WYBRANE ASPEKTY KSZTAŁTOWANIA SYSTEMU NA PRZYKŁADZIE SŁUŻBY SAR

Transkrypt

1 PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 120 Transport 2018 Norbert Chamier-Gliszczyński, Jerzy Fiuk Politechnika Koszalińska, Wydział Technologii i Edukacji WYBRANE ASPEKTY KSZTAŁTOWANIA SYSTEMU NA PRZYKŁADZIE SŁUŻBY SAR Rękopis dostarczono: kwiecień 2018 Streszczenie: Artykuł jest próbą przedstawienia aspektu modelowania systemu na przykładzie lotniczego ratownictwa morskiego interpretowanego jako służba SAR (Search and Rescue). Konieczność i potrzeba istnienia służby SAR wynika z podpisanej przez Polskę Międzynarodowej Konwencji o poszukiwaniu i ratownictwie morskim. Istotnym elementem struktury służby SAR są poszczególne jego elementy (np. lokalizacja baz lotniczych itp.). Czas dolotu w miejsca znacznie oddalone od istniejących aktualnie baz lotniczej służby SAR jest na tyle istotny, że może być przyczyną niepowodzenia akcji. Powstaje pytanie, czy zwiększenie liczby baz lotniczych daje szansę na zmniejszenie kosztów funkcjonowania systemu, zwiększenia jego efektywności oraz podniesienia tym samym poziomu bezpieczeństwa na morzu i w rejonie odpowiedzialności służby SAR. Dla pełnej analizy funkcjonowania służby SAR niezbędne jest podjęcie badań optymalizacyjnych. Ze względu na złożoność służbę SAR należy rozpatrywać w kategoriach systemowych. Autorzy interpretując lotniczą służbę SAR w postaci systemu, którego odwzorowaniem jest model systemu SAR podejmują badania ukierunkowane na optymalizację działalności tej służby. Słowa kluczowe: lotnicza służba SAR, model, system. 1. WPROWADZENIE Zgodnie z zapisami Międzynarodowej Konwencji o poszukiwaniu i ratownictwie morskim sporządzonej w Hamburgu dnia 27 kwietnia 1979 roku, zwanej także Konwencją SAR (ang. Search and Rescue - poszukiwanie i ratownictwo). Rzeczypospolita Polska zobowiązana jest do zapewnienia poszukiwania i ratowania każdej osoby znajdującej się w niebezpieczeństwie na morzu, bez względu na okoliczności w jakich znalazła się. Zapisy konwencji dotyczą nie tylko załóg i pasażerów statków towarowych bądź promów pasażerskich, ale także kutrów rybackich, prywatnych jachtów, statków wycieczkowych, jednostek wojskowych i badawczych, czy też pracowników platform wiertniczych. Polska strefa odpowiedzialności wynikająca z konwencji SAR to blisko km 2 obszaru Bałtyku Południowego oraz strefy przybrzeżnej. Morze Bałtyckie to obecnie jeden z najbardziej zatłoczonych akwenów na świecie, na którym koncentruje się ok. 15% światowego transportu (dziennie po Morzu Bałtyckim przemieszcza się średnio około 2000 różnych jednostek pływających). Zgodnie z danymi przedstawionymi przez Komisję Helsińską, w ciągu dekady 2002/2011 na Bałtyku doszło do 1133 wypadków i incydentów,

