Управление мобильной пожарной разведывательной робототехнической системой

Технический прогресс приводит не только к повышению уровня автоматизации труда, но и к возрастанию рисков возникновения техногенных аварий и катастроф, в том числе, пожаров в замкнутых пространствах. Имеется прямая связь между увеличением количества таких пожаров, размерами последствий от них и уровнем технических достижений. Усложняются условия возникновения и протекания пожара, а одновременно с этим и проблема принятия решения на пожаре [67].

Особая трудность принятия эффективных управленческих решений на пожаре связана с тем, что пожар, как информационный процесс, далеко еще не изучен, чрезвычайно сложен, одновременно сопровождается большим количеством изменяющейся информации, и ее же недостаточностью [44]. В связи с этим особую роль для достоверного, полного и своевременного получения данных, необходимых для принятия решений, приобретает разведка пожара — один из важнейших видов боевой деятельности, основной целью которой является определение места, размера пожара и вида горящих веществ [29].

Получаемая в процессе разведки информация большей частью носит субъективный, качественный, нечеткий и противоречивый характер. Поэтому процесс принятия решений на пожаре можно определить как слабоструктурированную управленческую задачу, в которой параметры решения, в основном, представляются в качественном, а не в количественном виде.

Работы по разведке пожаров в помещениях всегда сопряжены с риском для жизни личного состава, принимающего в них участие из-за экстремальной обстановки в условиях плохой видимости, воздействия повышенных температур. Особую сложность представляют закрытые пожары, то есть пожары, протекающие практически при полностью закрытых дверных и оконных проемах (в замкнутом пространстве). Они характеризуются неопределенностью местоположения очага возгорания, плотным задымлением, препятствующим его визуальному обнаружению и оперативной локализации, а также возможностью возникновения объемного взрыва от резкого притока кислорода при открытии двери. Поэтому в России и за рубежом активно ведутся разработки в области применения робототехнических систем (РТС), с помощью которых оператор может вести разведку пожара, находясь вне опасной зоны.

Понятие «робототехническая система» определяет сложную автоматизированную систему, предназначенную для автоматизации трудовой деятельности человека и состоящую из следующих базовых конструктивно и функционально совмещенных компонент [70]:

1. исполнительной подсистемы;

2. информационной (сенсорной) подсистемы;

3. управляющей подсистемы;

4. коммуникационной подсистемы.

Исполнительная подсистема включает в себя исполнительные механизмы (манипулятор, шасси и т. п.), рабочие органы, двигатели. Информационная подсистема состоит из датчиков внутренней информации, конструктивно встроенных в двигательную подсистему, и внешней информации о состоянии окружающей среды. Управляющая подсистема, или подсистема управления, включает в себя преобразователи информации, контроллеры и программное обеспечение, а также средства интерфейса оператора. Коммуникационная система состоит из каналов прямой и обратной связи внутри робота и внешнего интерфейса для связи с оператором и постом руководителя тушения пожара (РТП).

В данном исследовании мы будем рассматривать в качестве РТС многоуровневую систему управления мобильным пожарным роботом-разведчиком. Применение подобных пожарных разведывательных РТС.

ГТРРТС) существенно снижает риск для личного состава при выполнении разведывательных операций на пожаре.

В состав ПРРТС может входить также и группа мобильных роботов, выполняющих различные функции. Специалисты по пожарной безопасности потенциально опасных объектов в настоящее время безусловный приоритет отдают РТС, в состав которой входит как транспортируемый робот пожаротушения, так и мобильный пожарный разведывательный робот (МПРР) [57].

В России разработки пожарных РТС ведутся во Всероссийском научно-исследовательском институте противопожарной обороне (ФБГУ ВНИИПО МЧС России, Балашиха), в МГТУ им. Н. Э. Баумана, а также в Центральном научно-исследовательском институте робототехники и технической кибернетики (ЦНИИ РТК, Санкт-Петербург). Как отмечалось на заседании коллегии МЧС России 30 августа 2011 года, дальнейшее развитие РТС для выполнения операций по ликвидации чрезвычайных ситуаций должно стать одним из приоритетных научно-технических направлений [47]. В ФБГУ ВНИИПО МЧС России под руководством д.т.н. Цариченко С. Г. активно ведется развитие научно-производственного комплекса для разработки и внедрения новых технологий разведки, тушения пожаров и проведения спасательных работ, основанных на применении специальных РТС. Решение этих задач предполагает изучение отдельных аспектов рассматриваемой проблемы, таких как:

— определение и исследование основных принципов анализа факторов внешней среды;

— тактика пожарной разведывательной робототехнической системы в условиях разведки и тушения пожаров;

— определение необходимого набора технических и аппаратных средств (датчиков, регистраторов, средств ориентирования в пространстве и т. д.), способных собрать необходимую информацию в условиях воздействия опасных факторов пожара с тем, чтобы достоверно ее предоставить оператору ГТРРТС и руководителю тушения пожара [51].

