Угаров Александр Николаевич,
ООО Центр исследований экстремальных ситуаций"
Нас увлекла идея использования средств и методов виртуальной реальности в задачах обеспечения безопасности, решаемых в МЧС.
В подготовленной нами статье, содержится описание требований к ГИС и 3D моделям территории и опасных объектов, а так же способам их построения с учетом последующего использования для оценки обстановки в зоне чрезвычайной ситуации и отработки навыков ее нормализации.
Предпосылки к появлению средств и методов виртуальной реальности (ВР) в системах безопасности существуют давно, очевидно, с того времени, как для наблюдения за объектом стали использовать телевизионные камеры. Для ориентирования наблюдателей в пространстве применяли схемы объектов и технологические сигнальные пульты, на которых отмечались места установки камер или иных датчиков.
Получалось так, что наблюдатель имел дело не с объектом, а его образом на карте и на экране. Преимуществом такой "виртуальной реальности" была обозримость обстановки.
Следующий этап проникновения ВР в жизнь систем безопасности связан с цифровым моделированием территории и опасных явлений. На этом этапе возникли специализированные географические информационные системы, позволяющие моделировать обстановку в зоне чрезвычайной ситуации.
У исследователей безопасности появилось новое преимущество, связанное с повышением наблюдаемости объекта. Наблюдаемость возросла, так как детальность, рассматриваемой на экране компьютера модели, менялась по желанию оператора (Рис.1).
Рис. 1. Пример изменения детальности модели в зоне возможного загрязнения территории трубопровода
Дополнительный эффект от внедрения географических информационных систем в процесс исследования безопасности был достигнут за счет того, что стало возможно в рамках единой информационной системы консолидировать модели, обеспечивающие имитацию развития опасных событий и действий спасателей.
В стандартной задаче оценки обстановки на каждом этапе эксперимента с моделью имитируются:
- опасное событие, задаваемое указанием координат очага, параметров силы, энергии, концентрации или плотности;
- параметры среды, в которой опасная энергия выделяется, производя разрушения, поражения, заражения или загрязнения;
- сопротивление элементов риска этому опасному воздействию, проявляющееся в том, что величина ущерба, связанная с каждым элементом риска (функцией уязвимости элемента) формирует его пространственный образ, отображаемый на карте и называемый обстановкой в зоне ЧС.
Моделированием обстановки завершается первый акт виртуальной трагедии, когда возможный ущерб подсчитан и надо действовать для того, чтобы смягчить последствия и не допустить прироста ущерба в инерционной фазе развития опасного сценария.
При оптимизации виртуальная среда модели позволяет перебирать варианты использования доступных ресурсов с целью ранжирования их по разным параметрам, характеризующим степень нормализации обстановки, включая экономические, гуманитарные, политические и другие. Ранжирование конкурирующих вариантов позволяет принять окончательное решение.
Второй этап заканчивается оценкой виртуальных действий с позиций выбранного критерия при условии, что миссия нормализации ЧС будет исполнена.
В отличие от реальной жизни, сраженные моделируемой стихией виртуальные обитатели пространства (юниты, аватары), после некоторой паузы, связанной с осмыслением результатов, готовы страдать вновь и вновь, во имя безопасности человечества.
При многократных экспериментах с моделью у специалистов остаются навыки, которые им пригодятся при действиях в реальных условиях.
Сложно убедить читателей статьи в том, что сегодня с помощью модели или всего комплекса современных средств виртуальной реальности можно подготовить спасателя или руководителя спасателей к профессиональной деятельности в полном объеме. Невозможность окончательной подготовки специалистов средствами ВР касается не только специалистов МЧС, но и летчиков, и водителей автомобиля. Важно, что в ходе "летной" и "водительской" подготовки их игры с виртуальной моделью признаны эффективным вспомогательным средством обучения.
Есть еще один важный аспект моделирования, который нельзя не отметить. Известно, что занятия, полученные на местности и опыт практических действий незаменимы. Есть в практике опытных спасателей случаи, которые сложно представить разработчику тренажера. Тем более ценен опыт тех, кто побывал в сложных, связанных с риском, обстоятельствах.
Нам представляется, что практический опыт при правильной постановке дела может быть аккумулирован современными средствами виртуальной реальности. В этом заключается их потенциальная значимость.