2 40 Norbert Chamier-Gliszczyński, Jerzy Fiuk co wskazuje, iż co roku dochodzi do ponad 110 niebezpiecznych zdarzeń. W związku z ciągłym wzrostem znaczenia Morza Bałtyckiego dla transportu morskiego, można wskazać, iż w najbliższym czasie powyższe dane nie ulegną zmianie. Na analizowanym akwenie wydarzyły się też katastrofalne w skutkach katastrofy morskie, tj. zatonięcie promu Jan Heweliusz w 1993 roku oraz zatonięcie promu Estonia w 1994 roku. Wymienione zatonięcia pokazały jak ważna jest możliwość szybkiego dotarcia w miejsce katastrofy i rozpoczęcia akcji ratowniczej. Realizacja akcji ratowniczej możliwa jest tylko dzięki użyciu w toku prowadzonej akcji przynajmniej kilku śmigłowców ratownictwa morskiego. Wszystkie statki powietrzne składające się na komponent lotniczy służby SAR w Polsce wystawia oraz organizuje tylko i wyłączenie Gdyńska Brygada Lotnictwa Marynarki Wojennej (BLMW), która obecnie podlega Inspektoratowi Lotnictwa Dowództwa Generalnego Rodzajów Sił Zbrojnych. Gdyńska BLMW jest związkiem organizacyjnym morskiego rodzaju sił zbrojnych. W strukturze brygady funkcjonują obecnie trzy jednostki: Dowództwo Gdyńskiej Brygady Lotnictwa MW oraz 43 Baza Lotnictwa Morskiego (43 BLotM) i 44 Baza Lotnictwa Morskiego (44 BLotM). Samoloty i śmigłowce BLMW stacjonują na lotniskach w Gdyni Babich Dołach, Siemirowicach i Darłowie. Domeną BLMW są specjalistyczne operacje lotnicze nad obszarami morskimi: misje poszukiwawczo-ratownicze w ramach zabezpieczenia polskiej strefy Konwencji o poszukiwaniu i ratownictwie na morzu SAR na Bałtyku oraz strefy przybrzeżnej; monitoring ekologiczny Polskiej Strefy Ekonomicznej (PSE) na Bałtyku; transport ludzi i sprzętu; inne działania związane z celami wojskowymi. Obecnie BLMW, dysponuje maszynami w wersji ratowniczej W-3RM Anakonda i większymi Mi-14PŁ/R, a dyżury w Darłowie pełnione są na przemian przez załogi śmigłowców W-3RM Anakonda i Mi-14PŁ/R, które w stosunku do Anakond, mogą przyjąć na pokład ponad dwukrotnie więcej rozbitków (W-3RM do 8 osób, Mi-14PŁ/R do 19 osób) i mają większy zasięg i długotrwałość lotu, co ma zasadnicze znaczenie dla prowadzenia misji ratowniczych [11, 12, 13, 14, 15]. Konieczność zakupu nowych śmigłowców dla służby SAR to oczywiście nie jedyny problem z jakimi boryka się lotniczy komponent ratownictwa morskiego. Modernizacji wymaga system wykonywania lotów, tak aby maksymalnie skrócić czas dotarcia śmigłowców do poszkodowanych i ich transportu do wyznaczonych miejsc. Nie wiadomo również jak ma wyglądać przyszłość polskiego morskiego. Czy nadal komponent SAR ma wchodzić w skład Marynarki Wojennej RP, czy też jak to się czyni w niektórych innych państwach (np. Wielka Brytania, Szwecja, Norwegia), powinna to być służba cywilna? Jako ciekawostkę można podać, że spośród krajów bałtyckich Szwecja posiada najdłuższą i najbardziej rozwiniętą linię wybrzeża. Znajduje się na niej blisko 50 głównych portów handlowych oraz wiele przystani rybackich i marin. Również największa na Bałtyku jest szwedzka strefa odpowiedzialności wynikająca z konwencji SAR (wynosi ona około 40% pow. Bałtyku). System funkcjonowania służby SAR oparty jest na funkcjonującym od wielu lat algorytmie postępowania w czasie akcji ratowniczej. Obowiązująca do chwili obecnej metodyka realizacji zasad postępowania podczas akcji ratowniczych ma za zadanie osiągnięcie określonych celów w czasie tych akcji, gdzie celami tymi są przede wszystkim: ratowane osoby i ich mienie. Starzejący się sprzęt transportowy jakim są śmigłowce, powoduje, że należy dążyć do usprawnienia obecnie funkcjonującego systemu.

