Интегрированные авиационные системы комплексного жизнеобеспечения в малонаселенных регионах России: перспективы и принципы построения

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Интегрированные авиационные системы комплексного жизнеобеспечения в малонаселенных регионах России: перспективы и принципы построения

Авторы:

Охапкин А.А., Егошин С.Ф., Клочков В.В.

Отдаленные, труднодоступные и малонаселенные регионы (ОТДМР) занимают около двух третьих территории России. Они характеризуются малой плотностью населения - порядка 1 человека на кв. км или ниже, а также, как правило, сложными природно-климатическими условиями. Значительная их часть совпадает и с районами Крайнего Севера или приравненными к ним, но это совпадение не 100%-но (ОТДМР встречаются и в Европейской части России). В этих регионах, с одной стороны, объективно затруднена жизнедеятельность человека и хозяйственная деятельность, и она требует дополнительных затрат (энергетических, трудовых, финансовых). С другой стороны, именно в этих регионах сосредоточена большая часть природных богатств страны, или же они стратегически важны с геополитической, транспортной точки зрения (как, например, регионы вдоль Севморпути и т.п.). Их освоение важно с точки зрения обеспечения территориальной целостности и национальной безопасности России. Причем, далеко не все ОТДМР неблагоприятны для проживания человека, хозяйственной деятельности, рекреации - часть этих регионов просто остается неосвоенной. Поэтому их вовлечение в хозяйственную жизнь страны, постепенное заселение и комплексное освоение возможно и полезно.

В связи с этим важнейшая задача, осознанная как глобальный вызов при разработке Стратегии научно-технологического развития России (СНТР, см. [3]) - обеспечение транспортной связанности территории нашей страны, включая как транспортное обеспечение, так и телекоммуникационное, информационное и др. В первую очередь этот вызов касается ОТДМР, что и отражено в названии соответствующего приоритета СНТР, в котором упоминаются Арктика и Мировой океан. При этом должна обеспечиваться комплексная безопасность населения и хозяйственной деятельности (включая поиск и спасание в чрезвычайных ситуациях, медицинское обслуживание, охрану правопорядка и т.д.), а также защита окружающей среды. Экосистемы многих ОТДМР, особенно в районах Крайнего Севера, очень уязвимы, а в ряде регионов - представляют собой особую ценность, включая заповедники, природные парки и т.п.

Полноценное освоение ОТДМР означает появление в них развитой и эффективной (с учетом неизбежных дополнительных затрат) высокотехнологичной экономики. Привлечение необходимых высококвалифицированных кадров требует создания для них благоприятной поселенческой среды, которая, помимо комфортабельного жилья, будет включать в себя также развитую социально-культурно-бытовую сферу, в т.ч. здравоохранение, образование, культуру. Если начинать с базовых потребностей человека, то полноценное освоение ОТДМР требует решения следующих задач, необходимых для создания приемлемой поселенческой среды:

- обеспечение промышленными товарами и продуктами питания, включая доставку товаров под индивидуальный заказ;

- доступ к медицинскому обслуживанию, включая высокотехнологичную и неотложную медицинскую помощь;

- доступ ко всем видам образования, включая обучение в высших учебных заведениях России;

- доступ к транспортной инфраструктуре для возможности быстрого и беспрепятственного перемещения в пределах России, а также (теоретически) совершения заграничных поездок.

Важнейшая роль в освоении и развитии ОТДМР как с экономической, так и с социальной точек зрения принадлежит транспорту. При этом в силу особенностей ОТДМР - как природно-климатических, так и низкой плотности населения - в них затруднено, дорого и часто экономически (а также экологически) неэффективно строительство и содержание развитой наземной транспортной инфраструктуры. В таких регионах в обеспечении транспортной связанности ведущую роль играет авиация. Строго говоря, ее функции не ограничиваются лишь транспортом. Гражданская авиация выполняет и широкий спектр авиационных работ, ранее называвшихся «применение авиации в народном хозяйстве» (ПАНХ). Например, с помощью авиации осуществляются поиск и спасание, мониторинг и патрулирование лесов, акваторий, магистралей, объектов ТЭК (в т.ч. с целями обнаружения и ликвидации чрезвычайных ситуаций, пожаров, противоправных действий и т.п.). Таким образом, гражданская авиация (и воздушный транспорт, и ПАНХ) активно участвует в решении большинства основных задач жизнеобеспечения ОТДМР. Однако в настоящее время авиация ОТДМР, во-первых, деградировала по сравнению с советским периодом, что критически сказывается на качестве жизни в этих регионах. Во-вторых, особенно в связи с развитием беспилотной авиации, сейчас появляются новые возможности в решении различных задач, в т.ч. и задач освоения ОТДМР. Отсюда возникает необходимость предложить новый научно-обоснованный подход к планированию развития гражданской авиации для этих сложных, но стратегически важных регионов России.