В разработанных к настоящему времени ПРРТС поставленные задачи решены частично. Однако основным недостатком этих систем является непосредственное управление оператором всеми движениями робота с помощью джойстиков или задающих рукояток на основе получаемого им телевизионного изображения об окружающей среде. Такой способ управления становится малоэффективным в условиях сильного задымления и дефицита времени при выполнении боевой задачи разведки. Решение проблемы может быть найдено на пути автономизации мобильного робота, самостоятельно выполняющего ряд функций при сохранении общего контроля со стороны оператора. Поэтому в данной работе рассмотрены следующие задачи:

1. разработка методики установления класса пожара, его характеристик (скорости выгорания, стадии пожара) и места расположения очага пожара с использованием мобильной ПРРТС;

2. разработка структуры многоуровневой управляющей подсистемы ПРРТС, позволяющей реализовать тактику ведения разведки и включающую экспертную систему стратегического уровня, поддерживающую принятие решений оператора;

3. разработка подсистемы управления тактического уровня ПРРТС, обеспечивающей автономное перемещение мобильного пожарного разведывательного робота в условиях сильного задымления;

4. разработка программно-аппаратного комплекса системы управления ПРРТС и проведение его экспериментального исследования методом натурного моделирования.

Актуальность работы определяется необходимостью оперативного и адекватного принятия решения оператором на основании получаемой с помощью ПРРТС информации о пожаре, снижающего уровень опасности для жизни оператора и личного состава подразделений разведки. Проблема извлечения и использования информации из окружающей среды в условиях пожара является ключевой из-за сложности аналитического описания физико-химических процессов горения и процесса тепломассообмена. Изучению данных процессов посвящены работы И. С. Молчадского, Ю. А. Кошмарова,.

A.B. Матюшина, C.B. Пузача, Ю. Д. Моторыгина, А. Ковларда, Д. Драйздейла,.

B. Яхна, Г. Коха и других. В разработку систем поддержки принятия решений руководителем тушения пожара, в том числе при использовании робототехнических средств, внесен весомый вклад П. М. Евграфовым, И. М. Тетериным, В. М. Климовцевым, С. Г. Цариченко.

Эффективным средством решения указанной проблемы является использование методов искусственного интеллекта, которые нашли широкое применение при решении задач экстремальной робототехники в разработках И. М. Макарова, В. М. Лохина, C.B. Манько, Е. И. Юревича, В. Г. Градецкого, В. Е. Павловского, Ю. В. Подураева, И. А. Каляева, A.C. Ющенко, C.JI. Зенкевича.

Тем не менее, в настоящее время отсутствует методика синтеза подсистемы управления ПРРТС, которая объединила бы вопросы обработки информации об условиях пожара и вопросы управления ПРРТС с учетом особенностей окружающей среды.

Таким образом, целью диссертационного исследования является получение научно-обоснованных решений по структуре и управлению ПРРТС, которая осуществляет разведку локальных очагов возгорания в условиях закрытого пожара на основе анализа его основных факторов, включая распределения температурных полей, концентраций 02, С02, СО и паров Н20 в разведываемых помещениях.

Объектом исследования является процесс ведения разведки пожара с использованием ПРРТС. Предметом — методы управления ПРРТС на основе анализа основных факторов пожара.

Методы исследования базируются на принципах и методах системного анализа, объектно-ориентированного анализа, теории математического моделирования, термогазодинамики пожара, теории автоматического управления, теории наведения, применении аппарата нечетких множеств, нечеткой логики и экспертных систем. Проверка работоспособности проектируемой системы управления осуществлялась путем численного моделирования в пакетах разработки и моделирования Matlab, МВТУ, PyroSim и проведения экспериментального исследования на макетном образце робота в лабораторных условиях. При написании программного обеспечения использовались среды разработки С++ Builder, CLIPS, NI Lab VIEW, Arduino IDE.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. предложена структура иерархической подсистемы управления ПРРТС, каждый уровень которой решает собственные подзадачи разведки пожара;

2. получено решение обратной задачи динамики пожара с сосредоточенными параметрами, которое позволяет определять характеристики и вид горящего вещества в помещении по оценкам наблюдений основных факторов пожара;

3. математически показана и экспериментально подтверждена применимость метода пропорционального наведения в температурном поле для автономного управления мобильной ПРРТС при поиске очага возгорания в группе смежных помещений;

4. разработан метод параметрической настройки функций принадлежности входных переменных контроллера тактического уровня подсистемы управления ПРРТС по заданному коэффициенту пропорционального наведения с использованием аппарата нечеткой логики.

