Проектирование автоматизированной системы управления эвакуацией в критических ситуациях на основе принципов системного инжиниринга

2015 НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА № 217

УДК 004.896

ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ

УПРАВЛЕНИЯ ЭВАКУАЦИЕЙ В КРИТИЧЕСКИХ СИТУАЦИЯХ

НА ОСНОВЕ ПРИНЦИПОВ СИСТЕМНОГО ИНЖИНИРИНГА

С.С. ВАЛЕЕВ, Н.В. КОНДРАТЬЕВА, А.Ф. АГЛЕТДИНОВА

Одной из задач управления инфраструктурными объектами является обеспечение эффективной эвакуации в критических ситуациях. Проблема эвакуации связана с неоднородностью данных, их большими объемами, потерей части информационной инфраструктуры под воздействием деструктивных факторов. Рассматривается концепция проектирования автоматизированной системы управления эвакуацией на основе системного инжиниринга с при- менением системного подхода, современных информационных технологий, а также имитационного моделирова- ния. Обосновывается актуальность использования технологий больших данных для решения задачи управления в реальном масштабе времени. В качестве инструмента распределенной обработки данных предлагается прототип кластера вычислителей с низким энергопотреблением.

Ключевые слова: инфраструктурный объект, управление, эвакуация, имитационное моделирование, большие данные.

Введение

Одной из задач проектирования системы управления инфраструктурным объектом, напри- мер зданием современного международного аэропорта, является обеспечение эффективной эвакуации людей и материальных ценностей в критических ситуациях. Инфраструктурные объекты относятся к классу распределенных объектов управления со сложной структурой жиз- необеспечения, эффективное функционирование которых обеспечивается высококвалифициро- ванным персоналом [1] и распределенной автоматизированной системой управления.

В рамках системной инженерии предполагается использование идеи поддержки жизненно- го цикла сложной системы на различных этапах ее существования на базе системного подхода, активного использования современных информационных технологий для обеспечения эффек- тивности системы в процессе эксплуатации. Инжиниринг, основанный на принципе устойчиво- го развития (sustainable engineering), предполагает, что в рамках парадигмы жизненного цикла сложного инфраструктурного объекта поддерживается его устойчивое функционирование в условиях воздействия различных деструктивных факторов [2].

Одним из базовых инструментов при проектировании системы является имитационное мо- делирование различных аспектов ее функционирования. Если в процессе моделирования выяс- няется, что обеспечить требуемое качество процессов управления невозможно, например, время эвакуации из любой точки инфраструктурного объекта в случае пожара не укладывается в огра- ничения по риску неэвакуации, то необходимо использование идеи отрицательной обратной связи для обеспечения требуемого качества управления. Под обратной связью понимается про- цесс адаптации структуры системы управления в реальном времени, например, в виде перепла- нировки структуры помещений, управление конвекцией воздушных потоков, динамического планирования маршрутов эвакуации и т.п.

На различных этапах решения задачи проектирования в рамках системной инженерии воз- никает проблема, связанная с обработкой больших данных. Под большими данными понимают большие потоки данных, которые необходимо обработать в реальном масштабе времени.

В настоящее время наблюдается активный интерес со стороны исследователей и практиков в области систем управления сложными объектами к технологиям больших данных. Это обу-

Проектирование автоматизированной системы управления эвакуацией в критических ситуациях словлено успешной разработкой новых технологий передачи данных, внедрением концепции

NoSQL, распределенной обработкой данных c применением облачных вычислений (Cloud

Computing). Тем самым можно предположить, что развитием идеи поддержки жизненного цикла сложного объекта на основе CALS-технологий является активное использование концеп- ции больших данных.

