О методологическом подходе к оценке эффективности технических средств поиска пострадавших в чрезвычайных ситуациях

Научно-технические разработки

УДК 614.8:377

А.И. Запорожец к.т.н., С.Н. Коробков к.т.н., С.П. Тодосейчук к.т.н.

О МЕТОДОЛОГИЧЕСКОМ ПОДХОДЕ К ОЦЕНКЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПОИСКА ПОСТРАДАВШИХ В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ

В статье изложен методологический подход к оценке эффективности технических средств поиска пострадавших в чрезвычайных ситуациях, основанный на разработке стандартных сценариев чрезвычайных ситуаций, связанных с поиском пострадавших под завалами зданий и сооружений и снежными лавинами

А.И. Запорожец

С.Н. Коробков

С.П. Тодосейчук

Входе выполнения аварийно-спасательных работ (АСР), выполняемых при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, выделим одну из важнейших задач, целью которой является своевременный поиск пострадавших и оказание им медицинской помощи.

В «Наставлении по организации и технологии ведения аварийноспасательных и других неотложных работ при чрезвычайных ситуациях» [1] способы и технологии поиска пострадавших определены следующим образом: «Поиск пострадавших имеет целью обнаружение места их нахождения, уточнение условий их нахождения и состояния, установление с ними звукового или визуального контакта, определение примерного объема и характера необходимой им помощи». В числе способов поиска, наряду с использованием специально обученных собак, рассматривается «поиск с помощью специальных приборов».

В статье рассматривается частная задача АСР — поиск (обнаружение местонахождения) пострадавших в ЧС, которые находятся под завалами зданий и сооружений, а также — под снежными лавинами.

Эффективность операций поиска является случайной величиной. Она определяется следующими основными группами параметров:

• продолжительностью выполнения работ;

• вероятной дальностью обнаружения пострадавших;

• точностью целеуказания местонахождения пострадавших;

• вероятностью ложных сигналов технических средств поиска пострадавших (ТСПП) об обнаружении пострадавших;

• надежностью ТСПП.

Для решения задачи поиска пострадавших разработчиками ТСПП предложено использовать самые различные физические принципы обнаружения пострадавших. Вот лишь некоторые из них: акустические приборы; тепловизионные ТСПП; радиолокационные средства поиска; средства химического анализа газовой среды; телевизионные ТСПП.

Рассматриваемый ниже методологический подход позволяет оценивать эффективность ТСПП, работа которых основана на любых физических принципах.

1. Общие положения

1.1. Основные обозначения, термины и определения

Следует использовать следующие условные обозначения показателей и параметров:

а и Ь [м]— стороны прямоугольника, определяющего размеры зоны поиска пострадавших в ЧС с помощью ТСПП; h [м] — глубина завала;

I — количество полигонов для проведения испытаний ТСПП;

1 — индексный номер полигона для проведения испытаний ТСПП (1 = 1, 2,...,1);

J — количество вариантов стандартных условий окружающей среды

в зоне ЧС (климатических, погодных и т. д.) для проведения испытаний ТСПП;

j — индексный номер стандартного варианта условий окружающей среды в зоне ЧС 0 = 1, 2,...Д);

К — количество условно пострадавших при оценке эффективности ТСПП по стандартному сценарию ЧС;

к — индексный номер условного «пострадавшего» в зоне ЧС (к = 1, 2,...,К);

L [м] — дальность обнаружения пострадавших, находящихся под завалами, измеренная от местонахождения пострадавшего до ТСПП;

М — количество точек, в которых ТСПП осуществляет поиск пострадавших в зоне ЧС в соответствии со стандартным сценарием ЧС;

т — индексный номер точки поиска пострадавших с помощью ТСПП в зоне ЧС (т = 1, 2,...,М);

N — количество стандартных сценариев ЧС, используемых для оценки эффективности ТСПП;

Р [1/ч] — производительность ТСПП, характеризуемая процентом обнаруженных под завалами пострадавших за единицу времени с учетом ложных тревог;

Q — количество точек на плане завала, в которых ТСПП должен осуществить поиск пострадавших;

q — индексный номер текущей точки на плане завала, в которой ТСПП осуществляет поиск пострадавших ^ = 1,...^);