Теоретическая значимость работы заключается в развитии интегрального метода моделирования и исследования пожара, а также методов управления мобильными роботами, предназначенными для ведения технической разведки пожара.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. разработана методика ведения разведки закрытого пожара с использованием ПРРТС, позволяющая установить класс пожара;

2. определен состав бортового измерительного оборудования ПРРТС для оценки характеристик пожара, включающего датчики концентраций 02, СО, С02 и паров Н20;

3. разработаны алгоритмы автономного управления ПРРТС при поиске очага возгорания на основе метода пропорционального наведения, а также алгоритм настройки параметров нечеткого регулятора;

4. разработано прикладное программное обеспечение для подсистемы обработки информации и управления ПРРТС.

Основные положения выносимые на защиту:

1. методика ведения разведки закрытого пожара с применением ПРРТС на основе решения обратной задачи динамики пожара с сосредоточенными параметрами;

2. способ и алгоритм управления автономной ПРРТС с использованием метода пропорционального наведения в скалярном поле температур;

3. системотехнические решения, позволяющие обеспечивать выполнение разведки закрытого пожара без непосредственного присутствия личного состава в зоне пожара.

Достоверность полученных в диссертационной работе результатов обеспечивается обоснованностью использования теоретических положений и методов, корректностью постановки и решения задач исследования, согласованностью теоретических выводов с данными вычислительных и натурных экспериментов.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на XXI, XXII и.

XXIII международных научно-технических конференциях «Экстремальная робототехника» (Москва, 2010 г.- Санкт-Петербург, 2010 г.- Санкт-Петербург,.

2011 г.), XII национальной конференции по искусственному интеллекту КИИ-2010 (Тверь, 2010 г.), 5-ой научно-практической конференции «Безопасность большого города» (Санкт-Петербург, 2010 г.), VII международной научно-технической конференции «Интегрированные модели и мягкие вычисления в искусственном интеллекте» (Коломна, 2011 г.), всероссийской научно-технической конференции «Экстремальная робототехника» (Санкт-Петербург,.

2012 г.).

Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект № 11−01−951-а («Разработка методов и систем диалогового управления роботами с использованием лингвистических моделей, нечеткой логики и нейронных сетей»).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и перечня используемой литературы. Работа изложена на 168 машинописных листах, содержит 78 рисунков и 2 таблицы. Библиографический список включает в себя 106 наименований.

Основные результаты диссертационного исследования:

1. Разработана методика разведки закрытого пожара с использованием ПРРТС, включающая в себя решение обратной задачи динамики пожара с сосредоточенными параметрами и метод пропорционального наведения на источник возгорания в скалярном температурном поле в группе смежных помещений.

2. Предложена реализация разработанной методики в виде многоуровневой подсистемы управления ПРРТС, включающей стратегический, тактический и исполнительный уровни.

3. Разработана экспертная система стратегического уровня управления, поддерживающая принятие решений оператора, координирующая работу тактического уровня, осуществляющая диагностику работы подсистем робота и дающая рекомендации по действиям личного состава пожарных подразделений при различных классах пожара. Распознавание класса пожара (вида пожарной нагрузки) выполняется при помощи системы нечеткого логического вывода, оперирующего с набором разработанных правил классификации, по вектору стехиометрических коэффициентов, характеризующих химическую реакцию горения вещества.

4. Определен состав необходимого измерительного оборудования ПРРТС для оценки основных характеристик пожара (вида горящих веществ, стадии пожара, скорости выгорания) в режиме экспресс-анализа: датчики концентраций СО, С02, 02, паров Н20, два дифференциальных манометра.

5. Разработан контроллер тактического уровня, выполненный с применением математического аппарата нечеткой логики, реализующий метод пропорционального наведения в скалярном температурном поле и обеспечивающий движение ПРРТС в среде с препятствиями, соизмеримыми с габаритами робота.

