Обоснование технических требований к робототехническому комплексу многорежимного пожаротушения

Раздел I. Перспективы применения робототехнических комплексов

А.Ю. Баранник, Е.В. Павлов, А.В. Лагутина, В.И. Ершов

Целью исследования является обоснование технических требований к робототехническому комплексу, предназначенному для ликвидаций чрезвычайных ситуаций техногенного характера, связанных с необходимостью ликвидации возгораний.

Данные ЧС могут возникать, прежде всего при радиационных и химических авариях, а также при авариях на взрывопожаро- опасных объектах.

Ликвидация таких ЧС, как правило связана с повышенным риском для пожарных и спасателей и требует применения тяжелой техники.

В статье предложен подход, который предполагает рассмотрение двух возможных вариантов применения комплекса: при тушении пожара по площади в режимах разового цикла возимым запасом воды и при тушении пожаров в режиме длительного пожаротушения.

При этом в качестве основных показателей для оценки эффективности комплекса предлагается рассматривать площадной темп пожаротушения и расход воды.

Под площадным темпом пожаротушения предлагается понимать, как отношение площади тушения пожара к времени.

Расход воды при пожаротушении является единой величиной для всех звеньев последовательной цепочки, в виде которой может быть представлена схема подачи воды к очагу пожара.

Для первого варианта последовательно рассчитывается величина расхода воды, которая зависит от напора, который создается перед водяным стволом.

Данный показатель прежде всего зависит от таких факторов как напор воды, создаваемый насосом, потери напора в рукавной линии, превышения или принижения водяного ствола по отношению к насосу.

По итогам расчетов для каждого звена полученные показатели суммируются.

Для второго варианта, возможности робототехнического комплекса по длительному пожаротушению, предполагают использование в качестве источника пожаротушащего вещества, имеющийся водоем природного или искусственного происхождения.

При этом количество факторов, влияющих на площадной темп пожаротушения и расход воды
существенно возрастает.

Для упрощения проведения расчетов разработана номограмм, которая позволяет рассчитать не только вышеуказанные показатели, но определить прогнозные значения времени необходимого для тушения пожара.

Получаемые в результате вышеуказанных расчетов данные позволяют в итоге реализовать основную задачу, рассматривае6мых исследований, т.е. оценки возможностей перспективного комплекса робототехнического комплекса по тушению пожаров на радиационно-, химически- и взрывоопасных объектах.

Данную проблему предлагается решать путем формирования технических обликов РТК, которые могут быть созданы для решения пожаров на вышеуказанных объектах, и затем сравнительной
оценкой их качеств.

Введение.

Угроза возникновения техногенных крупномасштабных чрезвычайных ситуаций (ЧС), ликвидация последствий которых, как правило, связана с наличием условий особого риска, при которых существует реальная угроза для жизни человека, продолжает оставаться весьма актуальным фактором [1–5].

К таким ЧС относятся радиационные аварии, химические аварии, аварии на взрывопожароопасных объектах, при тушении пожаров, на которых потребуется применение робототехнических средств (РТС) и особых технологий, в основе которых лежит использование защищенной передвижной пожарной техники.

Из проведенного анализа созданной в МЧС России группировки РТС наземного применения и условий эффективного пожаротушения при крупномасштабных авариях не может быть сформирована эффективная многоэлементная система мобильных средств, действующих как единый взаимосвязанный пожарный комплекс [6].

Таким образом, становится очевидной необходимость создания нового специального пожарного робототехнического комплекса [7].

Предлагается разработать и использовать робототехнический комплекс многорежимного пожаротушения (РТК-ПМ) в следующем составе [8]:
— шесть специализированных РТС с возможностью экипажного и дистанционного управления: разграждения (РТС-РЗ), пожарное (РТС-П), высотное (РТС-ВС), рукавное (РТС-РК), насосное (РТС-НС) и заправки (РТС-ЗВ).
— подвижный пункт управления группового применения РТС, включающий беспилотное авиационное средство (ретранслятор);
— машины обеспечения: техобслуживания и ремонта, вспомогательный автомобиль, тягачи с трейлерами [9, 10].

Специализированное РТС должно иметь следующее конструктивное построение: базовое шасси танка Т-72; рабочее оборудование модульного или встроенного типа; специальные системы защиты и жизнеобеспечения; систему управления, включающую бортовую аппаратуру управления и индивидуальный пульт управления.

Формальная постановка задачи.