Средства ВР, обнаруженные нами в ходе исследований, могут всего лишь сократить затраты на подготовку специалистов, однако при их дальнейшем развитии можно достичь большего, они смогут стать собирателем опыта и средством его передачи новым поколениям спасателей.
Существующие средства, например программно-аппаратный комплекс "Аналитик" [1] позволяет на каждом этапе эксперимента с моделью осуществить следующие действия:
- прогнозирование места и силы опасного события;
- оценку возможного ущерба;
- расчет количества сил и средств, необходимых для выполнения неотложных спасательных и восстановительных работ;
- оценку состояния и наличие в зоне ЧС, а также ближайшей окрестности сил и ресурсов, пригодных для использования в спасательной операции, расчет необходимого усиления;
- подготовку соответственных документов управления.
Аналитик полностью адаптирован к структуре РСЧС и условиям территории. Аналогичные средства, выпускаемые за рубежом, например (ArcGIS for Situational Awareness (см. www.esri.com/situationalawareness)) менее приспособлены к удовлетворению потребностей Российских спасателей, так как не учитывают особенной законодательства России и специфики действий в зоне ЧС. Чаще всего импортные средства нуждаются в адаптации.
При формировании комплексов их создатели должны решить достаточно сложную задачу консолидации (приведения к общей схеме решения и объединению на логическом уровне) имитационных моделей.
Консолидированные модели с "легкой руки" профессора Ларионова Валерия Ивановича стали называться "сквозными задачами оценки обстановки" (Центр исследования экстремальных ситуаций http://esrc.ru/company/). Получается так, что по имеющимся наблюдаемым явлениям и прогнозам опасности, пройдя все стадии расчетов, в результате пользователи получают документы управления пригодные для использования, как план предупредительных мероприятий или, как распоряжения для участников спасательной операции.
Успех специализированных ГИС был ознаменован тем, что они, не смотря на всевозможные трудности, продолжают внедряться в учреждениях МЧС, находящихся на различных уровнях иерархии управления, образуя АИУС РСЧС (http://www.mchs.gov.ru/).
Вершиной развития АИУС стали национальные центры управления в кризисных ситуациях, где ГИС широко представлены.
О масштабах такого внедрения можно судить по содержанию следующего сообщения, составленного на основе интервью взятого у руководителя МЧС России:
"Организация национальных центров управления в кризисных ситуациях позволяет моделировать развитие чрезвычайных ситуаций, получать видео и фотографическую информацию в режиме он-лайн. Сюда (в центр) будут стекаться все данные о потенциально опасных объектах в круглосуточном режиме".
В связи с развитием центров управления в кризисных ситуациях стало актуальным использование трехмерных моделей потенциально опасных объектов, систем жизнеобеспечения и объектов с массовым пребыванием людей в целях организации своевременного реагирования и эффективного применения сил и средств нормализации чрезвычайных ситуаций.
Очевидно, мы находимся на пороге третьего этапа проникновения виртуальной реальности в жизнь систем безопасности и пора задуматься над тем, чем знаменателен этот этап, в рамках которого между восприятием событий и их моделей разница постепенно будет сглаживаться.
Появление в руководящих документах МЧС ссылок на необходимость использования трехмерных моделей не может стать поводом для зарождения нового вида деятельности. Внимательный анализ сертифицированных МЧС методик оценки обстановки не дает повода считать, что трехмерная реалистичность может много добавить к достоверности прогнозов и оценок возможного ущерба [2]. Можно предположить, что методы прогноза совершенствуются и модель "шьют" на вырост. Смущает только то, что стоимость трехмерных реалистических моделей в среднем более чем в сто раз выше, чем у картографических условных моделей.
На вопрос: "Зачем трехмерные модели виртуальной реальности в системах безопасности?" можно ответить следующим образом.
На наш взгляд, эти модели крайне необходимы для организации обучения эффективным действиям персонала подразделений РСЧС.
Ситуацию, подтверждающую необходимость обучения персонала с использованием средств виртуальной реальности легко показать на следующем примере.
Пусть, в результате прогнозирования стало ясно, что угроза катастрофического паводка или затопления территории критически важного объекта достаточно велика. Пример того, как это может выглядеть в реальности, приведен на рисунке (рис.2)
Рис.2. Весенний паводок на реке Лена
Оценка возможных последствий ЧС, расчет необходимого количества ресурсов позволили сделать выводы о необходимости привлечения дополнительных сил и средств.
