пассивной защиты персонала на 50 % при недопущении увеличения массы

кислородосодержащего продукта и при увеличении массы самого дыхательного аппарата (СИЗОД), всего  на 4 % за счёт виртуальной реальности в ИКТ [16]. Этим удалось обеспечить повышение энергоэффективности.

Кроме того, за счёт использования программного обеспечения, появляется возможность добавлять новые свойства системе защиты и совершенствовать их только за счёт программного обеспечения, что является особенностью 6-го технологического уклада.

Реализованная методика позволила получить инновационный проект, улучающий, как технологические платформы России, так и Евросоюза. Применение метода показано отсутствие, на примере СИЗОД, международных аналогов и технических решений в патентах ориентированных на приоритетных направлениях мирового развития для обеспечения «закрывающих технологий», исключающих из науки и производства старые отживающие, малопроизводительные технологии.

Для реализации программного обеспечения применяются перспективные мягкие вычисления (нечёткие множества).

С учётом работ В. В. Кульбы и Е.И. Артамонова применена параллельная система бортовой информационно-управляющей системы (ИУС) СИЗОД, позволяющая в дальнейшем обеспечивать задел для инновационного развития.

Разработан макетный образец, в котором ИКТ реализована в виде бортовой ИУС, выполненной на микропроцессорах по технологиям наноиндустрии [16].

Предложена методика, на примере бинарной («умной» защиты), позволяющая переходить от систем и изделий 4-го технологического уклада сразу в 6-й технологический уклад, минуя пятый – представляющий автоматизацию.

Литература

1.   Федеральная служба государственной статистики России. Режим доступа свободный: www.gks.ru/wps/ portal/sitemap.

2.   Энергоэффективность в России: скрытый резерв. Представительство Всемирного банка в Российской Федерации. Отдел по вопросам управления экономикой и экономической политики. Режим доступа свободный: http://siteresources.worldbank.org/INTRUSSIANFEDERATION/Resources/rer17_rus.pdf.

3.   Винников В. Из неолита - в ноолит: III Глобальный стратегический форум "Мир вразнос: стратегии в условиях сложности и хаоса будущего. Режим доступа свободный: www.imperiya.by/ comments. html?id=4196.

4.   Трапезников В.А. Автоматическое управление и экономика. Автоматика и телемеханика / В.А. Трапезников.– М.: Изд-во Академии Наук СССР, 1966. – №1.

5.   Приоритетные направления развития науки, техники и технологий Российской Федерации (утверждены Президентом РФ Пр-843 от 21.05.2006 г.).

6.   Концепция долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 года. Утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 17 ноября 2008 г. № 1662-р. Концепция 2020.

7.   Федеральный портал. Долгосрочный прогноз научно-технологического развития Российской Федерации (до 2025 года). Режим доступа свободный: http://protown.ru/information/doc/4295.html.

8.   Перечень технологических платформ. Утверждён решением Правительственной Комиссии по высоким технологиям и инновациям от 1 апреля 2011 г., протокол  №2. Режим доступа свободный: http://www.mai.ru/upload/iblock/6dc/6dcac9f90ac81b 6e4ad0b637a7cce cbc.pdf.

9.   Европейские Технологические Платформы. Режим доступа свободный: http://www.fp7-bio.ru/tech-platforms/european/.

10.   Evaluation of the European Technology Platforms (ETPs) http://ec.europa.eu/research/era/docs/en/era-partnership-others-etp-evaluation-study-2008-en.pdf

11.   Колесников А.А. Синергетические методы управления сложными системами: Теория системного синтеза /А.А. Колесников. – М.: Изд-во КомКнига, 2006. – 240 с.

12.   Трояновский В.М. Информационно - управляющие системы и прикладная теория случайных процессов /В.М. Трояновский. – М.: Изд-во Гелиос АРВ, 2004.– 304 с.

13.   Государственный доклад «О состоянии защиты населения и территорий Российской Федерации от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в 2010 году». – М.: МЧС России; ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2011. – 299 с. - Режим доступа свободный: http://www.mchs.gov.ru/activities/?ID=301551.

14.   Кульба В.В. Теоретические основы проектирования информационно-управляющих систем космических аппаратов / В.В. Кульба, Е.А. Микрин, Б.В. Павлов, В.Н. Платонов. Под редакцией Е.А. Микрина. – М: Издательство ИПУ РАН, 2006. – 579 с.

15.   Ломазов В.А. Выбор математической модели при автоматизации научных исследований / В.А. Ломазов, В.И. Ломазова. Материалы IV Международной научно-технической конференции, г. Орёл, 22-23 апреля 2010 г., Т 2. Под общей редакцией И.С. Константинова. – Орёл: ОрёлГТУ,2010. –200 с.

16.   Степанова А.С., Муромцев Д.Ю. Устройство для защиты органов дыхания. Патент на полезную модель RU № 103735 U1, A62B7/08 (2006.01) от 14.12.2010 года.