На современном этапе развития авиации при планировании, прогнозировании ее развития оперируют уже не изолированными воздушными судами (ВС). Более комплексным является рассмотрение авиационных систем (АС), которые включают в себя парки ВС и объекты авиационной инфраструктуры. Наиболее системный подход, позволяющий получать глобально оптимальные решения, состоит в рассмотрении интегрированных авиационных систем (ИАС), включающих в себя:

- многотипный парк ВС различного назначения;

- объекты авиационной инфраструктуры (аэропорты/посадочные площадки, топливозаправочные комплексы и склады ГСМ, элементы ОрВД, АРЗ и прочие управляющие и сервисно-логистические структуры);

- неавиационные объекты отраслей народного хозяйства (медицинские учреждения, предприятия, государственные территориальные службы и т.д.), для обслуживания которых предназначена рассматриваемая специализированная ИАС.

Первые два пункта из трех и составляют АС, а добавление третьего превращает ее в ИАС.

С одной стороны, как показывает опыт анализа, моделирования и оптимизации ряда ИАС гражданского назначения, их следует рассматривать как часть, подсистему соответствующей отрасли народного хозяйства. Например, санитарная авиация - это «длинная рука» системы здравоохранения. И наибольший эффект от ее развития будет получен не при локальной оптимизации парка ВС, аэродромов и посадочных площадок при фиксированной сети обслуживаемых медицинских учреждений - он будет получен именно при глобальной оптимизации пространственной организации здравоохранения, включая расположение, масштаб и специализацию медицинских учреждений, с учетом возможностей, предоставляемых санитарной авиацией.

Аналогично, эффект от внедрения более эффективных ВС в сфере патрулирования объектов, магистралей и территорий будет наибольшим, если типаж, численность и налет парка летательных аппаратов (ЛА), облик потребной инфраструктуры будут способствовать скорейшему обнаружению аварийных ситуаций и минимизации ущерба от них (пример см. [1]). Т.е. ИАС следует встраивать в соответствующие отрасли национальной экономики и оптимизировать их состав и характеристики совместно.

Причем, разумеется, и система медицинских учреждений, и санитарная авиация должны быть многоуровневыми, эшелонированными, в зависимости от сложности соответствующих видов медицинской помощи и интенсивности соответствующих «заявок».

Первую медицинскую помощь целесообразно оказывать на базе фельдшерско-акушерских пунктов, сеть которых в настоящее время активно восстанавливается. При этом в несложных случаях, когда требуется консультация профильных специалистов, можно прибегать к технологиям телемедицины, что требует создания широкополосных каналов связи с медицинскими центрами.

В более сложных случаях, когда необходимо личное посещение профильного специалиста, в том числе для оказания высокотехнологичной медицинской помощи, требуется обеспечить доступ населения к соответствующим медицинским учреждениям. Это возможно только при организации доступных пассажирских перевозок между населёнными пунктами и административными центрами. Вся система авиаперевозок на местных воздушных линиях должна обеспечивать доступные тарифы (пусть даже дотируемые из бюджета почти полностью) при приемлемом времени в пути.

Для оказания неотложной медицинской помощи и эвакуации пострадавших в тяжёлом и критическом состоянии во многих случаях целесообразно использовать именно санитарную авиацию. ЛА санитарной авиации ОТДМР должны обладать возможностью использования неподготовленных взлётно-посадочных площадок, а вся система в целом - обеспечивать необходимую оперативность медицинской транспортировки (как за счет характеристик ЛА, так и за счет пространственного размещения их баз и самих медицинских учреждений).

То же самое касается ИАС, обслуживающих интересы других отраслей экономики.

Обеспечение населения ОТДМР промышленными товарами и продуктами питания в настоящее время, в основном, осуществляется с использованием водного (речного) и наземного транспорта (часто при нерегулярном сообщении по зимникам и т.п.), а время доставки может достигать одного года. Использование системы местных грузовых авиаперевозок позволит существенно сократить время доставки, что особенно критично в случае скоропортящихся товаров.

