Программно-технический комплекс: автоматизированная система управления функционированием, жизнеобеспечением и безопасностью (АСУ ФЖБ) автодорожных тоннелей

Автодорожные путепроводы тоннельного типа являются уникальными строительными сооружениями. Они относятся к числу наиболее сложных и потенциально опасных инженерных сооружений города. Обеспечение их безопасности сложная задача.

Специалистами ООО «СИГМА-ИС» создана методика моделирования и анализа полного набора угроз, а также степени рисков безопасности автодорожных тоннелей. Сущность методики заключается в применении системного подхода как на этапе проектирования и строительства, так и в ходе эксплуатации инженерных сооружений. На основе данной методики разработана концепция безопасности транспортного тоннеля, включающая определение рациональной структуры и состава АСУ ФЖБ.

Концепция создания АСУ ФЖБ автодорожных тоннелей предлагается в качестве типового решения.

Реализация концепции была впервые применена при создании системы комплексной безопасности Кутузовской транспортной развязки. ООО «СИГМА-ИС» и ГУП «Гормост» г. Москвы разработана и внедрена рациональная структура системы комплексной безопасности тоннеля, объединяющая все инженерно-технические подсистемы. В качестве технической базы для построения системы комплексной безопасности тоннеля использовались аппаратные и программные средства интегрированной системы безопасности (ИСБ), разработанное и производимое ООО «СИГМА-ИС».

Применение единых типовых решений, заложенных в концепции, были также использованы для построения систем комплексной безопасности Гагаринской транспортной развязки и комплекса тоннелей Лефортова, что обеспечило снижение затрат на их реализацию и эксплуатационные расходы.

1. Цели создания и задачи АСУ ФЖБ

При выборе и обосновании проектных решений учитывался отечественный опыт строительства сооружений сходного целевого назначения, а также известный опыт проектирования, строительства и эксплуатации сооружений подобного типа, а также опыт аварий и катастроф, случавшихся в сооружениях подобного типа за рубежом.

Особое внимание было уделено поиску рационального решения вопросов программно-аппаратного и информационного сопряжения АСУ ФЖБ с подсистемой автоматизированного управления движения автотранспорта в тоннеле.

Основной целью создания АСУ ФЖБ является обеспечение безопасности объекта, в том числе:

  • предотвращение возникновения ситуаций, связанных с угрозой для жизни людей и нанесением ущерба оборудованию и сооружениям путепровода;
  • минимизация угрозы для жизни людей и ущерба оборудованию и сооружениям путепровода в случае аварии, пожара, затопления, террористического акта, выхода из строя технологического оборудования и т.д.;
  • обеспечение бесперебойного и безаварийного движения автотранспорта;
  • непрерывная диагностика и поддержание функционирования оборудования и аппаратуры основных технологических подсистем путепровода.

Система предназначена для решения следующих задач:

  • автоматического и автоматизированного управления функционированием основных технологических подсистем объекта, как в нормальном режиме работы, так и при возникновении угрозы для жизни людей и нанесения ущерба оборудованию и сооружениям путепровода;
  • обеспечения диспетчерской службы центрального диспетчерского пункта путепровода всей информацией, необходимой для оперативного принятия рациональных обоснованных решений в конкретных условиях обстановки;
  • непрерывной автоматической диагностики, поддержания функционирования и оперативного восстановления работоспособности комплекса технологического оборудования и аппаратуры путепровода.

3. Обобщенная оценка и классификация комплекса задач АСУ ФЖБ

Со структурной точки зрения автотранспортный путепровод тоннельного типа следует рассматривать как сложную организационно-иерархическую систему. Определяющим фактором при решении вопросов построения автоматизированной системы управления функционированием такой системы (выбор структуры системы, построение алгоритма ее функционирования, определение состава комплекса технических средств и т.д.) является ее целевое назначение. Именно поэтому, рассматривая комплекс задач по управлению функционированием путепровода, была особо выделена группа задач, связанных с обеспечением движения автотранспорта.

Все основные задачи разделены на три группы:

  • задачи по организации и управлению движением автотранспорта в путепроводе (I группа задач);
  • задачи по обеспечению и поддержанию необходимых условий эксплуатации путепровода (II группа задач);
  • задачи по обеспечению безопасности людей, автотранспорта и сохранности сооружений и оборудования путепровода (III группа задач).

Необходимо отметить ряд общих существенных признаков, свойственных всем представленным задачам. Задачи имеют определенный приоритет, выполняются в большинстве случаев в определенной последовательности и во взаимосвязи (по определенным алгоритмам). Состав, содержание, алгоритм и приоритет выполнения задач в значительной степени определяются реальной обстановкой, складывающейся в процессе функционирования путепровода.