3 Wybrane aspekty kształtowania systemu na przykładzie służby SAR 41 Celowi temu służy próba podjęcia badań w kierunku budowy modelu systemu SAR, który będzie zastosowany na etapie realizacji badań optymalizacyjnych funkcjonowania służby SAR [1, 3, 7, 8]. 2. ŚMIGŁOWIEC JAKO ŚRODEK TRANSPORTOWY W SŁUŻBIE SAR Śmigłowce mogły być wykorzystywane w celach ratowniczych w zasadzie od momentu, kiedy pierwsza taka maszyna zaczęła bezpiecznie unosić się w powietrzu, czyli od początku lat czterdziestych ubiegłego stulecia. Pierwszą akcję ratunkową z powietrza wykonano w 1944 roku w Birmie. Maszyna Sikorsky R-4, wzięła udział w operacji ratunkowej pilota i trzech pasażerów samolotu, który rozbił się na terenie nieprzyjaciela. Od tego czasu śmigłowce różnych typów coraz częściej wykorzystywano w misjach ratunkowych na morzu i lądzie, a ewolucja konstrukcji wymienionych maszyn oraz technik ratowniczych trwa do dziś. Wyjątkowe własności tych statków latających czynią z nich najszybszy, najbardziej mobilny i uniwersalny środek transportu. Śmigłowiec jest jednym z najważniejszych instrumentów stosowanych we współczesnym ratownictwie lądowym oraz morskim. Jedynym ograniczeniem w wykorzystaniu śmigłowca są przede wszystkim czynniki ograniczające widoczność, jednak cały czas powstają rozwiązania techniczne umożliwiające loty w coraz trudniejszych warunkach atmosferycznych. Posiadanie przez śmigłowce jak i przez samoloty ratownicze szczególnych cech eksploatacyjno-technicznych rozszerza znacznie możliwości zastosowania ich do celów ratowniczych. Skrócenie czasu transportowania zmniejsza zagrożenie zdrowia i życia rozbitków, którzy przebywali w niekorzystnych warunkach hydrometeorologicznych. Rys.1. Na rysunku z lewej strony przedstawiono śmigłowiec Mi-14PS, a z prawej W-3RM Anakonda podczas treningu akcji ratowniczej Źródło: materiały własne.

4 42 Norbert Chamier-Gliszczyński, Jerzy Fiuk 3. MODELOWANIE SYSTEMU SAR W nauce model stanowi pewien fundament rzeczywistości lub jej fragment, który celowo jest pozbawiony wielu szczegółów i cech nieistotnych z punktu widzenia celów modelowania [2, 9, 10]. Zdefiniowany model jest zawsze pewnym przybliżeniem rzeczywistego obiektu. Ogólnie możemy powiedzieć, że model jest reprezentacją obiektu rzeczywistego lub tylko jego fragmentu, których z różnych względów nie można bezpośrednio wykorzystać w badaniach. Model definiujemy jako układ, który w sposób wystarczający odwzorowuje cechy obiektu rzeczywistego tak, że jego badanie pozwala na uzyskanie żądanych informacji o tym obiekcie. Stopień uproszczenia modelu zależny jest od celu lub celów badań i tym samym dla danego obiektu można zdefiniować wiele modeli. W przypadku jeżeli obiektem dla modelu jest system, to formułujemy model systemu. Model systemu w obszarze wiedzy systemowej jest bardzo często podstawowym narzędziem badawczym, ułatwiającym lub wręcz umożliwiającym poznanie systemu. Model stanowi narzędzie umożliwiające analizę, ocenę i projektowanie dowolnego systemu. Opisu modelu systemu dokonuje się w sensie matematycznym, tworząc model matematyczny danego systemu. Model matematyczny polega na opisaniu danego systemu w języku formalnym to jest w postaci określonych relacji matematyczno-logicznych. Zdefiniowany model matematyczny to zbiór symboli, relacji matematycznych i bezwzględnie ścisłych zasad operowania nimi, przy czym przyjęte w modelu symbole i relacje stanowią odzwierciedlenie konkretnych elementów modelowanego obiektu rzeczywistego. Istotnym dla badań jest, że model matematyczny musi być określony jednoznacznie przez liczbowe wartości parametrów bądź charakterystyk oraz warunki i ograniczenia, które go identyfikują [4, 5, 6]. Modelowanie to działanie polegające na odwzorowaniu dowolnego obiektu, systemu rzeczywistego w postaci możliwego do przyjęcia zamiennika, zwanego modelem oraz późniejsze eksperymentowanie z nim. Na potrzeby realizacji badań przyjęto założenie, że modelowanie systemu SAR zostanie oparte na relacji szeregu istotnych etapów (rys. 2): etap 1, identyfikacja problemu do rozwiązania, etap 2, konstruowanie modelu systemu SAR, etap 3, weryfikacja modelu systemu SAR. Powyższe etapy nie mogą być traktowane niezależnie, czyli inicjując jeden z etapów zmuszeni jesteśmy uwzględnić możliwości realizacji pozostałych etapów. Na etapie budowy modelu, należy pamiętać o dostępności danych, możliwościach pomiarowych i ewentualnych algorytmach obliczeniowych IDENTYFIKACJA ELEMENTÓW MODELU SYSTEMU SAR Na potrzeby realizacji badań przyjęto, że w modelu systemu SAR zaakcentowano elementy istotne dla realizacji działań w służbie SAR, tj.:

5 Wybrane aspekty kształtowania systemu na przykładzie służby SAR 43 organizacja lotu ratowniczego z określeniem celu lotu, poziomu gotowości akcji ratowniczej, warunków pogodowych (hydrometeorologicznych), określenie i wskazanie użytego do akcji typu śmigłowca z uwzględnieniem jego możliwości operacyjnych (ilość miejsc na pokładzie, czas trwania lotu itp.), załoga śmigłowca ze szczególnym uwzględnieniem poziomu wyszkolenia (loty dzienne, nocne, IFR, VFR), skład załogi (obecność lekarza, ratownika), realizacja zadania z uwzględnieniem gotowości śmigłowca, załogi, miejsca startu do akcji, przebieg akcji (poszukiwanie osoby lub osób, obiektu), koszty akcji. Rys. 2. Metodologia modelowania systemu SAR Źródło: opracowanie własne. Zakładając, że poszczególne elementy modelu oznaczono odpowiednimi symbolami, model systemu SAR można przedstawić w postaci uporządkowanej czwórki, tj.: gdzie: model systemu SAR, organizacja lotu ratowniczego, środki transportu, załoga śmigłowca, realizacja zadania. (1)

6 44 Norbert Chamier-Gliszczyński, Jerzy Fiuk Do zbudowania modelu systemu SAR niezbędna jest znajomość organizacji lotu ratowniczego, środków transportu użytych do akcji, informacji o załodze środka transportu (śmigłowca), znajomość składników niezbędnych do realizacji zadania ODWZOROWANIE ORGANIZACJI LOTU RATOWNICZEGO Na potrzeby modelowania systemu SAR zakładamy, że organizację lotu ratowniczego możemy zapisać w postaci uporządkowanej trójki, tj.: gdzie: cel lotu ratowniczego, poziom gotowości, warunki pogodowe. (2) Odwzorowanie celu lotu ratowniczego, poziomu gotowości danej akcji ratowniczej, warunków pogodowych panujące w czasie akcji ratowniczej to parametry struktury systemu, które mogą decydować o funkcjonowaniu systemu lub jego niefunkcjonowaniu. Zgodnie z przyjętym założeniem cel lotu ratowniczego jest odwzorowaniem struktury systemu SAR na obszarze Bałtyku i w wyznaczonym obszarze lądu. Dla potrzeb modelowania przyjmujemy, że struktura celu lotu ratowniczego przedstawiona jest w postaci uporządkowanej pary, tj.: (3) gdzie: graf struktury systemu SAR na podstawie przeprowadzonych akcji, zbiór funkcji określonych na elementach grafu. Na potrzeby analizy prezentowanych zagadnień zakładamy, że odwzorowaniem struktury modelu systemu SAR jest graf postaci: gdzie: zbiór wierzchołków grafu, zbiór połączeń w grafie, (4) czyli jest zbiorem uporządkowanych par węzłów grafu będących podzbiorem iloczynu kartezjańskiego, przy czym łuk jest interpretowany jako przejście od węzła do węzła. Każdy łuk grafu odwzorowuje istniejące w rzeczywistości przejście od stanu do stanu akcji ratowniczej. Może to być np. przelot do rejonu poszukiwań rozbitka lub podróż powrotna do bazy. Istnienie bądź nie danego przejścia między stanami,