6. Предложен метод параметрической настройки функций принадлежности входной лингвистической переменной контроллера по заданному виду функций принадлежности выходной лингвистической переменной и статической характеристики «вход-выход», позволяющий определять вид функций принадлежности входной переменной расчетным путем.

7. Разработан макетный образец ПРРТС, сконструирована система наведения робота в температурном поле на базе термоэлектрических преобразователей, разработано программно-аппаратное обеспечение системы управления ПРРТС и изготовлено стендовое оборудование для верификации полученных в ходе моделирования результатов работы тактического и исполнительного уровней системы управления ПРРТС.

8. Натурные и численные эксперименты разработанной системы управления ПРРТС подтвердили работоспособность отдельных уровней системы управления и системы в целом.

Материалы диссертационного исследования были использованы в НИР (госрегистрации № 12 011 620 411), проводимой ООО НПФ «Спецсистемы» (г. Тверь) при разработке требований к системе управления передвижного мобильного транспортного средства для обнаружения очагов возгораний внутри помещений и методики синтеза двухуровневой системы управления данным средством. Разработанный в рамках выполнения указанной НИР экспериментальный образец ПРРТС, оснащенный системой пропорциональной навигации в скалярном температурном поле, в качестве экспоната принимал участие в 10-ой международной юбилейной специализированной выставке «Пожарная безопасность XXI века» (13−16 сентября 2011, г. Москва, «Крокус Экспо») и вызвал интерес у специалистов.

Стендовое оборудование для исследования начальных участков траектории наведения ПРРТС использовалось в НИР «Исследование процессов распространения информативных признаков пожара на его начальной стадии» (госрегистрации № 12 011 620 412) в качестве физической модели при верификации численной модели распространения опасных факторов пожара.

Результаты решения обратной задачи динамики закрытого пожара с сосредоточенными параметрами предполагается использовать также при разведке лесных пожаров группировкой сверхмалых космических аппаратов (СМКА), оснащенных интегрированной телевизионной и лидарной (на основе лазера) разведывательной системой. Область применения СМКАдистанционное зондирование Земли в видимом и инфракрасном диапазоне. Пролет на близких орбитах нескольких СМКА позволяет получать трехмерное «изображение» пожара: распределение дымового шлейфа, а соответственно, и полей концентраций СО, СОгДля проведения разведки пожара возможен следующий алгоритм:

1. по видеоизображению фиксируется дымовой шлейф и локализуется местоположение очагов лесного пожара;

2. выделение в пространстве сканируемого лазером объема и определение концентраций продуктов горения в атмосфере;

3. вычисление среднеобъемных показателей в заданном объеме;

4. решение обратной задачи динамики пожара для заданного объема с целью определения скорости горения и массовых расходов воздуха.

5. по вычисленным данным осуществляется прогнозирование развития очага во временном интервале пролета следующего спутника группировки.

Технические предложения по рассмотренному алгоритму в форме описания организации работ с применением разрабатываемого изделия были использованы в НИР «Технологии построения сверхмалых космических аппаратов модульного типа для исследования факторов космического пространства и отработки перспективных сенсорных компонентов» (госрегистрации № 1 201 056 206), проводимой Центральным научно-исследовательским и опытно-конструкторским институтом робототехники и технической кибернетики (ЦНИИ РТК, Санкт-Петербург).

Описание метода пропорциональной навигации (метода поиска источника физического скалярного поля) используется в лекционном материале по курсу «Управление роботами», читаемом на кафедре РК-10 («Робототехнические системы») МГТУ им. Н. Э. Баумана. На базе созданного экспериментального образца мобильного робота с термоэлектрическим преобразователем температуры окружающей среды подготовлена лабораторная работа по исследованию процесса управления роботом и составлена методическая разработка для её проведения (дисциплина «Управление роботами»). Разработанное программное обеспечение и методическая разработка по выполнению моделирования процесса управления роботом позволяет проводить математическое моделирование пожарной робототехнической системы в пакете Matlab Simulink в том же курсе.

Результаты разработки структуры иерархической подсистемы управления робототехнической системы, реализующей методы интеллектуального управления, были использованы в методическом пособии «История и методология автоматизации управления в технических системах», написанном в соавторстве с доцентом кафедры РК10 Калиниченко C.B. и профессором кафедры «Автоматизация технологических процессов» Калиниченко B.C. (Тверской государственный технический университет) и применяемом для подготовки по специальностям «Управление в технических системах» и «Интеллектуальные адаптивные робототехнические системы».