При комплексном выполнении задач определяющим фактором является целенаправленная деятельность лица, принимающего решения (диспетчера).

Для решения задач используется разнообразные и достаточно сложные технические устройства и оборудование автоматики и телемеханики.

По содержанию задачи относятся к организациям, представляющим различные ведомства (ГОРМОСТ, ГИБДД, УГПС, МВД, МГС, МГТ и т.д.).

Кроме уже описанной классификации, выделены задачи, решаемые в двух основных режимах функционирования объекта:

  • штатный (повседневный) режим;
  • нештатный режим (при возникновении неисправности, тревоги или чрезвычайной ситуации - пожар, авария, террористический акт и пр.).

Существенно отметить, что значительная часть задач решается непрерывно (в любых ситуациях), хотя конкретное содержание таких задач в существенной степени определяется реальной обстановкой.

Так, в штатной ситуации основными являются задачи по управлению и контролю над движением автотранспорта, по контролю над противопожарной обстановкой и параметрами газовоздушной среды в тоннеле, по диагностике, проверке и ремонту оборудования и аппаратуры, по недопущению несанкционированного проникновения посторонних лиц в тоннельные сооружения и притоннельные технологические и служебные помещения путепровода.

В нештатной ситуации, например, при возникновении пожара в тоннеле вследствие столкновения автотранспорта, на первый план выдвигаются следующие задачи:

  • организация пожаротушения, противодымной защиты, предотвращение распространения огня;
  • передача тревожной информации соответствующим городским службам;
  • организация и проведение эвакуации людей и неисправного или пострадавшего автотранспорта;
  • обеспечение сохранности сооружений и оборудования путепровода.

Такая, достаточно сложная взаимозависимость приоритетов, состава и содержания решаемых задач с реальными условиями обстановки, предъявляет достаточно жесткие требования к структуре, алгоритму функционирования автоматизированной системы и комплексу технических средств, размещаемых на автоматизированном рабочем месте диспетчера путепровода. Вместе с тем, учитывая реальную возможность выхода из строя (нарушения функционирования) отдельных исполнительных устройств, принципиально следует избегать реализации жесткой схемы стандартных типовых решений, обеспечивая диспетчеру путепровода возможность оперативного принятия рационального решения в любых условиях обстановки.

Таким образом, задачи АСУ ФЖБ можно разбить на три основные группы:

I группа задач, как отражающая основное целевое предназначение путепровода – задачами функционирования объекта (задачами управления движением);

II группа задач – задачи жизнеобеспечения объекта;

III группа задач – задачи обеспечения безопасности объекта.

4. Анализ и классификация типовых чрезвычайных ситуаций.

Под чрезвычайной ситуацией (ЧС) в общем случае понимается появление (возможности появления) событий или процессов, возникновение, развитие и последствия которых могут привести к снижению либо предотвращению возможности обеспечения непрерывной и устойчивой реализации основного функционального предназначения путепровода.

Существенно, что моментом возникновения такой ситуации с точки зрения режима работы центрального диспетчерского пункта (ЦДП) является факт получения диспетчером соответствующей информации (тревожной информации), а не момент реального возникновения ЧС.

Такой подход принципиально предопределяет особые требования к системам и техническим средствам, предназначенным для сбора, обработки информации об обстановке и доведения ее до диспетчера (это, в частности, система теленаблюдения за обстановкой в тоннеле, система связи, система пожарной сигнализации, система охранной сигнализации и контроля и управления доступом, и т.п.). Очевидно, что до тех пор, пока тревожная информация не дойдет до диспетчера, ЧС не определена и ни о какой целенаправленной деятельности не может быть и речи.

Для классификации чрезвычайных ситуаций необходимо выбрать критерии, по которым проводится классификация. В принципе, выбор критериев классификации ЧС может быть произволен, однако целесообразно связать его с вопросами построения алгоритмов работы диспетчера ЦДП при возникновении ЧС. Можно выделить следующие наиболее общие критерии классификации ЧС.

По степени опасности и размеру возможного ущерба:

  • с опасностью для жизни людей и возможностью нанесения ущерба (вывода из строя) сооружений и оборудования путепровода;
  • с возможностью нанесения ущерба (вывода из строя) сооружений и оборудования путепровода;
  • с возможностью затруднения (временного прекращения) движения автотранспорта в путепроводе.
  • По существенным признакам:
  • взрыв (с разрушениями или без них) в тоннельных сооружениях или притоннельных служебных помещениях путепровода;
  • пожар в тоннельных сооружениях или притоннельных служебных помещениях путепровода;
  • затопление тоннельных сооружений или притоннельных служебных помещений путепровода;
  • столкновение или выход из строя автотранспортных средств;
  • затруднение или остановка движения автотранспорта в тоннеле (затор, пробка);
  • выход параметров газо-воздушной среды в тоннеле за допустимые пределы;
  • неисправность (выход из строя) технологического оборудования и аппаратуры основных функциональных подсистем путепровода.