$2].к — стандартный сценарий ЧС, используемый для оценки эффективности ТСПП, характеризуемый г-ым составом завала, г-ми размерами зоны завала, j-ми стандартными условиями окружающей среды, к-ым количеством условных пострадавших;

тно [ч] — среднее время наработки ТСПП на отказ, характеризующее надежность функционирования ТСПП в условиях зоны ЧС;

ус] — среднее время готовности ТСПП к выполнению работ по обнаружению пострадавших (время развертывания из походного положения);

^ [с] — среднее время подстройки ТСПП для работы в точке поиска в зоне ЧС;

^ [с] — среднее время работы ТСПП в точке поиска; ^ [с] — среднее время перемещения ТСПП по поверхности завала из одной точки поиска в другую;

W — интегральное значение вероятности обнаружения пострадавших под завалами с помощью ТСПП по всем результатам моделирования для N сценариев;

Wл — интегральное значение вероятности ложного обнаружения пострадавших под завалами с помощью ТСПП (сигналы ложной тревоги) по всем результатам моделирования для N сценариев;

Wzг¡ — вероятность обнаружения пострадавших под завалами в результате М реализаций процесса моделирования для 8^-сценария;

Wzг¡л— вероятность ложного обнаружения пострадавших под завалами в результате М реализаций процесса моделирования для 8^-сценария;

"№^т— вероятность обнаружения пострадавших под завалами при моделировании процесса поиска ТСПП для т-ой реализации 8^-сценария;

— вероятность ложного обнаружения пост-

гцт. л * •г*'

радавших под завалами при моделировании процесса

поиска ТСПП для т-ой реализации $^к-сценария;

Z — количество вариантов состава завалов в зоне ЧС (материалы, их процентное соотношение и т. д.);

г — индексный номер варианта состава завала в зоне ЧС (г = 1,...^);

а [град] — угол азимута, указывающий местонахождение пострадавшего (пострадавших); измеряется от точки поиска в зоне ЧС в горизонтальной плоскости от направления на север по часовой стрелке до направления на пострадавшего;

Р [град] — угол места, указывающий местонахождение пострадавшего (пострадавших); измеряется в вертикальной плоскости от вертикали, проходящей через точку поиска, до направления на ожидаемое местонахождение пострадавшего;

у [град] — угол полураствора конуса, ось которого направлена от точки поиска на ожидаемое местонахождение пострадавшего, внутри которого должен находиться пострадавший.

В следующих разделах используются термины, определения которых приведены ниже:

Эффективность технических средств — совокупность параметров технических средств, обеспечивающая их оптимальное соответствие функциональному назначению.

Эффективность технических средств поиска пострадавших в чрезвычайных ситуациях, находящихся под завалами зданий и сооружений, а также под снежными лавинами (далее — «эффективность ТСПП») — совокупность параметров ТСПП, обеспечивающая их максимальную производительность при поиске пострадавших в зоне ЧС и измеряемую процентом обнаруженных пострадавших от общего их количества за единицу времени.

1.2. Тактико-технические показатели ТСПП

К тактико-техническим показателям ТСПП, существенным образом влияющие на их эффективность:

• дальность обнаружения пострадавших, находящихся под завалами L;

• точность целеуказания местонахождения пострадавших, характеризуемая тремя углами а, Р и у.

• вероятность обнаружения пострадавших в зависимости от дальности их местонахождения от ТСПП - W(L);

• вероятность ложного сигнала обнаружения пострадавших - «ложная тревога» в зависимости от дальности их местонахождения от ТСПП — Wл(L);

• надежность функционирования ТСПП в условиях зоны ЧС, характеризуемую временем наработки на отказ — Т ;

но

• среднее время готовности ТСПП (время развертывания) к выполнению работ по обнаружению пострадавших — 1г;

• среднее время перемещения ТСПП по поверхности завала из одной точки поиска в следующую — ^;

• среднее время подстройки ТСПП для работы в новой точке поиска в зоне ЧС — 1 ;

н

• среднее время работы ТСПП в точке поиска — у

• производительность ТСПП, характеризуемая

Научно-технические разработки

Научно-технические разработки

процентом обнаруженных под завалами пострадавших за единицу времени работы в зоне ЧС с учетом ложных тревог — Р.