Акты использования результатов диссертационного исследования, подтверждающие его практическую ценность, приведены в Приложении Ж.

Научные и практические результаты диссертационного исследования могут быть использованы при создании систем управления мобильными разведывательными робототехническими системами пожарного назначения во ФБГУ ВНИИПО МЧС России, НУЦ «Робототехника», НИИ Специального машиностроения (МГТУ им. Н. Э. Баумана), ЦНИИ РТК. Результаты по исследованию решения обратной задачи динамики пожара, а именно, метод решения обратной задачи, метод определения стехиометрических коэффициентов реакции горения, классификатор вида горючей нагрузки, состав измерительного оборудования, рекомендуются к использованию при создании средств разведки пожарной обстановки в помещениях, а также для разработки перспективных алгоритмов обнаружения пожара в системах пожарной сигнализации. Полученные результаты рекомендуются к применению в следующих организациях: ООО НПФ «Спецсистемы (г. Тверь), ЗАО НВП «Болид» (г. Москва).

Рекомендуется использование АЦП с разрешением не ниже 14 бит (16 384 ступеней квантования на один градус) при создании систем наведения робота на очаг пожара в скалярном температурном поле (поле ОФП) для снижения влияния величины градиента температуры или другого ОФП на точность наведения. Полученные результаты по решению задачи наведения робота на очаг пожара позволяют расширить класс решаемых задач экстремальной робототехники и могут быть также применены для обнаружения источников полей с другими физико-химическими характеристиками, например утечки газа или эпицентров химического заражения.

Общие выводы и заключение.

В диссертационном исследовании решена актуальная научно-техническая задача по управлению мобильной пожарной разведывательной робототехнической системой в условиях закрытых пожаров, характеризующихся высокой плотностью задымления, низкой высотой потолков и сложной планировкой помещений.

По результатам проведенного исследования можно сделать следующие научные выводы:

1.При анализе характеристик горючих веществ установлено, что класс пожара определяется значениями удельного потребления кислорода Ь0^, удельного выхода углекислого £со и угарного Ьсо газов, которые характеризуют химическую реакцию горения вещества.

2. Решена обратная задача динамики пожара с сосредоточенными параметрами, математически показано, что решение задачи существует для любой из стадий пожара, исключая момент его начала. Полученное решение позволяет проводить экспресс-анализ пожара, включая оценки скорости горения, расходов втекающего воздуха и покидающих помещение газов, оценки Ьа-, Ьс02, Ьсо и, следовательно, вид горящего вещества и класса пожара.

3.Получен уточненный вид функции пожара к{<�х0^, зависящей от среднеобъемной массовой концентрации кислорода в результате решения обратной задачи динамики пожара. Функция пожара позволяет получить для начальной и развивающейся стадии пожара зависимость скорости выгорания вещества от среднеобъемной массовой концентрации кислорода, хорошо согласующуюся с результатами натурных экспериментов.

4. Сравнение результата численного эксперимента по решению обратной задачи динамики пожара на примере горения пролива этанола с табличными данными позволяют сделать вывод о погрешности определения стехиометрических коэффициентов в пределах погрешности модели динамики пожара (15−20%).

5. В ходе анализа температурных полей в помещении при пожаре установлена применимость метода пропорционального наведения ПРРТС, при котором угловая скорость робота пропорциональна скорости изменения направления градиента температуры, для поиска очага возгорания в условиях сильного задымления, в том числе в группе смежных помещений.

6. Результаты численного моделирования системы наведения ПРРТС в скалярном температурном поле показывают, что в случае непрерывной системы наведения, т. е. при достаточно высокой частоте квантования сигнала по времени, величина модуля градиента температуры не влияет на характер траектории при заданном коэффициенте наведения, что позволяет задавать постоянное значение этого коэффициента в системе. В ходе численного моделирования установлено, что минимальное расстояние до опорной точки, при котором возможно осуществление точного наведения, составляет 2−3 метра, что вполне достаточно для целей разведки очага пожара.

7. Сравнение результатов натурных экспериментов и численного моделирования позволяют утверждать, что разработанная модель системы наведения и модель динамики движения ПРРТС адекватны процессу наведения и экспериментальному образцу ПРРТС соответственно. Незначительное различие в результатах расчета и эксперимента на конечных участках траекторий наведения объясняется приближенным описанием модели температурного поля, создаваемого источником тепла.