7 Wybrane aspekty kształtowania systemu na przykładzie służby SAR 45 tj. relacje można przedstawić w postaci binarnej macierzy sąsiedztwa wierzchołków, której elementy są określone następująco: łęłęł (5) Do dalszej analizy należy wyróżnić dwa warianty macierzy sąsiedztwa odwzorowujące przebieg akcji ratowniczej, przedstawionej grafem na rysunku 3. Istnienie wyłącznie dwóch wariantów macierzy sąsiedztwa, czyli w istocie, dwóch charakterystycznych przebiegów misji ratowniczej zależy od końcowego efektu akcji ratowniczej (odnalezienie osoby poszukiwanej bądź nie). Macierze te są niesymetryczne, co odwzorowuje skierowany charakter grafu. Zdefiniowane macierze oraz są postaci: macierz, która jest obrazem drogi w grafie z węzła 1 (postawienie w stan gotowości), do węzła 9 (odtworzenie gotowości po powrocie do bazy) zdefiniowanej jako: macierz, która jest obrazem drogi w grafie z węzła 1 (postawienie w stan gotowości), do węzła 9 (odtworzenie gotowości po powrocie do bazy) zdefiniowanej jako: (6) (7)

8 46 Norbert Chamier-Gliszczyński, Jerzy Fiuk Zbiór funkcji:, (8) określonych na elementach grafu, jest zbiorem funkcji określonych na zbiorze łuków grafu, tzn. i oznaczają kolejno: czas pomiędzy stanem a stanem misji ratunkowej, masa zużytego paliwa między stanem a stanem, całkowita droga geograficzna przebyta przez śmigłowiec między stanem a stanem. Rys. 3. Graf struktury akcji ratowniczej w systemie SAR Źródło: opracowanie własne ODWZOROWANIE ŚRODKÓW TRANSPORTU Na potrzeby modelowania akcji ratowniczych zakładamy, że środki transportu możemy zapisać w postaci uporządkowanej dwójki: (9) gdzie: typ śmigłowca, możliwości operacyjne. Środki transportu charakteryzują się różnymi parametrami technicznymi, eksploatacyjnymi i ekonomicznymi. W zależności od typu śmigłowca jego możliwości operacyjne są różne. Obecnie w akcjach ratowniczych udział biorą przede wszystkim dwa typy śmigłowców: Mi-14PS i W-3 RM. Dalsze rozważania z zastosowaniem teorii grafów będą przedmiotem kolejnych publikacji. W niniejszym artykule wystarczy wspomnieć, że system SAR jest systemem złożonym, w którym można wyodrębnić charakterystyczne podsystemy. Z kolei każdy podsystem charakteryzuje się strukturą, której opisem jest dana sieć uwzględniająca elementy charakterystyczne podsystemu.

