Многоуровневая концепция информационно-управляющей
системы «умной защиты» человека
А.С. Степанова,
аспир. каф. КРЭМС, ser23n2005@yandex.ru,
Д.Ю. Муромцев,
зав. каф. КРЭМС, д.т.н., проф., crems@crems.jesby.tstu.ru,
ТГТУ, г.
Тамбов
Проведён анализ производимых в
мире систем защиты человека. Разработана концепция «умной защиты». Предложена классификация систем обеспечения человека кислородом.
На основе Государственного Доклада МЧС РФ синтезирована бинарная («умная»)
система защиты, включающая виртуальную реальность и программирование. Получены
модели защиты в информационно-коммуникационной системе управления. Предложена надсистема защиты при принятии решения в нечёткой системе
управления. Проведено сравнение метатехнологий в России и топ-технологий в США.
The
analysis of the world's human protection systems. The concept of
"smart protection". The classification systems for human rights
oxygen. Based on the Report of the State Emergency Ministry сsynthesized binary ("smart") protection
system, including virtual reality and programming. Obtained the protection
model in information and communication management system. We propose a
super-system protection in the decision in the fuzzy control system. A
comparison of meta-in Russia, and top technology in the United States.
Введение
Актуальность. В докладе Национального совета по разведке США «Глобальные тенденции – 2025» отмечается, что Россия «будет
назначать ставки и определять правила игры» [1]. Продолжится беспрецедентный
перенос относительного богатства и экономического влияния с Запада на Восток.
Ключом к пониманию следствий в этот период будет темп появления новых
технологий. Все нынешние технологии не подходят для замены традиционных
структур в требуемых масштабах [1,2]. Поэтому необходима высокая активность в исследованиях и
разработках при смене основных технологий
в 2010-2020 годах для 6-го технологического уклада, рис.1 [3]. В условиях
инноваций необходимо правильно ориентироваться в тенденциях и приоритетах
мирового развития.
рис. 1 Ритм смены технологических укладов и поколений техники
Анализ
неизвестных явлений в теории системы
защиты людей показал, что перспективным направлением развития таких систем
является использование информационно-коммуникационных технологий (ИКТ), а также
использование материальных и нематериальных частей системы с нечёткими
(мягкими) вычислениями для средств изолирующей защиты органов дыхания (СИЗОД) [4].
Основанием
для разработки концепции информационно-управляющей
системы «умной защиты» человека являются прогнозные и директивные документы Российской
Федерации [5–7].
Проблема. Анализ,имеющейся в мире ситуации на рынках, в западных
стандартах, патентах, исследованиях и разработках средств защиты, а так же
практик ведущих мировых фирм: Dräger Safety AG&Co. KGaA, Kärcher
GmbH, Германия, Mine Safety Appliances Co., (MSA), CSE Corporation, Auer, США; Sperian Honeywell,
Франция, позволяет выделить основные проблемы. Основной проблемой является отсутствие целенаправленного управляющего воздействия в
существующих системах средств защиты (СИЗОД) на объект управления
выделяющий
кислород для дыхания, из-за сложности её
реализации [8]. На всех рынках отсутствуют бортовые информационно-
управляющие
системы (ИУС) в изделиях и открытых диссипативных системах средств защиты.
Постановка
целей и задач. Целью концепции
является создание механизмов управления, которые должны гибко реагировать на
возможные внешние изменения ситуации в системе защиты и внутри её. Концепция ориентирована на повышение эффективности
использования существующих ресурсов, а не на наращивание их потребления.
Задачей является создание концепции информационно-управляющей
«умной защиты» человека на приоритетных прорывных технологических инновациях в
области сложных систем СИЗОД в целях:
●
обеспечения энергоэффективного расхода кислорода в системе защиты в зависимости
от внешних условий;
●
создания новых методологий за счёт развития и технологического перевооружения,
их компьютеризации с использованием инноваций, адаптированных к условиям
деятельности современного производства;
● определения и обоснования инновационных
направлений создания и совершенствования техники и технологий при постановке и
реализации системных исследований для повышения конкурентоспособности;
● развития научного задела при разработке
инновационной функциональной продукции средств защиты.
Формализация. Основу современного подхода к решению задач анализа и
синтеза сложных технических и технологических систем (ТС) составляет системный
анализ. В общем случае ТС можно охарактеризовать кортежем символов, например [9]:
(1)
где ТС — техническая (технологическая)
система; ФН — функциональное назначение; Ф — функция; СТ
— структура; К — компоновка; О — организация; Э
— вектор показателей эффективности (качества).