По предпосылкам возникновения:

  • человеческий фактор - результат целенаправленной деятельности (террористический акт, преднамеренный вывод из строя оборудования или аппаратуры т.п.);
  • человеческий фактор - результат непреднамеренной деятельности (авария автотранспорта, случайный вывод из строя оборудования или аппаратуры и т.п.);
  • объективные факторы техногенного и природного характера (перегрузка путепровода по транспортному потоку или неисправность автотранспортных средств, неисправность (выход из строя) технологического оборудования и аппаратуры основных функциональных подсистем путепровода, отключение энергии, ураганы, землетрясения и т.д.).

По временным параметрам:

  • свершившееся событие;
  • предполагаемое событие (развивающийся процесс с возможными неблагоприятными последствиями).
  • По масштабу (возможному порядку привлечения сил и средств по предотвращению ЧС и ликвидации ее последствий):
  • силами дежурной смены ЦДП и эксплуатационных служб путепровода;
  • с привлечением сил и средств организационных систем и служб вышестоящего уровня.

Такая классификация ЧС послужила формальной основой для выделения категорий (групп) типовых ЧС и выработки основных принципов разработки типовых алгоритмов работы диспетчера ЦДП при возникновении реальных ЧС в процессе функционирования путепровода.

Алгоритм проведения анализа для построения модели объекта - автодорожного туннеля, показан на рисунке 1.

Рисунок 1 Анализ и классификация задач для построения АСУ ФЖБ

5. Основные принципы построения АСУ ФЖБ

В соответствии с обоснованным выше комплексом задач по управлению технологическими процессами функционирования объекта, рассматриваемую систему в рамках настоящего изложения допустимо далее условно именовать автоматизированной системой управления функционированием, жизнеобеспечением и безопасностью (АСУ ФЖБ) объекта. Предлагается следующая классификация основных принципов построения АСУ ФЖБ: системотехнические и информационные, в том числе:

Системотехнические:

  • соответствие возможностей по управлению системой реальным задачам обеспечения ФЖБ объекта;
  • достижение максимального уровня непрерывности, устойчивости и оперативности управления;
  • возможность рационального сочетания автоматизированного (с участием должностных лиц автоматизированных рабочих мест (АРМ)) и автоматического режима работы при выработке управляющих воздействий;
  • обеспечение максимального использования всех функциональных возможностей реальных подсистем ФЖБ в разного рода экстремальных (чрезвычайных) ситуациях (ЧС);
  • обеспечение функционального и аппаратного резервирования основных компонент системы;
  • обеспечение возможности динамического перераспределения управленческих функций между АРМ должностных лиц (передача управления)

Информационные:

  • полнота и наглядность (представительность) отображения информации;
  • однозначная взаимозависимость важности информации и наглядности (представительности) ее отображения;
  • организация распределенного доступа различных должностных лиц – пользователей АРМ к определенной информации;
  • возможность перераспределения доступа должностных лиц к определенной информации в зависимости от ситуации (состояния объекта);
  • построение АСУ ФЖБ как открытой системы с обеспечением возможности наращивания функциональных возможностей, корректировки и модификации отдельных компонентов системы.

6. Выбор и обоснование состава основных функциональных подсистем АСУ ТП объекта

На рисунке 2 представлен состав основных функциональных подсистем АСУ ФЖБ объекта с указанием соответствующих организационных систем и служб вышестоящего уровня, а также специализированных технологических систем и комплексов исполнительных устройств. Представленные на рисунке 1 данные анализа и классификации задач положены в основу разработки базовой структурно-функциональной схемы комплекса (рисунок 2).


Рисунок 2 Состав основных функциональных подсистем АСУ путепровода тоннельного типа

Комплекс предусматривает три основных автоматизированных рабочих места (АРМ), ориентированных на основные функциональные подсистемы комплекса. Такой вариант при условии организации сетевого режима работы соответствующих ПЭВМ позволяет в наиболее полной мере реализовать основные системотехнические и информационные принципы, положенные в основу построения системы.