1.3. Виды чрезвычайных ситуаций, в которых используются ТСПП

Оценка эффективности ТСПП производится для следующих видов ЧС:

•разрушение зданий и сооружений с образованием завалов и с пострадавшими, находящимися под завалами;

• снежные лавины с пострадавшими, находящимися под снегом.

2. Формирование стандартных сценариев чрезвычайных ситуаций для оценки эффективности ТСПП

2.1. Стандартные сценарии чрезвычайных ситуаций при поиске пострадавших под завалами зданий и сооружений

Рассматриваемые стандартные сценарии ЧС 8 к сформированы как совокупность следующих показателей:

• г — стандартный вариант состава завала;

• г — стандартные размеры зоны завала (длина а [м], ширина Ь [м], высота h [м]);

• j — стандартные условия окружающей среды (температура, влажность воздуха, осадки, пожар, очаги возгорания, задымленность, загазованность);

• к — стандартное количество условных пострадавших.

В соответствии с Наставлением [1] рассматриваются ЧС, характеризующиеся следующими степенями разрушений зданий и сооружений:

• тяжелые повреждения;

• разрушения;

• обвалы.

Эффективность ТСПП существенным образом зависит от материалов, из которых состоит завал, наличия в них пустот и т. д.

1-й стандартный вариант завала (г = 1) соответствует разрушению кирпичных зданий и сооружений. В этом случае завал имеет следующую структуру:

• кирпичные глыбы до 1 м3 — 20 %;

• обломки железобетонных и бетонных конструкций до 0,8 м3 — 60 %;

• деревянные конструкции — 3 %;

• металлические конструкции — 10 %;

• строительный мусор — 7 %.

2-й стандартный вариант завала (г = 2) соответствует разрушению крупнопанельных зданий и сооружений. В этом случае завал имеет следующую структуру:

• обломки железобетонных и бетонных конструкций до 0,8 м3 — 75 %;

• деревянные конструкции — 18 %;

• металлические конструкции — 3 %;

• строительный мусор — 5 %.

3-й стандартный вариант завала (г = 3) соответствует разрушению производственных кирпичных зданий и сооружений. В этом случае завал имеет следующую структуру:

• очень крупные обломки (более 5 т) — 60 %;

• крупные обломки (2—5 т) — 10 %;

• средние обломки (0,2—2 т) —5 %;

• мелкие обломки и строительный мусор — 25 %.

4-й стандартный вариант завала (г = 4) соответствует разрушению производственных крупнопанельных зданий и сооружений. В этом случае завал имеет следующую структуру:

• очень крупные обломки (более 5 т) — 60 %;

• крупные обломки (2—5 т) — 10 %;

• средние обломки (0,2—2 т) — 20 %;

• мелкие обломки и строительный мусор — 10 %. Стандартная площадь завала при разрушении зданий и сооружений в соответствии с Наставлением [1]: 100 х 100 м.

1-й стандартный вариант размеров завала (и = 1) характеризуется следующими размерами:

длина а = 100 м, ширина Ь = 100 м, высота h = 5 м.

2-й стандартный вариант размеров завала (и = 2) характеризуется следующими размерами:

длина а = 50 м, ширина Ь = 20 м, высота h = 3 м. Этот вариант соответствует разрушению стандартного панельного жилого дома.

В сценариях ЧС используются следующие показатели условий окружающей среды: температура воздуха; влажность воздуха; атмосферные осадки; очаги пожара; задымленность; загазованность и показатели, определяющие количество условных пострадавших под завалами (к) с равномерным их распределением по глубинам от поверхности завала.

2.2. Стандартные сценарии чрезвычайных ситуаций для поиска пострадавших под снежными лавинами и подо льдом

Случаям поиска пострадавших, находящихся под снежными лавинами, соответствует стандартные сценарии, характеризующиеся следующими показателями:

• процент снеговой массы;

• процент ледовой массы;

• размеры снежной лавины на плане;

• максимальная и средняя глубина лавины;

• температура воздуха, его влажность.

3. Формирование критериев для оценки эффективности технических средств поиска пострадавших

3.1. Обоснование критерия для оценки эффективности технических средств поиска пострадавших

С целью выбора критерия для оценки эффективности ТСПП проанализируем их тактико-технические показатели.