По данным, полученным моделированием обстановки был уточнен подготовленный заблаговременно план действий. Для повышения их эффективности, спасателей необходимо обучить выполнению приемов в конкретных изменяющихся во времени условиях, связанных с затоплением территории.
Первый шаг обучения это – тренировка с виртуальным "ящиком с песком", из которого созданы островки безопасности среди моря затопления, сбор руководителей и исполнителей операции в ситуационном центре и доведение распоряжений, а так же содержания плана с иллюстрацией районов сосредоточения, маршрутов выдвижения, рубежей развертывания и т.д. Виртуальный ящик с песком в нашем примере это и есть трехмерная модель местности и объектов экономики.
Какое либо иное обучение, кроме тренинга с моделью в данной ситуации невозможно. Выручить может только виртуальная реальность, выполненная как управляемая трехмерная компьютерная модель, приспособленная для имитации характерных действий спасателей и оценки их эффективности.
Очевидно, так готовят космонавтов, перед пуском ракеты, а средство подготовки называется тренажером.
Понимание того, что подготовка спасателей к изменяющейся обстановке в ходе спасательной операции является функцией АИУС РСЧС поднимает значимость моделирования и открывает дополнительные возможности по совершенствованию ситуационных и учебных центров, которые в чрезвычайных ситуациях могут использоваться синхронно. При этом, обучаемые в учебных центрах могут получить дополнительные практические навыки планирования и проведения спасательных операций.
Подводя промежуточный итог, следует отметить, что виртуальная реальность, доступная без ущерба объектам экономики для экспериментов с моделями стихийных бедствий, катастроф и техногенных аварий является важным логическим продолжением средств моделирования обстановки, которыми оснащаются ситуационные и учебные центры МЧС.
В Центре исследований экстремальных ситуаций выполнен ряд работ по изучению обучающих возможностей большого количества программных продуктов, которые пригодны для имитации действий спасателей в ЧС.
Наиболее полно, сформулированным в учебных центрах МЧС требованиям, удовлетворяют компьютерные игры класса "Стратегия", которые по формату данных о местности и объектах экономики совместимы с ГИС.
В экспериментах использовались программные средства информационно – аналитического комплекса "АНАЛИТИК", включающего ГИС "ЭКСТРЕМУМ", программы оценки обстановки (сервер обстановки комплекса "АНАЛИТИК"), а также программные средства симулятора чрезвычайных ситуаций "Emergency – 4" (служба спасения 911) (рис.3)
Разработчик симулятора компания "Sixteen Tons Entertainment" (http://sixteen-tons.de/en/), очень точно определила мотивацию и потребности в своем продукте, совершенствование которого продолжается. Совершенствуется движок трехмерной модели, зрительные и звуковые эффекты, возникающие в зоне ЧС. Развивается интерфейс, позволяющий управлять скоростью распространения огня, размером зон опасного теплового воздействия, задымления и других поражающих факторов.
На сегодняшний день пользователь может сам смоделировать обстановку на объекте. Определить миссию (задание) обучаемому руководителю группы спасателей, сформулировать условия его успешного выполнения.
Несложно предположить, что совокупность подготовленных заблаговременно обстановок и миссий может стать эффективной базой обучения действиям, "живым" руководством спасателя и аккумулятором драгоценного практического опыта.
Заготовленные миссии от разработчика, представленные в "Emergency 4", не разочаровывают. В них есть интрига, здоровый азарт, интересные ситуации, зачастую развивающиеся неожиданно. Разумеется, обучаемый спасатель может, как усугубить положение, так и предотвратить нежелательные последствия. Для оценки его действий есть численная мера, позволяющая сравнивать действия различных спасателей.
Выполненные в Центре исследований экстремальных ситуаций исследования показали, что необходимость в трехмерных моделях и программах, предназначенных для обучающего управления деятельностью спасателей очевидна. Остается решить главный вопрос, где взять детальные трехмерные модели объектов и соответственные программные средства?
Каковы требования к детальности, форме представления данных об объектах и как организовать их сбор, в условиях ограниченного бюджетного финансирования?
Один из вариантов ответа на эти вопросы содержится в данной статье.
Начать ответы следует с обсуждения требований к детальности данных об объекте и сравнением их с существующими стандартами
Исследования показали, что детальность модели должна быть переменной величиной, зависящей от удаления источника опасности и его потенциальной мощности.