Принципы построения автоматизированной системы управления эвакуацией

Автоматизированная система управления эвакуацией из инфраструктурного объекта вклю- чает в себя различные технические средства для обнаружения опасных факторов, наборы пер- вичных источников информации (пожарные датчики, видеокамеры и т.п.), средства обработки и хранения информации, телекоммуникационные каналы, а также организационные ресурсы в лице сотрудников инженерных служб и служб безопасности инфраструктурного объекта. В рассматриваемой системе циркулируют большие потоки данных, необходимые для оценки текущего состояния объекта управления и принятия решений в реальном масштабе времени в случае возникновения критической ситуации. Проблема разработки эффективной системы управления эвакуацией связана с неоднородностью данных, их большими объемами, потерей части информационной инфраструктуры в случае воздействия деструктивных факторов (пожар, землетрясение и др.) [3]. К особенностям рассматриваемых информационных систем управле- ния следует отнести их реализацию на основе сетевых информационных технологий. Это обу- словливает вероятность потери цифровых пакетов при передаче данных, временные задержки из-за ограниченной пропускной способности каналов связи и т.п.

Критическая ситуация обычно сопровождается множеством различных факторов неопреде- ленности, которые необходимо принимать во внимание в процессе принятия решений, что усложняет решение задач управления в классе систем с эталонной моделью. Одной из распро- страненных причин возникновения критической ситуации в инфраструктурном объекте являет- ся возникновение пожара. При этом в качестве эталонной модели рассматривается утвержден- ный план эвакуации из здания. Этот план обычно содержит обобщенные траектории эвакуации людей и материальных ценностей без учета различных факторов неопределенности, в значи- тельной мере влияющих на выбор конкретного пути эвакуации [4].

С учетом высокой сложности задачи эвакуации система управления строится в классе иерархических систем управления [5]. Выбор иерархической структуры системы управления оправдан для специальных организационно-технических систем высокой сложности. Одной из основных проблем эффективного использования подобных систем является решение задач, связанных с большим потоком данных на различных уровнях управления, построения динами- ческих эталонных моделей в реальном масштабе времени [6].

В связи с этим основными функциями автоматизированной системы управления эвакуацией являются анализ текущей информации о состоянии параметров, характеризующих критическую ситуацию, результатов моделирования различных вариантов распространения пожара, а также принятие соответствующих управленческих решений с применением нечеткой логики и новых информационных технологий на основе облачных сервисов [7].

На рис. 1 упрощенно показан процесс принятия решения при выборе пути эвакуации от точек

Start до точки Exit. Процесс принятия решений включает время, необходимое для анализа теку- щей ситуации в данной точке пространства инфраструктурного объекта (выделено жирной лини- ей на временной оси T), а также время для реализации принятого решения. В нашем случае рас- сматриваются два пути со временем реализации tk и tm. Система управления эвакуацией позволяет в случае необходимости перейти из точки Pn на другую ветвь дерева в точку Pl принятия решений, что позволяет сократить время эвакуации или минимизировать риск неэвакуации.

152 С.С. Валеев, Н.В. Кондратьева, А.Ф. Аглетдинова

Exit

Start Pn

Tr

Exit

Pl

tk tm T, сек

Рис. 1. Упрощенная схема процессов принятия решений при выборе траектории движения

Архитектура автоматизированной системы управления эвакуацией

На рис. 2 представлена архитектура трехуровневой системы управления эвакуацией людей в случае возникновения критической ситуации.

Особенностью организации вычислительных процессов в рассматриваемой системе являет- ся использование облачных сервисов для хранения ансамбля моделей, массивов данных, а так- же, выполнение алгоритмов моделирования и реализации процессов принятия решений на основе вычислений в облаке. Рассмотрим подробнее движение потоков данных в рассматрива- емой системе.

Восходящий информационный поток данных I1, поступающий от ансамбля первичных ис- точников информации, переходит на уровень координации системы управления. Мощность данного потока P1 зависит от количества разнородных первичных источников информации и частоты опроса датчиков. В обратном направлении передаются управляющие воздействия I2 на исполнительные механизмы и технические устройства (системы противопожарной безопасно- сти, автоматизированные запасные выходы, световые дорожки и т.п.), используемые при эваку- ации. Мощность потока, передающего управляющие воздействия (обозначим ее P2) зависит от количества и разнообразия исполнительных механизмов, а также частоты обновления переда- ваемых команд. При этом в базу данных функционирования датчиков и механизмов поступает информация Q3 о результатах их функционирования. В обратном направлении передается ин- формация R3 об алгоритмах расположения датчиков и исполнительных механизмов [8]. Приня- тие решений уровнем координации в реальном масштабе времени осуществляется на основе нечетких логических правил R2. Одновременно в базу данных нечетких логических правил поступает информация о принятых решениях Q2. Уровень координации передает консолидиро- ванную информацию о возникшей критической ситуации I3 на уровень планирования. Мощность этого потока P3 зависит от используемых технологий предварительной обработки информации.