Функциональное назначение (ФН) характеризуется,
например, ассортиментом выпускаемой продукции и объёмом производства, а также
другими директивными и/или прогнозными показателями.
Функция (Ф) вводится для представления
согласованной последовательности операций, посредством которых совершают физико-химические
и другие преобразования продукта согласно комплексу заданных свойств. Функцию Ф
удобно описывать ориентированным графом Ф = (ТО, U), в котором в качестве множества вершин ТО выступают технологические операции, а в качестве множества
ребер U — материальные и информационные связи, характеризующие
в процессе обработки потоки продукции, передающейся с одной операции на другую.
Вариантность Ф определяется качественными изменениями на множестве ТО
и заключается в возможности получения одного и того же результата различными
методами обработки [9].
Общие закономерности развития систем таковы, что их
развитие происходит в виде смены относительно стабильных периодов другими состояниями,
между которыми случаются резкие качественные переходы, и происходит структурная
перестройка системы в целом, с учетом законов технодинамики М. Д. Дворцина
[10].
Решение. В настоящее время развитие технических систем
осуществляется в соответствии с законом развития систем [3]. При патентной
проработке нами выявлено, что в развитии средств защиты отмечен явный переход
на микроуровень, табл. 1. Это позволяет допустить, что в развитии системы превалирует
тенденция «Дробление» [11]. Результаты сведены в классификационную
табл. 1.
Таблица 1
Классификация систем обеспечения человека кислородом
|
Обобщенные преобразования, составляющие уровни
развития систем получения кислорода |
Преобразования в развитии систем источников кислорода (пример) |
Тенден-ции |
|
1.
Монолит |
Твердые
источники кислорода |
|
|
2.
Объект, разделенный на несколько частей |
Основной
и дополнительный источник кислорода (твердые источники кислорода, баллонные) |
|
|
3.
Объект, разделенный на множество частей |
Многоканальные
кислородосодержащие блоки на химически связанном кислороде |
|
|
4.
Гранулы |
Зерненные
кислородосодержащие продукты |
|
|
5.
Жидкость |
Электрохимические
источники кислорода |
|
|
6.
Газ |
Баллонные
источники сжатого кислорода, (воздуха) Газовые смеси под давлением |
|
|
7.
Плазма |
Нет
данных |
|
|
8.
Поле |
Патент RU № 103735 U1, A62B7/08 (2006.01)
от 14.12.10 |
|
|
9.
Вакуум |
Нет
данных |
Из
табл.1 видно, что, начиная с 7-го уровня развития источников кислорода для
защиты человека, научные
и технические решения отсутствуют, хотя и оказываются
предпочтительными [11]. Нам удалось решить задачу, заполнив только 8-й уровень развития системы получения
кислорода, используя электромагнитное поле в информационно-коммуникационных
технологиях, управляя выделением кислорода, получив патент РФ [12].
Таблица 2
Общее время, необходимое
для обеспечения эффективной защиты
|
События при пожаре: среднестатистическое время
необходимой защиты, из Государственного Доклада МЧС РФ, мин. |
||||
|
1. Среднее время
сообщения о пожаре |
2. Прибытие первого
пожарного подразделения |
3. Время свободного
горения |
4. Локализация пожара |
5. Ликвидация пожара |
|
минимальное - 2,77 |
минимальное - 6,84 |
минимальное
- 11,23 |
минимальное-10,1 |
минимальное
-10,1 |
|
максимальное - 4,82 |
максимальное - 13,83 |
максимальное
- 19,99 |
максимальное-13,0 |
максимальное - 18,23 |
|
6,84 - 13,83 |
11,23 - 19,99 |
10,1-13,0 |
10,1-18,23 |
|
|
Σ= 2,77 - 4,82 |
Σ |
Σ= |
Σ= |
Σ= |
Из
табл. 1 видно, что дальнейшее системное развитие средств защиты человека возможно
с созданием принципиально нового по своим научным, технологическим и
экономическим возможностям, характерным для искусственной среды обитания и жизнедеятельности
человека [4,13,14].
В табл. 2 показано, что,
с учетом времени свободного горения, общее время, по данным МЧС РФ, необходимо
увеличить с 30 мин. до 72 мин. В табл. 3 представлены все события, происходящие
на пожаре [15].Нам не удалось заполнить пустые клетки 7-го и 9-го уровней
развития (табл. 1), но это вовсе не значит, что источников кислорода не станет
в будущем значительно больше, а размеры их существенно не уменьшатся.
Модели. Ежегодно, в соответствии с
постановлением Правительства Российской Федерации, МЧС РФ выпускает Государственный доклад [15]. Общее время
тушения пожаров в России за 5 лет представлено на
рис. 2 [15].