Чем ближе источник, тем выше детальность. В районе потенциального очага важно показать приспособления и элементы конструкций, которые могут быть использованы для управления ходом событий. Этот уровень назовем "Конструкторским".
Далее по мере удаления от очага детальность может быть ограничена показом стен и ограждающих конструкций со всеми приспособлениями для проникновения вовнутрь сооружения. Этот уровень назовем "Архитектурным".
За пределами стен и ограждающих конструкций необходимо показать все проезды, и устройства для управления подачей воды и энергоресурсов. Этот уровень назовем "Ландшафтным".
За пределами санитарной зоны объекта необходимо детально показать проезды, обеспечивающие транспортную доступность к объекту. Это уровень "Генерального плана".
На вопрос о том, где взять модель объекта, обладающую свойствами, описанными выше, в какой-то степени могут ответить нормативные документы, связанные с описанием жизненного цикла объекта экономики.
Жизненным циклом (ЖЦ) называют период времени, в течение которого объект существует. ЖЦ состоит из последовательности фаз. Важно, что при современных подходах к проектированию модель может быть создана уже в первой фазе, когда формируется замысел и определяются конкурирующие варианты размещения объекта. Такая модель – прототип позволит сформировать техническое задание на проектирование.
Во второй фазе, называемой "Проектирование" осуществляется детализация модели и изготовление проектной документации. На этом этапе архитекторы и конструкторы добиваются того, что бы модель приобрела законченную форму, пригодную для ее представления заказчику в качестве проекта.
В третьей фазе, называемой "Изготовление" модель используется совместно с рабочей документацией для контроля соответствия изделия проекту.
В четвертой фазе, называемой "Обращение" осуществляются операции передачи объекта в эксплуатацию. Модель используется для контроля соответствия изделия проекту, с ее использованием готовится эксплуатационная документация и материалы, подлежащие передаче в организации, ответственные за учет и регистрацию недвижимого имущества.
В пятой фазе, называемой "Использование объекта по назначению" модель совершенствуется за счет внесения изменений службами эксплуатации, наблюдающими за износом и остаточным ресурсом объекта. Ценность модели может возрастать по мере накопления данных технического освидетельствование и изменений, вносимых при текущем ремонте, отдельных элементов улучшений без прекращения использования объекта в целом.
В шестой фазе, называемой "Модернизация", модель используется как основа для формирования проекта капитального ремонта, реконструкции, других улучшений с возможным перепрофилированием (изменением функционального назначения) объекта.
В седьмой фазе, называемой "Утилизация", модель используется, как отправная точка для проектирования сноса, захоронения и вторичного использование материалов. На основе модели осуществляется контроль исполнения проекта. Модель утилизированного объекта может стать прототипом для вновь создаваемого сооружения.
Переход модели из одной фазы ЖЦ в другую возможен только, если проектируется современный объект и для его создания применяются современные технологии, например «Комплексное проектирование» с использованием продуктов класса "AutoCAD MEP v 9.0" (http://www.cadgroup.ru/product/192/)
Во всех прочих случаях, данные для формирования модели следует собирать по крупицам в самых разных организациях, у архитекторов, у проектировщиков, у строителей и организации занимающейся эксплуатацией объекта. Самый затратный случай моделирования возникает, если документация отсутствует.
Опыт Центра исследований экстремальных ситуаций показывает, что при разработке документов декларации промышленной безопасности опасных производственных объектов, сбор данных и моделирование объекта являются наиболее трудоемкими операциями.
Другой подход к построению модели может быть основан на заинтересованности собственников и страховых компаний в сохранности имущества. Он может быть реализован, если удастся убедить их в том, что показатели риска возникновения ощутимого ущерба можно уменьшить, за счет тренировки спасателей, закрепленных за территорией объекта с использованием его трехмерной модели.
С одной стороны, можно гарантировать эффективность обучения спасателей, с другой - снижение времени на действия не связанные с производством основного продукта.
Литература
1. Министерство Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий. Приказ №405 от 22 07 2008 года. О принятии на снабжение МЧС России информационно-аналитического комплекса ИАК "Аналитик"
2. Сборник методик по прогнозированию возможных аварий, катастроф и стихийных бедствий в РСЧС (книга 1). "Методика оценки последствий землетрясений". "Экспресс – методика прогнозирования последствий взрывных явлений на промышленных объектах". Москва 1994 год
RSS
Реклама