Уровень планирования в свою очередь вырабатывает стратегические решения для уровня коорди- нации I4 на основе непрерывного имитационного моделирования возможных критических ситуа- ций на основе облачных сервисов. Мощность данного информационного потока P3 зависит от качества принятых стратегических решений и количества модельных ситуаций. Результаты моде- лирования Q1 передаются в базу данных моделирования. В случае необходимости они могут служить исходными данными R1 для следующего этапа моделирования.

Проектирование автоматизированной системы управления эвакуацией в критических ситуациях

Облачные технологии / распределенные вычисления

C D

FM

Система моделирования Q1

БД состояния объекта

Каналы обмена информацией результатов в реальном времени моделирования

R1

I4 I3 Frule

Система выбора Q2 БД логических оптимального правил маршрута эвакуации и принятых решений

R2

I2 I1

Fdat

Система сбора

Q3

БД a информации датчиков о состоянии объекта и механизмов

R3

Рис. 2. Архитектура системы управления эвакуацией

Информационные потоки в системе управления обладают большой мощностью, их необхо- димо передавать в реальном времени, при этом передаваемая информация имеет весьма разно- родную и сложную структуру. С учетом этого практическая реализация информационной си- стемы управления эвакуацией также является сложной задачей.

Для сокращения времени обработки информации и принятия решений предлагается ис- пользовать технологии обработки больших данных (MapReduce) с применением облачных вычислений. На рис. 2 предварительно обработанные результаты моделирования FM , реализо- ванные уровнем координации решения Frule, информация датчиков и механизмов Fdata как пото- ки больших данных посредством высокоскоростных каналов связи передаются в «облако» в виде массива больших данных D. С помощью облачных сервисов для уровня планирования готовятся дополнительные возможные решения C для повышения эффективности управления.

Особенности практической реализации автоматизированной системы управления эвакуацией

Для реализации рассматриваемой системы необходима информационная интеграция разно- родных технических и программных систем. Например, подсистема сбора информации о состо- янии распределенного объекта управления включает в себя наборы разнородных датчиков:

состояния физических характеристик внешней и внутренней среды в помещениях, локализации людей на основе RFID-меток и информации с систем глобальной навигации на базе

GLONAS/GPS, данные систем видеонаблюдения. Среди множества задач, связанных с первич- ным сбором и обработкой информации, можно выделить автоматическую идентификацию

(распознавание и классификацию) динамических объектов. Реализация этой задачи предполага- ет выполнение ряда следующих шагов: присвоение каждому динамическому объекту уникаль-

154 С.С. Валеев, Н.В. Кондратьева, А.Ф. Аглетдинова

ного идентификатора (номера или кода); нанесение специализированной метки, содержащей идентификатор объекта; считывание данных с метки цифровым устройством; перевод данных метки в электронный вид.

В качестве идентификатора могут быть использованы графические, магнитные, радиоча- стотные и электронные метки.

За последние годы организация видеонаблюдения стала неотъемлемой частью обеспечения комплексной безопасности зданий, поскольку современные системы видеонаблюдения позво- ляют не только вести наблюдение и записывать видеоинформацию, но и программировать реакцию всей системы безопасности при возникновении тревожных событий или ситуаций.

Оцифрованная информация от этих устройств поступает в подсистему моделирования по- жара, в которой на основе исходных данных, плана здания и уравнений динамики пожара моде- лируется распространение огня и дыма. Для решения этой задачи в реальном масштабе времени необходимо использовать высокопроизводительные вычислительные системы. Для реализации вычислений можно воспользоваться облачным сервисом, а в случае необходимости оркестром облаков.

Для облачной обработки больших наборов данных, генерируемых системой, предлагается использовать модель распределенных вычислений MapReduce (например, ее бесплатную реали- зацию GridGain с открытым исходным кодом на языке Java или проект Apache Hadoop). В каче- стве аппаратных средств распределенной обработки данных предлагается использовать вычис- лители с низким энергопотреблением (рис. 3).