рис. 2 Среднестатистическое общее время тушения
пожаров в России за 5 лет
В табл. 3 представлены лучшие изделия мировых лидеров,
присутствующие на мировых рынках в 2011 году.
У ведущих зарубежных корпораций, как и в России, все
выпускаемые изделия группируются по двум группам с временем работы (защитного действия): 20-30
мин. и 45-50 мин.
Так как условия и методы испытаний в России и за
рубежом отличаются, то сравнивать показатели следует по сопоставимым условиям
испытаний, табл. 3.
Таблица
3
Лучшие модели самоспасателей 2011 года на рынках: России,
Евросоюза, США
|
Технические характеристики |
Режим работы |
Время работы, мин. |
||||||
|
Россия |
Германия,
Dräger |
США,
MSA |
||||||
|
Самоспасатели |
Аппараты на
химически связанном кислороде |
|||||||
|
Модель на
рынке |
УДС- 15 |
СПИ-20 |
СПИ-50 |
Оху К ЗОЕ |
Оху K 50S |
SSR 30/100 |
SavOx Chemical oxygen Self-Rescuer |
|
|
Время защитного действия не менее, мин. |
— |
20,0 |
20,0 |
50,0 |
30,0 |
50,0 |
45,0 |
45,0 |
|
а) в режиме средней нагрузки, 30 л/мин. |
5 |
15,0 |
— |
— |
30,0 |
50,0 |
30,0 |
30,0 |
|
б) в режиме средней нагрузки, 35 л/мин. |
6 |
15,0 |
20,0 |
50,0 |
45,0 |
75,0 |
45,0 |
45,0 |
|
в) в режиме тяжёлой
нагрузки |
10 |
— |
7,5 |
12,5 |
— |
— |
— |
50 л/мин. — 25 |
|
г) в режиме отдыха,
10 л/мин. |
2 |
45,0 |
40,0 |
150,0 |
120,0 |
180,0 |
100,0 |
120,0 |
|
д) в режиме покоя лёжа |
1 |
90,0 |
80,0 |
300,0 |
240,0 |
360,0 |
200,0 |
240,0 |
|
Масса, кг |
— |
1,5 |
1,5 |
2,5 |
2,5/1,9 |
3,0/2,4 |
2,1/2,0 |
2,5/1,5 |
Результаты времени защитного действия самоспасателей,
представленных на рынке, соответствуют времени статистических наблюдений МЧС
РФ, как в России [15] так и в мире [8], табл. 3.
В Государственном Докладе МЧС РФ, кроме времени
ликвидации, локализации, прибытия и сообщения, выделено ещё время
свободного горения, составляющее, по статистическим данным, от 11,3 до 20,0
мин. [15].
В табл. 3 представлены лучшие современные выпускаемые в
мире средства защиты. Очевидно, что, с учетом времени свободного горения, общее
время защиты может обеспечить только один выпускаемый аппарат Оху K 50S,
корпорации Dräger, Германия, табл. 3. Но и цена его при этом тоже самая высокая
в мире.
Получены функциональные модели необходимого времени защиты на основе пяти летних замеров
МЧС РФ:
При максимальном времени
горения и соответственно необходимым максимальным временем защиты:
(2)
При минимальном времени
горения и соответственно необходимым минимальным временем защиты:
(3)
где: y - общее время необходимое для
обеспечения эффективной защиты, мин. [10];
x – среднестатистическое событийное время пожара, мин.;
R2
– коэффициент корреляции.
В связи с введением повышенных
требований в Технический Регламент и ФЗ №123 «О пожарной безопасности»,
необходимо снизить ежегодную гибель людей, а индивидуальные риски человека должны
быть менее 1•10- 6, вместо 9,1210-5 имеющихся в 2010 году
[16].
Концепция «умной (цифровой)
защиты» предусматривает организацию поддержания жизнеобеспечения,
обеспечивающей наилучшее взаимодействие между средством защиты и
интеллектуальной советующей системой, позволяющей легко управлять СИЗОД
программно, а также создавать цифровой контент, распространяя его с помощью
технологий передачи данных по беспроводной сети. В центре такой сети должна
находиться универсальная вычислительная платформа. По нашим оценкам такой
платформой может являться дешевый маломощный микропроцессор. При этом взаимодействие
устройств должно строиться на беспроводной основе.
Пример. Для
реализации выбранных задач можно идти традиционным путем со сроком разработки 5
лет [17]. В результате незначительного усовершенствования Ф1 (1), получим
Э1.