Целесообразно на начальном этапе практической реализации и эксплуатации АСУ ФЖБ путепровода дублировать управленческие функции системы типовыми техническими средствами автоматики и телемеханики. Это вполне реально при реализации сокращенной схемы оснащения ЦДП. Впоследствии, по мере отработки практических вопросов использования системы и уточнения основных алгоритмов функционирования ЦДП, появится возможность обоснования реально требуемой структуры ЦДП и соответствующего состава КТС, что послужит основанием для уточнения организационно-штатной структуры ЦДП объекта. По мере накопления опыта практического использования АСУ ТП дублирование управленческих функций системы типовыми техническими средствами автоматики и телемеханики постепенно приобретет характер функционального резервирования, а непосредственная реализация функций управления объектом будет реализовываться с ПЭВМ из состава комплекса технических средств АРМ ЦДП

В рамках предложенной классификации целесообразно выделить следующие основные функциональные подсистемы комплекса (рисунок 2):

Комплекс подсистем управления движением (АСУ безопасностью дорожного движения – категория F), в том числе:

  • подсистема теленаблюдения и видео контроля;
  • подсистема управления движением (светофорами, шлагбаумами и световыми информационными табло);
  • подсистема контроля основных параметров движения автотранспорта (плотность и средняя скорость движения по рядам), и др.

Комплекс подсистем жизнеобеспечения путепровода (АСУ жизнеобеспечения транспортной развязки – категория L), в том числе:

  • подсистема связи (ГГС, местной и городской телефонной, радиотрансляционной);
  • подсистема энергоснабжения (силовое и осветительное электроснабжение – рабочее, дежурное и аварийное);
  • подсистема водоснабжения;
  • подсистема водоудаления;
  • подсистема приточной вентиляции;
  • подсистема вытяжной вентиляции;
  • подсистема отопления.

Комплекс подсистем обеспечения безопасности (АСУ обеспечения комплексной безопасности – категория S), в том числе:

  • подсистема пожарной сигнализации, обнаружения и извещения о пожаре;
  • подсистема автоматического пожаротушения;
  • подсистема противодымной защиты и дымоудаления;
  • подсистема контроля газо-воздушной среды в путепроводе, и др.
  • подсистема оповещения и управления эвакуацией;
  • подсистема охранной сигнализации, контроля и управления доступом в отдельные подразделения объекта, и др.

Автоматизированные рабочие места (АРМ) подсистем всех категорий, в том числе и резервируемые, оснащены соответствующим комплексом технических средств, в состав которых входят следующие компоненты:

Подсистема спецоповещения о ЧС, в том числе:

  • подсистема оперативной связи с ГИБДД, ГУГПС, ГОРМОСТ, Скорой помощью, МВД, МЧС, ФСБ;
  • подсистема оперативной связи с городскими аварийными и эксплуатационными службами (ГОРМОСТ, МГС, МГТ, МВК, Мосэнерго. 

Информационная подсистема в составе базы данных (распределенной для группы АРМ), сервера, а также программных и технических средств поддержки функционирования локальной вычислительной сети (ЛВС). 

Подсистема исполнительных элементов (ИУ), поддерживаемая средствами управления и диагностики состояния ИУ.

Например, для подсистем:

  • категории F – светофоры, теле- и видеокамеры, световые табло, шлагбаумы, датчики регистрации плотности потока и т.д.;
  • категории L – вентиляторы, датчики, газоанализаторы, и т.д.;
  • категории S – различного рода и назначения охранные и пожарные датчики и извещатели, противопожарные шторы, управляющие устройства дренчерных завес, устройства контроля и управления доступом и т.д.

Подсистема сбора и преобразования информации от ИУ, а также передачи соответствующей информации в базу данных системы. 

Кроме того, в составе АСУ ФЖБ имеются:

  • средства отображения коллективного пользования с соответствующим устройством управления (мнемосхемы различного предназначения, телемониторы системы контроля за движением автотранспорта и обстановкой в тоннеле, контрольные щиты и панели);
  • технические службы (возможно, также оснащенные АРМ) подсистем обеспечения безопасности, функционирования и жизнеобеспечения, обеспечивающие, в частности, восстановление неисправных ИУ. На эти службы возложено проведение работ по диагностике, проверке и ремонту оборудования и аппаратуры.

На рисунках 3 и 4 приведены иллюстративные материалы по реализации рассмотренных принципов построения АСУ ФЖБ в Кутузовском туннельном путепроводе г. Москвы.

Рисунок 3 Структура АСУ ФЖБ автодорожного тоннеля на основе ИСБ «Рубеж»

 

Рисунок 4 Фрагмент конструкции и структура АСУ ФЖБ автодорожного тоннеля