Рис. 3. Прототип кластера вычислителей с низким энергопотреблением

Подсистема моделирования пожара позволяет учитывать многие параметры, например, ис- парение жидкого топлива, пиролиз твердого топлива и т. д. При наличии достаточных исход- ных данных можно непосредственно моделировать возгорание предметов обстановки, прогрев материалов, распространение пламени с объекта на объект, различные реакции горения твердой фазы и т.д.

В ходе моделирования можно получить следующие критические данные: время наступле- ния опасных факторов пожара; температурный режим пожара; время срабатывания извещате- лей (дымовой и тепловой датчики); время вскрытия оросителей; влияние интенсивности подачи воды на эффективность тушения пожара и т.д.

Проектирование автоматизированной системы управления эвакуацией в критических ситуациях

Различные варианты решений для поиска наиболее эффективного могут быть опробованы на модели, подробно проанализированы и проработаны. В условиях влияния различных факто- ров неопределенности особенно актуальным является использование интеллектуальных алго- ритмов управления.

Объединение вычислительной техники, датчиков позиционирования людей и систем ви- деонаблюдения в единую коммуникационную сеть с датчиками противопожарной системы позволит, в рамках предлагаемого подхода, прогнозировать развитие и управлять критической ситуацией на основе использования результатов моделирования в режиме реального времени.

Выводы

Актуальной задачей при проектировании системы управления инфраструктурными объек- тами является обеспечение эффективной эвакуации людей и материальных ценностей в крити- ческих ситуациях. Одна из основных проблем управления эвакуацией обусловлена неоднород- ностью большого объема данных, деградацией информационной инфраструктуры в случае воздействия различных деструктивных факторов. Предлагаемая концепция проектирования автоматизированной системы управления эвакуацией на основе системного инжиниринга под- разумевает применение системного подхода, современных информационных технологий, а также имитационного моделирования. Обоснована целесообразность использования техноло- гий обработки больших данных в реальном масштабе времени для решения задачи управления эвакуацией. В качестве инструмента распределенной обработки данных предлагается прототип кластера вычислителей с низким энергопотреблением.

ЛИТЕРАТУРА

1. Елисеев Б.П., Елисов Л.Н., Марьенкин Е.В. O концепции системотехнического управления авиацион- ным персоналом гражданской авиации // Научный Вестник МГТУ ГА. 2011. № 174. С. 43-46.

2. Blanchard B.S., Fabrycky W.J. Systems Engineering and Analysis, 5th Ed., Pearson Prentice-Hall, Upper Saddle

River, NJ, 2010.

3. Велькович М.А., Козлов А.И., Король В.М., Шатраков А.Ю. Целевая функция предприятий, обеспечи- вающих безопасность движения транспорта // Научный Вестник МГТУ ГА. 2010. № 162. С. 131-135.

4. Кондратьева Н.В., Янгирова А.Ф., Валеев С.С. Информационная система управления эвакуацией людей в больших инфраструктурных объектах // Управление развитием крупномасштабных систем MLSD’2014: сб. науч.

тр. / под общ. ред. С.Н. Васильева, А.Д. Цвиркуна. М.: ИПУ РАН, 2014. С. 387-393.

5. Валеев С.С., Кондратьева Н.В., Янгирова А.Ф. Иерархическая система поддержки принятия решений при эвакуации людей из здания в критических ситуациях // Вестник УГАТУ. 2014. Т. 18. №1 (62). С. 161-166.

6. Кондратьева Н.В., Янгирова А.Ф., Валеев С.С. Информационная система управления эвакуацией людей в критических ситуациях // XII Всероссийское совещание по проблемам управления ВСПУ-2014. М.: ИПУ им. В.А.

Трапезникова РАН, 2014. С. 8173-8179.

7. Valeev S.S., Kondratyeva N.V. Technical safety system with self-organizing sensor system and fuzzy decision support system. Proc. of the IEEE International Conference on Fuzzy Systems (FUZZ-IEEE), Istanbul, 2015.

8. Valeev S.S., Taimurzin M.I., Kondratyeva N.V. An adaptive data acquisition system in technical safety systems

// Automation and Remote Control. December 2013. Vol. 74, Issue 12, pp. 2137-2142.