Дальность L и вероятность обнаружения пострадавших W, вероятность ложных сигналов обнаружения Wл, точность целеуказания местонахождения пострадавших а, р и у, надежность функционирования ТСПП Тно, время готовности

ТСПП для выполнения поисковых работ 1г, время перемещения ТСПП по поверхности завала из одной точки поиска в следующую у время работы ТСПП в точке поиска в зоне ЧС 1 являются важными пор

казателями, влияющими на эффективность ТСПП. Однако каждый из них в отдельности не может быть использован в качестве критерия для оценки эффективности ТСПП, т.к. не позволяет всесторонне оценить совокупность качеств ТСПП, определяющих их функциональное назначение.

В качестве критерия эффективности ТСПП должен использоваться комплексный показатель, учитывающий существенное влияние основных частных показателей ТСПП на их эффективность. Таким комплексным показателем ТСПП является производительность Р, характеризуемая процентом обнаруженных под завалами пострадавших в единицу времени с учетом ложных тревог. Показатель Р является функцией от множества частных показателей, таких как дальность L, вероятность обнаружения пострадавших W, надежность функционирования ТСПП Тно, время готовности (развертывания) ТСПП для выполнения поисковых работ 1г, время, необходимое для перемещения ТСПП из одной точки поиска в следующую точку поиска на поверхности завала у время подстройки ТСПП для работы в точке поиска в зоне ЧС 1н, время работы ТСПП в точке поиска у

Р = Р ^, W, Т , 1, 1 ,1 , 1).

4 ’ ’ но’ г’ п’ н’ р/ 4 /

Показатель Р — это производительность ТСПП, характеризуемая процентом обнаруженных под завалами пострадавших в единицу времени с учетом ложных тревог.

Учитывая большое количество показателей ТСПП, а также — показателей, характеризующих сценарии ЧС, невозможность связать их в аналитической функции, приходим к выводу о целесообразности использовать при оценке эффективности ТСПП методов компьютерного моделирования на математических моделях.

4. Математическая модель для оценки эффективности ТСПП

4.1. Перечень показателей математической модели, характеризующих сценарий ЧС

В математической модели оценки эффективности ТСПП используются следующие показатели, характеризующие сценарий ЧС:

• время Т, отведенное на поиск пострадавших, определяемое с учетом погодных и других факторов сценария ЧС;

• размеры зоны завала, представляющего собой параллелепипед со сторонами на плане завала а и Ь, и глубиной ^

• структура и состав материала завалов, характеризуемая индексным номером стандартного сценария ЧС п (п = 1, 2,...^);

• стандартные варианты условий окружающей среды в зоне поиска пострадавших (климатических,

погодных и т. д.), характеризуемые индексным номером рассматриваемых условий j 0 = 1, 2,...Д);

• количество I полигонов для испытаний ТСПП;

• индексный номер 1 полигона для испытаний ТСПП (1 = 1, 2,...,1);

• количество J стандартных условий окружающей среды для испытаний ТСПП;

• индексный номер j стандартных условий окружающей среды для испытаний ТСПП 0 = 1, 2,...Д);

• количество К глубинных модулей на 1-ом полигоне для испытаний ТСПП;

• индексный номер к глубинного модуля на 1-ом полигоне (к = 1, 2,...,К).

4.2. Перечень показателей математической модели, характеризующих ТСПП

В математической модели оценки эффективности используются следующие показатели ТСПП:

• дальность обнаружения пострадавших, находящихся под завалами L;

• интегральное значение вероятности обнаружения пострадавших в ЧС в зависимости от дальности их местонахождения от ТСПП W(L);

• надежность функционирования ТСПП в условиях зоны ЧС, характеризуемую временем наработки на отказ Т ;

но

• среднее время готовности ТСПП (время развертывания из походного положения) к выполнению работ по обнаружению пострадавших у

• средняя скорость перемещения ТСПП по поверхности завала в заданные точки поиска V;

• среднее время настройки ТСПП для работы в точке поиска в зоне ЧС 1 ;

н

• среднее время работы ТСПП в точке поиска до получения сигнала (информации) о наличии (отсутствии) пострадавших 1р;

• скорость перемещения ТСПП из одной точки завала к другой;

• время наладки ТСПП к работе в точках поиска пострадавших на завале;

• время работы ТСПП в точках поиска пострадавших до момента получения сигнала (информации) об обнаружении (не обнаружении) пострадавших;

• вероятность обнаружения пострадавших в точках поиска в зависимости глубины нахождения пострадавших под завалом, сценария ЧС, климатических условий поиска.