Можно пойти вторым путём, изменив СТ и/или О (1).
Методы. С
учётом мировых тенденций развития систем, рис.1, мы пошли вторым путем. Для
управления системой вместо управления технической системы применён эргатический
(человеко-машинный) способ управления.
В результате комплексного изменения
системы: ФН, СТ, К, и О получен инновационный класс
бортовой информационной надсистемы:
бинарная («умная») система защиты, рис. 3. В качестве методологии развития
использовались методы теории решения изобретательских задач (ТРИЗ) [13], а
также работы Р. Бартини - П. Кузнецова [14].
Схемы. Полученная
система «умной защиты» представлена на рис.3. Разрабатываемую систему можно
отнести также и к интерактивным системам, так как в ней присутствует структурная организация, реализованная в виде технических и программных
средств, требующая разработки методов синтеза и моделирования на ЭВМ этих структур,
способов согласования с внешними устройствами и средствами взаимодействия с
пользователями [18].
По классификации интерактивных
систем Артамонова Е.И. система относится к четвёртому классу [18].
рис. 3 Обобщенная схема информационно-управляющей системы «умной
защиты» человека
Система управления
сложным объектом построена по двухуровневому принципу, основанному на втором
законе К. Гёделя о неполноте, при котором нижнему уровню отводится
непосредственное формирование управления
объектом, рис. 3. В системе управления,
из базы знаний, формируются рекомендации с изображением на дисплее 2D.
Технологии.
В результате реализации настоящей концепции
появляются инновационные технологии. Их особенностью
является значительное улучшение основных характеристик системы защиты. Применение
информационно-коммуникационных технологий обеспечивает улучшение
основных характеристик системы дополнительно к возможному потенциальному улучшению
самой системы защиты СИЗОД. Другими словами усовершенствование ИКТ изменяется
параллельно с самими средствами [8]. За счёт этого получаем синергетический
эффект [17].
В Распоряжении Правительства РФ [7] определён
перечень критических технологий, из которых в нашей бинарной («умной») системе защиты используются пять:
1.
Нанотехнологии и технологии создания наноматериалов.
2. Технологии обеспечения защиты и
жизнедеятельности населения и опасных объектов при угрозах террористических проявлений.
3.
Технологии производства программного обеспечения.
4.
Технологии распределенных вычислений и систем.
5. Технологии создания интеллектуальных систем
навигации и управления.
Рассмотрение
альтернативных технологий top-technology
(метатехнологий), предложенных RAND Corporation,
показал, что технологии XXI века в США классифицируются по-другому
[1,2]. Из 16-ти предложенных
метатехнологий [2], нами по классификации США, в данном проекте, разрабатываются
четыре, табл. 4.
Таблица 4
Ведущие
технологические направления (кластеры) США, использованные в системе
|
Технологии |
Необходимый
уровень развития |
|
1. Радиочастотная
идентификация продуктов и индивидуумов |
Средний |
|
2. Средства доступа к
информации «всегда и везде» 3. Универсальные сенсоры
для обеспечения безопасности 4. Носимые компьютеры (в
виде одежды, украшений и т.п.) |
Очень высокий |
Сравнение мировых приоритетов из
двух приведённых классификаций Россия-США показывает, что они
дополняют друг друга, практически не пересекаясь, но
решение задач повышения конкурентоспособности
систем они обеспечивают, если их использовать вместе.
Наша технология создана комбинацией
из метатехнологий России, США и используется, как советующая информационно-управляющая система
для поддержки и принятия решения в бинарной защите, виртуальной реальности.
Заключение
Закономерности развития систем таковы, что развитие
происходит не только в виде смены
стабильных периодов, но и скачкообразно, при которых происходят резкие
качественные переходы, приводящие к структурной перестройке системы в целом и
становлению новой технологической базы современного производства.
Точность
выбора перспективных направлений развития
системы определяется преимущественно свойствами самой системы, изменяемыми и качественно
развиваемыми от одного технологического уклада к другому.
Разработана
многоуровневая концепция информационно-управляющей системы с
синергетическим эффектом, где наращивание новых свойств совершенствуется за
счёт использования инновационной бинарной системы защиты, которая циркулирует в
виде виртуальной информации: правил, моделей и алгоритмов.
Реализованная концепция позволила получить
инновационный проект, на примере
СИЗОД, ориентированный в тенденциях и приоритетах мирового развития для перспективных научных заделов в области
технологий и промышленных образцов и показала отсутствие международных
аналогов и технических решений в патентах.