DESIGN OF AUTOMATED CONTROL SYSTEM EVACUATION IN AN EMERGENCY

ON THE PRINCIPLE OF SYSTEMS ENGINEERING

Valeev S.S., Kondratyeva N.V., Agletdinova A.F.

One of the objectives of the management of infrastructure facilities is to ensure efficient evacuation in an emergency.

The problem of the evacuation is related to the heterogeneity of data, its’ large volume, the loss of part of the information infrastructure under the influence of destructive factors. The concept design of the automated evacuation control system based on system engineering is considered. It involves the use of a systematic approach, modern information technologies,

156 С.С. Валеев, Н.В. Кондратьева, А.Ф. Аглетдинова

as well as simulation. The actuality of the use of technology solutions for big data management tasks in real time is proved.

As a tool for distributed processing, cluster prototype with low power consumption computers is proposed.

Keywords: infrastructure facility, management, evacuation, simulation, big data.

REFERENCES

1. Eliseev B.P., Elisov L.N., Marenkin E.V. O conceptsiyih sistemotechnicheskogo upravleniyah aviatsionnim per- sonalom grazgdanskoy aviatsiih. Nauchniy Vestnik MGTU GA. 2011. № 174. Рp. 43-46. (In Russian).

2. Blanchard B.S., Fabrycky W.J. Systems Engineering and Analysis, 5th Ed., Pearson Prentice-Hall, Upper Saddle

River, NJ, 2010.

3. Velkovich M.A., Kozlov A.I., Korol’ V.M., Shatrakov A.Yu. Tselevayah funktsiyah predpriyatiy, obespechiv- ayuschih bezopasnost’ dvizgeniyah transportah. Nauchniy Vestnik MGTU GA. 2010. № 162. Рp. 131-135. (In Russian).

4. Kondratyeva N.V., Yangirova A.F., Valeev S.S. Informatsionnayah sistema upravleniyah evacuatsiyey ludey v bolshih infrastructurnih ob’ektah. Upravleniyeh razvitiyem krupnomaschtabnih sistem MLSD’2014: sb. nauch. tr. Pod obsch. red. S.N. Vasil’eva, A.D. Tsvirkuna. M.: IPU RAN. 2014. Рp. 387-393. (In Russian).

5. Valeev S.S., Kondratyeva N.V., Yangirova A.F. Hierarchicheskayah sistema podderzgkih prin’atiyah resheniy pri evacuatsi’I ludey iz zdaniyah v kriticheskih situatsiyah. Vestnik UGATU. 2014. Т. 18. №1 (62). Pр. 161-166. (In Rus- sian).

6. Kondratyeva N.V., Yangirova A.F., Valeev S.S. Informatsionnayah sistema upravleniyah evacuatsiyey ludey v kriticheskih situatsiyah. XII Vserossiysko’eh soveschaniye po problemam upravleniyah VSPU-2014. M.: IPU RAN. 2014.

Pр. 8173-8179. (In Russian).

7. Valeev S.S., Kondratyeva N.V. Technical safety system with self-organizing sensor system and fuzzy decision support system. Proc. of the IEEE International Conference on Fuzzy Systems (FUZZ-IEEE), Istanbul, 2015.

8. Valeev S.S., Taimurzin M.I., Kondratyeva N.V. An adaptive data acquisition system in technical safety systems.

Automation and Remote Control. December 2013. Volume 74, Issue 12, pp 2137-2142.

Сведения об авторах

Валеев Сагит Сабитович, 1957 г.р., окончил УАИ (1980), профессор, доктор технических наук, за- ведующий кафедрой информатики УГАТУ, автор более 200 научных работ, область научных интересов

– интеллектуальное управление сложными объектами и организационно-техническими системами.

Кондратьева Наталья Владимировна, окончила УГАТУ (1998), доцент, кандидат технических наук, доцент кафедры информатики УГАТУ, автор 85 научных работ, область научных интересов – имитационное моделирование и эффективность сложных систем.

Аглетдинова Алия Фаритовна, окончила УГАТУ (2009), соискатель УГАТУ, автор 10 научных работ, область научных интересов – автоматизация и управление организационно-техническими систе- мами.