4.3. Математическая модель оценки эффективности ТСПП

Для создания математической модели оценки эффективности ТСПП необходима формализация задачи поиска. Разделим процесс поиска на совокупность работ и событий. Каждая работа требует затрат времени и различного рода ресурсов и завершается определенным событием. В данной имитационной математической модели, реализуемой в виде компьютерной программы, рассматриваются работы и события, описываемые ниже.

А. Исходные данные (уровень сценария ЧС):

выбор сценария ЧС 8г к из имеющегося набора

Научно-технические разработки

Научно-технические разработки

сценариев;

определение количества точек поиска Q и их координат (х,у) на плане завала (а,Ь) с учетом дальности обнаружения L при условии просмотра всего объема завала ТСПП;

установка времени Т, отведенного на поиск пострадавших в ЧС.

B. Исходные данные

Тактико-технические характеристики ТСПП в

условиях рассматриваемого сценария ЧС:

определение момента времени отказа ТСПП То (с помощью датчика случайных чисел) на основе заданного времени наработки на отказ Тно.

C. Исходные данные

Устанавливаются исходные значения текущих параметров модели:

исходное значение текущего времени моделирования 1 = 0;

исходное значение количества точек на плане, в которых необходимо произвести поиск пострадавших с помощью ТСПП q = 0;

исходное значение количества найденных пострадавших К = 0.

D. Процесс моделирования осуществляется на основе следующего алгоритма:

1. Приведение ТСПП из походного положения в состояние готовности к выполнению работ — 1 = 1+1г.

2. Проверка: текущее время ? < Т?

Если НЕТ, то перейти к п.6. Иначе — ПРОДОЛЖИТЬ.

3. Проверка: текущее время ? < То ?

Если НЕТ, то перейти к п.6. Иначе — ПРОДОЛЖИТЬ.

4. Проверка: количество просмотренных с помощью ТСПП точек поиска пострадавших д < Q?

Если НЕТ, то перейти к п.6. Иначе — ПРОДОЛЖИТЬ.

5. Цикл поиска:

• 1-я работа: перемещение ТСПП в очередную точку поиска — 1 = 1+1

• 2-я работа: настройка ТСПП в очередной точке поиска — 1 = 1+1 .

н

• 3-я работа: поиск пострадавших с помощью ТСПП в рассматриваемой точке поиска — 1 = 1+1н.

• 4-я работа: результат поиска пострадавших в данной точке с помощью ТСПП определяется следующим образом. По координатам данной точки поиска определяется наличие (или отсутствие) пострадавших в пределах дальности обнаружения L.

Если пострадавшие отсутствуют, то определяется наличие (или отсутствие) сигнала ложной тревоги с помощью датчика случайных чисел и с учетом зависимости Wл = Wл(L). Фиксируется новое значение показателя Кл = Кл+1 и текущее время 1 = 1+1р.

При отсутствии сигнала ложной тревоги считается, что ТСПП работал в этой точке максимальное время — 1р и текущее время приобретает значение 1 = 1+1р. Цикл поиска в данной точке завершен и алгоритм возвращается к п. 2.

Иначе (при наличии пострадавших в пределах дальности обнаружения) с помощью датчика слу-

чайных чисел и с учетом зависимости вероятности правильного обнаружения от дальности W = W(L) принимается решение о появлении сигнала обнаружения пострадавшего. В этом случае Ко = Ко+1 и 1 = 1+1р. Алгоритм возвращается к п.2.

6. Завершение процесса моделирования.

Процесс моделирования завершается по следующим показателям:

- завершению прохождения всех точек поиска на плане завала;

- завершению времени поиска пострадавших в соответствии со сценарием;

- отказом ТСПП.