Режимы тушения пожаров, которые предусматривается реализовать в РТК-ПМ, условно объединяются в две группы: режимы разового цикла пожаротушения возимым запасом воды и режимы длительного пожаротушения с использованием водоемов [11–13].

Эффективность применения РТК-ПМ предлагается оценивать его возможностями по площадному темпу пожаротушения объекта при обеспечении нормируемой интенсивности подачи воды на цели пожаротушения [14, 15].

С помощью этой величины, в свою очередь, определяются и возможности по продолжительности тушения пожара. Кроме того, важной величиной, определяющей возможности комплекса при реализации режимов разового цикла, является площадь пожаротушения.

С учетом (6) решением системы уравнений (5) и является выражение (4).
Подзадача оценка эффективности тушения пожара по площади в режимах разового цикла возимым запасом воды. Схема подачи воды к очагу пожара в данном случае включает только одно звено, включающее РТС-П или РТС-ВС. В этом случае возможности комплекса оцениваются с использованием выражений (1), (3) и (4).
Расчеты выполнены с учетом следующих факторов: максимальный напор, создаваемый существующим насосом – 1.0 МПа; максимальная производительность насоса – 200 л/с; диаметр водовода внутри лафетного ствола – 100 мм; диаметр насадка лафетного ствола – 84 мм; превышении насадка над уровнем насоса,
равным 70 м (высота сооружения реактора электростанции).

Подзадача по оценке возможностей комплекса по площади тушения пожаров в режиме длительного пожаротушения. При данном режиме пожаротушения схема подачи воды к очагу пожара включает два звена (рис. 3):
1) РТС-НС с расположенной на ней гибкой рукавной линией, длина которой может быть увеличена за счет использования РТС РК;
2) РТС-П или РТС-ВС.

В этом случае возможности комплекса оцениваются с использованием выражений (2), (3) и (4).
Выражение (4) применяется для расчета максимального расхода воды (при максимальном напоре, создаваемом насосом) отдельно для каждого звена. Результирующим расходом воды является меньший из двух полученных значений.

Насос звена,
обеспечивающего больший расход воды, регулирующим устройством будет переведен на меньшую производительность, достигая этим единый расход.

Полученный результат используется в выражениях (2) и (3) для получения величин Sт и Sт′.

Возможности РТК-ПМ по длительному пожаротушению с использованием водоема зависят от многих факторов (параметров), поэтому результаты выполненных расчетов в целях обеспечения большей их обозримости целесообразно представить в виде номограммы, один из вариантов которой показан на рис. 4 [9].

Расчеты выполнены для следующих планируемых условий: диаметр рукавной линии – 300 мм, диаметр патрубков – 80 мм, напор воды, создаваемый насосом РТС-НС – 1.4 МПа.

Такую номограмму можно использовать в качестве инструмента для графоаналитической оценки возможностей РТК-ПМ по площадному пожаротушению.

Анализ информации, содержащейся в номограмме, показывает, что на производство расчета возможностей РТК-ПМ по площадному пожаротушению может влиять учет характеристик РТС-ВС (РТС-П) и РТС-НС в случаях, если: превышение РТС-ВС (РТС-П) над РТС-НС в пределах длины рукавной линии 2000 м (при большей длине подача воды обычно осуществляется посредством применения заправщиков РТС-ЗВ) составляет более 30 м; высота лафетного ствола более 20 м.
Если ни одно из этих условий не выполняется, то обеспечивается расход воды, равный 200 л/с, и дальнейший расчет ведется по этому значению.
Для выполнения расчетов по формированию тактико-технических требований к РТК при различных вариантах его применения разработан «Программный модуль расчета подачи огнетушащих веществ в очаг пожара» (рис. 5) в соответствии с методами, теоретическое обоснование которых представлено в данной статье.

Подзадача оценки возможностей робототехнического комплекса по тушению пожаров на радиационно-, химически- и взрывоопасных объектах.
Данную проблему предлагается решать путем формирования технических обликов
РТК, которые могут быть созданы для решения пожаров на вышеуказанных объектах, и затем сравнительной оценкой их качеств.
Под оценкой качества технического облика РТК по техническим характеристикам понимаются способы установления значимости вариантов РТК, составляющих некоторое множество альтернатив, на основе сравнения их тактико-технических характеристик.

При этом варианты РТК должны различаться соотношением значений технических показателей, каждое из которых должно пройти проверку на непротиворечивость с использованием доступных математических методов.