Введение интеллектуальной советующей системы в СИЗОД
позволила обеспечивать необходимое количество кислорода в зависимости от
внешних условий, в различных режимах эксплуатации, обеспечивая «умную защиту».
Для реализации программного обеспечения в ИУС используются
мягкие вычисления (нечёткие множества).
С учётом работ М.Д. Дворцина и нашей классификации, применена
параллельная система новой бортовой ИУС
СИЗОД, которая позволяет обеспечить конкурентоспособность и быстрое попадание
новой системы на рынок.
ИКТ реализована в виде инновационной
бортовой ИУС, выполненной по технологиям
наноиндустрии.
Технологический прорыв, обеспеченный
программированием, позволил заменить в новой системе массу специальных функций программируемыми
чипами. Все можно сделать программируемым в виртуальной реальности. Это позволит
сократить время проектирования, затраты на изготовление и выход на рынок.
Если мы не сможем перестроиться, на наше место придут
конкуренты, которые, позаимствовав культуру нового технологического уклада, сформулируют
новые концепции, разрабатывая инновационные технологии и продукты.
Новые технологии открывают потребителям беспроводную
«умную защиту» жизни в чрезвычайных ситуациях.
Литература
1. National
Intelligence Council, GLOBAL TRENDS 2025: THE NATIONAL INTELLIGENCE COUNCIL'S
2025 PROJECT, Режим доступа свободный: http://www.dni.gov/nic/NIC_2025_project.html
.
2.
Семёнова Н.Н. Мировые научно-технологические приоритеты. Режим доступа
свободный: http://www.kapital-rus.ru/articles/article/615 .
3.
Кузык Б.Н. Инновационное развитие России: сценарный подход NanoWeek», 1 - 18 января 2010г., No. 94.
Режим доступа свободный: http://www.nanonewsnet.ru/articles/2010/innovatsionnoe-razvitie-rossii-stsenarnyi-podkhod
.
4.
Степанова А.С. Коммуникативное управление системами реального времени,
использующими информацию и знания / А.С. Степанова, Д.Ю Муромцев. Труды
Международной научно-практ. конф. AITA – 2011. – М.: Издательство ИПУ РАН,
2011. - С. 613 – 628.
5.
Концепция долгосрочного социально-экономического развития Российской
Федерации на период до 2020 года. Утверждена распоряжением Правительства
Российской Федерации от 17 ноября
6.
Приоритетные направления развития науки, техники и технологий Российской
Федерации (утверждены Президентом РФ Пр-843 от 21.05.2006 г.).
7.
Критические технологии федерального уровня (утверждены Президентом РФ
Пр-842 от 21.05.2006 г.).
8.
Гудков С.В., Дворецкий С.И., Путин, С.Б., Таров В.П. Изолирующие
дыхательные аппараты и основы их проектирования.– М.: Машиностроение, 2008. –
188 с.
9.
Дворецкий С.И. Моделирование систем / С.И. Дворецкий, Ю. Л. Муромцев, В.
А. Погонин. – М.: Издательский центр «Академия», 2009. – 320 с.
10.
Дворцин М.Д. Технодинамика: основы теории формирования и развития
технологических систем /М.Д. Дворцин, В. Н. Юсим. – М.: Международный фонд
истории науки «Дикси», 1993.–179с.
11.
Шпаковский Н. Одна из линий развития движителя летательного аппарата.
Режим доступа свободный: http://www.altshuller.ru/triz/zrts1.asp#tc11 .
12.
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.
13.
Альтшуллер Г. Найти идею: Введении в ТРИЗ –теорию решения
изобретательских задач / Г. Альтшуллер. –М.: Альпина Бизнес Букс, 2007. - 400 с.
14.
Кузнецов О.Л. Система природа—общество—человек: Устойчивое развитие /
О.Л. Кузнецов, П.Г Кузнецов, Б.Е.Большаков // Государственный научный центр
Российской Федерации ВНИИгеосистем. Международный университет природы, общества
и человека. – М.: «Дубна», 2000.— 403 с.
Режим доступа свободный: http://www.pobisk.narod.ru/Pr-ob-ch/004_avtory.htm.
15.
Государственный доклад «О состоянии защиты населения и территорий
Российской Федерации от чрезвычай-ных 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 .
16.
Федеральный закон от 22 июля
17.
Путин С.Б. Принципы, модели и методы управления инновационными проектами
при создании систем жизнеобеспечения и защиты человека: монография.– М.:
Машиностроение-1, 2007. - 132 с.
18.
Артамонов Е.И. Интерактивные системы. Синтез структур. – М.: Инсвязьиздат, 2010. – 185 с.