7. Обработка результатов моделирования для т-ой реализации $^к сценария ЧС.

По результатам моделирования имеем следующие показатели:

- количество обнаруженных пострадавших под завалами К ;

- количество ложно обнаруженных пострадавших под завалами (по сигналам ложных тревог) Кл;

- время, затраченное на поиск пострадавших 1.

Обрабатывая результаты моделирования получаем

следующие показатели:

- вероятность правильного обнаружения пострадавших для т-ой реализации $^к стандартного сценария ЧС - отношение суммы правильных обнаружений к общему количеству пострадавших, находящихся под завалами в соответствии с рассматриваемым сценарием

w = К/К;

гркт о' ’ 4 /

- вероятность ложного обнаружения пострадавших под завалами при моделировании процесса поиска ТСПП для т-ой реализации 8^-сценария

Wz,km, =Кл/К

Е. Продолжение моделирования для Б^.к сценария ЧС (т+1-ая реализация).

Моделирование для 8 к сценария ЧС осуществляется М раз (т = 1,...,М). Каждая последующая реализация отличается от предыдущей новыми значениями установок показателей ТСПП, получаемых с помощью датчика случайных чисел.

Так, например, определение времени отказа То в период работы ТСПП в зоне ЧС осуществляется следующим образом:

Используя установленное для штатного ТСПП время наработки на отказ Тно (или предполагаемый показатель Тно для экспериментального ТСПП) с помощью датчика случайных чисел определяем:

условно фактическое время, проведенное ТСПП в режиме безотказной работы;

ожидаемое время условного отказа.

Это время, оставшееся до условного отказа То, в математической модели может оказаться меньше времени Т, отведенного на поиск пострадавших. Следовательно, в рассматриваемой реализации процесса моделирования, поиск завершится не в момент вре-

мени 1 = Т, а в момент 1 = Т < Т.

’ о

F. Завершение моделирования для Srjk сценария ЧС (М реализаций).

По завершении М реализаций процесса моделирования определяется вероятность обнаружения пострадавших с помощью ТСПП для $2].к сценария ЧС:

и вероятность ложного обнаружения пострадавших:

м ш ^„,=1 *

... . м

Далее определяется эффективность данного образца ТСПП для Wz]jkл сценария ЧС:

Р

zrjk

(^Лк.л)/т.

Итоговое значение эффективности Р определяется как обобщающий показатель ТСПП по результатам всех заданных сценариев ЧС №

4.4. Сравнительная оценка ТСПП по результатам моделирования

Заметим, что при сравнении двух ТСПП, первый образец ТСПП может быть эффективнее второго при одном сценарии ЧС, а второй образец ТСПП эффективнее первого при другом сценарии (при других условиях окружающей среды). Подобный факт легко объясним для ТСПП, основанных на разных физических принципах.

Выводы.

1. Рассматриваемая в статье математическая модель для оценки эффективности ТСПП является первой версией, которая в дальнейшем должна усложняться, обеспечивая большую адекватность реальным процессам поиска пострадавших в ЧС.

2. Необходима разработка совокупности стандартных сценариев ЧС, характерных для условий, соответствующих различным регионам России. Указанные сценарии необходимы не только для оценки эффективности ТСПП, но также и для оценки других технических средств, применяемых при проведении АСР.

3. Необходимо создание специальных полигонов в различных климатических зонах России для оценки показателей ТСПП и других технических средств АСР с помощью созданных для этой цели методик.

4. На основе рассматриваемых показателей на математических моделях должна производиться оценка эффективности ТСПП и других технических средств АСР.

Литература

1. Наставление по организации и технологии ведения аварийно-спасательных и других неотложных работ при чрезвычайных ситуациях. Часть 2. Организация и технология ведения аварийно-спасательных и других неотложных работ при землетрясениях. — М.: МЧС России, 2000.

2. Беллман Р. Динамическое программирование. — М.: Издательство иностранной литературы, 1960. — 400 с.

3. Переяслов А.Н., Тодосейчук С.П., Запорожец А.И. Проблемы создания технических средств поиска пострадавших в чрезвычайных ситуациях: Сборник научно-технических трудов. — М.: ВНИИ ГОЧС МЧС России, 2001.

Научно-технические разработки