9 Wybrane aspekty kształtowania systemu na przykładzie służby SAR PODSUMOWANIE Akcje ratownicze prowadzone przez śmigłowce, powinny być realizowane według kryteriów: minimum kosztów realizacji oraz minimum czasu realizacji w danych warunkach. Działania takie to nic innego jak działania optymalizacyjne, czyli takie, które mają na celu podjęcie optymalnej decyzji tzn. najlepszej z punktu widzenia przyjętego w danych warunkach kryterium decyzyjnego. Śmigłowce ratownicze SAR w chwili obecnej operują z dwóch baz lotniczych z Darłowa i Gdyni Oksywie. Wprowadzone na pewien czas lądowisko w Dziwnowie miało stać się w przyszłości trzecią bazą SAR, ale do chwili obecnej brak argumentów za podjęciem takiej decyzji. Celowi temu ma służyć między innymi to opracowanie, które zmierza do opracowania modelu matematycznego systemu SAR, który będzie zastosowany na etapie badań optymalizacyjnych rozmieszczenia kolejnej bazy. W obecnej chwili Marynarka Wojenna ma na swoim wyposażeniu dwa typy śmigłowców: Mi-14 PS i W-3 RM Anakonda. Należy zdawać sobie sprawę z faktu, iż śmigłowce, którymi dysponuje obecnie służba SAR są śmigłowcami przestarzałymi i ich dalsze eksploatowanie będzie generowało koszty nieadekwatne do dostępności w realizacji zadań ratowniczych. Jednakże do czasu pozyskania nowego śmigłowca należy zapewnić skuteczne funkcjonowanie służby SAR poprzez zoptymalizowanie i efektywniejsze wykorzystanie dostępnej bazy statków powietrznych. Można to osiągnąć analizując zagadnienie od strony teoretycznej, na bazie modelu matematycznego. Zamodelować można zarówno system logistyczny służący podnoszeniu stopnia dostępności śmigłowców do wykorzystania w akcjach ratowniczych jak i sam system SAR, który byłby bardziej skuteczny, gdyby jego struktury dostosowane zostały do realiów współczesnego podziału stref odpowiedzialności w akwenie Morza Bałtyckiego i w strefie lądowej. Budowa modelu matematycznego systemu SAR, pozwoli również na dostrzeżenie i lepsze zrozumienie jak optymalnie wykorzystywać śmigłowce w akcjach ratowniczych. Bibliografia 1. Afshartous D.: US Coast Guard air station location with respect to distress calls: A spatial statistics and optimization based methodology, European Journal of Operational Research, 196, str , Chamier-Gliszczyński N.: Modelowanie mobilności w aspekcie planowania transportu miejskiego, Koszalin De Alvarenga R. et al.: A mathematical model and a Clustering Search metaheuristic for planning the helicopter transportation of employees to the production platforms of oil and gas, Computers & Industrial Engineering 101, str , Jacyna M.: wybrane zagadnienia modelowania systemów transportowych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Jacyna M.: Modelowanie i ocena systemów transportowych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Merkisz-Guranowska A.: Ocena efektywności sieci recyklingu pojazdów wycofanych z eksploatacji, Wyd. Politechniki Poznańskiej, Powell Johnson M.: Evaluating the utility of a geographic information systems based mobility model in SAR operations, University of Southern California, 2016.

10 48 Norbert Chamier-Gliszczyński, Jerzy Fiuk 8. Razi N., Karatas M.: A multi-objective model for locating search and rescue boats, European Journal of Operational Research, 254, str , Spencer S.: Model-based systems engineering in the execution of search and rescue operations, Monterey, California: Naval Postgraduate School, Yun-fei Ai, Jing Lu, Li-li Zhang: The optimization model for the location of maritime emergency supplies reserve bases and the configuration of salvage vessels, Transportation Research Part E 83, str , Zasady zabezpieczenia logistycznego Sił powietrznych DD/4.3 DSP 438/2010. Warszawa Ustawa z 18 sierpnia 2011 r. o bezpieczeństwie morskim, rozdział 6 Ratowanie życia na morzu (Dz. U. z 2011 r. nr 228, poz. 1368, art.118). 13. Wyd. pt. Prowadzenie operacji przez Marynarkę Wojenną RP DD.3.1, Rozdz. 9 pkt 9.1. ppkt Wsparcie ratownicze (rozkaz dowódcy MW RP nr 136/OK z dnia r.). 14. Instrukcja o wojskowym ratownictwie morskim, sygn. Mar. Woj. 1001/ Lewitowicz J., Kustroń K.: Podstawy eksploatacji statków powietrznych. Własności i właściwości eksploatacyjne statku powietrznego, Wydawnictwo Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych, Warszawa SELECTED ASPECTS OF MODELLING THE SYSTEM ON THE EXAMPLE OF SEARCH AND RESCUE SERVICE Summary: The article is an attempt to present the aspect of modelling the system on the example of air maritime rescue interpreted as SAR service (Search and Rescue). The necessity and need for the existence of the SAR service results from the International Convention on Maritime Search and Rescue signed by Poland. An important element of the structure of the SAR service are its individual elements (eg. location of air bases, etc.). The time of arrival in places far away from the currently existing SAR air service bases is so significant that it may cause the failure of the action. The question arises whether increasing the number of airbases gives a chance to reduce the system's operating costs, increase its efficiency and thereby raise the level of safety at sea and in the area of responsibility of the SAR service. For the full analysis of the functioning of the SAR service it is necessary to undertake optimization studies. Due to the complexity of the SAR service, it should be considered in systemic categories. Authors interpreting aviation SAR service in the form of a system whose mapping is the SAR system model undertakes research aimed at optimizing the operation of this service. Keywords: aviation SAR service, model, system.