В качестве оценки качества технического облика РТК предусматривается операция выбора из некоторого множества тех вариантов комплексов, которые являются рациональными для применения в процессе пожаротушения. В качестве результата данной оценки принимается получение ранжировок вариантов соотношений значений технических характеристик РТК, на которые накладываются тактико-технические требования [20].

Рациональный подход к созданию РТК-ПМ предлагается представить последовательностью ниже приведенных процедур и функционалом аппарата поддержки их выполнения (рис. 6):
1) формирование основ технического облика РТК, включающее:
— формирование вариантов пожаротушения (анализ набора процессов, составляющих варианты пожаротушения);
— определение состава, типа и компоновки элементов РТК;
— представление элементов РТК наиболее существенными характеристиками, показывающими место и роль элементов в системе (формирование системы
основных характеристик РТК);
2) выбор методов получения значений существенных характеристик;
3) формирование системы оценки качества технического облика РТК:
— разработка системы критериев;
— выбор методов расчета каждого частного критерия;
— выбор методов многокритериальной оценки технического облика РТК;

4) формирование ТТТ к основным характеристикам, обеспечивающих достижение заданного качества РТК путем комплексного применения методов получения значений показателей и системы оценки качества технического облика РТК;
5) составление совокупности характеристик, требования к которым регламентируются стандартами и другими руководящими документами. Конкретизация
ТТТ к ним [21, 22].
В аппарат поддержки выполнения процедур предлагается включить методы
(рис. 7):
— формирования основ технического облика РТК;
— получения значений характеристик;
— оценки качества технического облика РТК.

Рассматриваемая задача представляет собой инструмент поддержки трудоемкой процедуры сравнительной оценки качества технического облика РТК для различных вариантов его компоновки и выбора из них наилучшего, характеристики которого предполагается положить в основу тактико-технических требований к РТК. Эта процедура связана с многокритериальной оценкой указанных вариантов, при осуществлении которой учитывается мнение лиц, принимающих решение,
посредством экспертного оценивания и обработки экспертной информации.

Представленный подход позволил произвести сравнительную многокритериальную оценку эффективности различных вариантов компоновки РТК многорежимного пожаротушения, с возможность сформировать следующие основные тактико-технические требования к разрабатываемому комплексу:
— полная масса специализированных РТС – до 40 т;
— объём ёмкости для воды на пожарном РТС-П и заправщике РТС-ЗВ – не
менее 18 000 л;
— длина рукавной линии РТС-РК – не менее 2000 м. (2000 × 2);
— производительность водяного насоса РТС-НС – не менее 300 л/с;
— производительность пожарного насоса на РТС-П – не менее 200 л/с;
— высота подъёма лафетного ствола на РТС-ВС – не менее 70 м;
— дальность управления РТС:
— в приземном режиме на среднепересечённой местности – не менее 2 км;

— в режиме ретрансляции в условиях ЧС – не менее 30 км;
— вид сопряжения РТС – автоматизированное сцепное устройство.
Заключение. Представленный в статье методический подход к формированию технических требований к робототехническому комплексу пожаротушения иаппаратно-программный комплекс выбора рационального варианта робототехнического комплекса, а также технология его применения при ликвидации чрезвычайных ситуаций прошли апробацию в научно-исследовательских и образовательных организациях МЧС России и в настоящее время рассматривается в качестве
инструментария обоснования требований к РТК при разработки технических заданий на создание перспективных образцов средств технического обеспечения реагирующих подразделений МЧС России.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ

1. Мошков В.Б., Баранник А.Ю. Перспективы развития системы робототехники МЧС Рос-
   сии в интересах повышения эффективности ведения аварийно-спасательных работ //
   Технологии гражданской безопасности. Спецвыпуск. – 2021. – С 124-126
   2. A Roadmap for US Robotics – From Internet to Robotics. – 2020 ed. https://www.
   semanticscholar.org.
   3. Unmanned Systems Roadmap: 2007-2032. – https://www.globalsecurity.org.
   4. Firefighting Robots Go Autonomous. – https://www.cientificamerican.com.
   5. Global Robot Firefighter Market 2021 Analysis by Sales, Industry Assessment, Industry,
   Trends and Forecast 2027. – https://www.bignewsnetwork.com.
   6. Асхадеев А.И., Павлов Е.В., Баранник А.Ю., Лагутина А.В., Козлов В.И., Пеньков И.А.,
   Чирко О.В. Система робототехники МЧС России. Состояние и перспективы развития //
   Технологии гражданской безопасности. – 2022. – № 2 (72). – С. 41-47.
   7. Иванов Е.Н. Расчет и проектирование систем пожарной защиты. – М.: Химия, 1977. – 376 с.
   8. Павлов Е.В. Технический состав робототехнического комплекса тяжелого класса много-
   режимного тушения пожара // Пожарная безопасность. – 2015. – № 1. – C. 109-110.
   9. Баранник А.Ю., Лагутина А.В. Робототехнические комплексы МЧС России // Школа
   молодых ученых и специалистов МЧС России: Матер. юбилейного X форума. Санкт-
   Петербург, 15 октября 2020 г. – С. 207-212.
   10. Павлов Е.В. Робототехнический комплекс тяжёлого класса многорежимного пожароту-
   шения // Пожаротушение: проблемы, технологии, инновации: Сб. тезисов докладов ме-
   ждународной научно-практической конференции: в 2 ч. Ч. 2. – М.: Академия ГПС МЧС
   России, 2015. – С. 221-226.

11. Павлов Е.В. Разработка робототехнического комплекса многорежимного пожаротушения
тяжёлого класса // Проблемы обеспечения безопасности при ликвидации последствий чрез-
вычайных ситуаций: Сб. статей по материалам всерос. науч.-практ. конф. с междунар. уч.
– Воронеж: ФГБОУ ВПО Воронежский институт ГПС МЧС России, 2014. – С. 244-247.
12. Павлов Е.В. Условия эффективного пожаротушения и возможности группировки робо-
тотехнических комплексов по его выполнению при крупномасштабных авариях // По-
жарная безопасность. – 2020. – № 4. – С. 130-136.
13. Павлов Е.В., Лукацкий И.М., Осипов Ю.Н., Ершов В.И. Технологические особенности
применения робототехнического комплекса многорежимного пожаротушения в услови-
ях крупномасштабных чрезвычайных ситуаций // Пожарная безопасность. – 2022. – № 3
(108). – С. 86-93.
14. Павлов Е.В., Ершов В.И., Осипов Ю.Н. Оценка эффективности применения робототех-
нического комплекса многорежимного пожаротушения в чрезвычайных ситуациях //
Пожарная безопасность. – 2018. – № 4. – С. 22-27. – eLIBRARY ID: 36615627.
15. Павлов Е.В. Разработка методики обоснования тактико-технических требований к робо-
тотехническому комплексу многорежимного пожаротушения // Технологии граждан-
ской безопасности. – 2020. – Т. 17, № 2 (64). – С. 61-67.
16. Чистяков Н.Н., Коган Ю.Ш., Кирюханцев Е.Е. Противопожарное водоснабжение зда-
ний. – М.: Стройиздат, 1990. – 176 с.
17. Повзик Я.С. Справочник. – М.: ЗАО “Спецтехника”, 2004. – 416 с.
18. Филин Д.Г. Методика проведения пожарно-тактических расчетов. Тактика тушения по-
жаров: учеб.-метод. пособие. – Н. Новгород: Нижегородский учебный центр ФПС, 2008.
19. Воротынцев Ю.П., Качалов А.А., Абросимов Ю.Г. и др. Гидравлика и противопожарное
водоснабжение. – М.: ВИПТШ МВД СССР, 1985. – 383 с.

20. Павлов Е.В. Требования к робототехническому комплексу многорежимного пожароту-
шения на базовом шасси // Актуальные проблемы пожарной безопасности: Матер.
XXVII Междунар. научн.-практ. конф., посвящённой 25-летию МЧС России: В 3 ч. Ч. 2.
– М.: ВНИИПО МЧС России, 2015. – С. 336-345.
21. Носков С.С., Байков А.В., Найденов Д.С. Пути расширения возможностей робототехни-
ческих средств при ликвидации ЧС // Применение робототехнических комплексов спе-
циального назначения: Сб. трудов секции № 5 ХХIХ Международной научно-
практической конференции «Предотвращение. Спасение. Помощь», 21 марта 2019 г.
ФГБВОУ ВО АГЗ МЧС России. – 2019. – С. 103-111.
22. Формуляр 006-TIPSA-2010. Рукава пожарные напорные OROFLEX20. – Балашиха: ФГУ
ВНИИПО МЧС России, 2010. – 11 с.

Источник:

http://izv-tn.tti.sfedu.ru