В дополнение к этому, доступ населения ОТДМР к системам доставки товаров под индивидуальный заказ с использованием Интернет-магазинов, основной сложностью которого является проблема «последней мили», может быть реализован на базе отдельной транспортной системы, использующей грузовые беспилотные ЛА - в т.ч. сверхмалой грузоподъемности, от нескольких кг.

Население ОТДМР должно иметь полноценный доступ к транспортной системе России для возможности быстрого и беспрепятственного перемещения в пределах страны (и, теоретически, за ее пределы), с целью совершения деловых и туристических поездок, посещения родственников, получения образования. Ключевая роль в обеспечении этих потребностей принадлежит всё той же системе местных воздушных перевозок.

С другой стороны, в силу «разреженности» ОТДМР, относительной малочисленности самих ВС, выполняющих там вышеописанные функции, вряд ли целесообразно и вообще возможно разделять по различным функциям (транспортная, санитарная и т.п.) гражданскую авиацию в таких регионах. В ОТДМР, также в силу малой плотности населения, низка интенсивность рейсов при перевозках, пассажирских и грузовых. Таким образом, нецелесообразно разделять по видам деятельности и без того малозагруженные (по меркам густонаселенных регионов) аэродромы и посадочные площадки. То же самое касается и различных инфраструктурных подсистем ИАС - подсистем организации воздушного движения (тем более что все ВС для обеспечения безопасности обязательно следует рассматривать как использующие единое воздушное пространство), технической эксплуатации и ее логистического обеспечения, и т.п.

Наконец, сами группировки воздушных судов различного назначения нередко будет целесообразно объединять и универсализировать, поскольку, например, относительная загрузка ВС, выполняющих различные виды авиационных работ и услуг, в малонаселенных местностях может оказаться настолько низкой, что содержание «отдельных» группировок ВС для них окажется или вообще нецелесообразным, или их достижимая (в рамках бюджетных возможностей) численность будет так мала, что надежность таких ИАС, их готовность к выполнению срочного заказа или задания будет недопустимо низкой. Возможно, системы местных пассажирских и грузовых перевозок целесообразно объединить, так как требования к ЛА в обоих случаях в значительной мере совпадают.

«Малая авиация» в СССР выполняла сразу несколько функций жизнеобеспечения малонаселенных регионов. Фактически она - в те периоды, когда эти регионы в самом деле активно осваивались - и представляла собой единый комплекс, слабо разделенный ведомственными барьерами, а имеющий скорее территориальную привязку, особенно в «низовом» звене. Причем, и сами ВС, как правило, были универсальными или многопрофильными.

Близкие тезисы о комплексной роли «локальной» авиации в малонаселенных регионах, в их жизнеобеспечении и развитии, высказываются и в работах зарубежных ученых - например, применительно к Швеции [5]. Идеи интеграции на «низовом» уровне различных систем жизнеобеспечения (причем, не только транспортных, но и информационно-коммуникационных, энергетических и др.) в таких регионах лежат, например, в основе проекта «Умный транспортно-логистический модуль (УТЛМ) для малонаселённых и труднодоступных территорий», предложенного в рамках приоритета СНТР «Связанность территории РФ» [2].

Схематично принципы объединения объектов в единую ИАС на «низовом» уровне, в конкретном ОТДМР (точнее, в отдельном его районе, местности), представлены на рис. 1:

Итак, с одной стороны, ИАС должны строиться как специализированные иерархические системы, оптимальные в рамках страны и единой отрасли, интересы которой они обслуживают. С другой стороны, в «низовом звене» в ОТДМР они, вероятно, должны быть совмещенными, по возможности универсальными, и оптимизированными с учетом характеристик конкретного региона или местности. Как совместить эти противоречивые соображения?

Во-первых, более корректно рассматривать не два полярно противоположных решения - полностью независимые ИАС и полностью объединенные - а смешанные стратегии, когда часть элементов ИАС (группировок ВС, инфраструктурных подсистем и т.п.) объединяется, на тех или иных уровнях, а часть остается независимой.

Во-вторых, рациональный выбор можно сделать лишь путем научного, расчетного обоснования. Подчеркнем, что в указанных работах [2, 5] такое обоснование отсутствует - «по умолчанию» считается необходимым или единственно возможным организовать именно унифицированные системы в «низовом» звене. Постановки задач оптимизации отдельных, «профильных» или отраслевых АС, обозначаемых индексами k=1 … K, выглядели следующим образом:

где - минимумы затрат на каждую из K специализированных АС, рассчитанные независимо для целевых функций общих затрат, отдельных для каждой АС;

- количество ЛА I типов (i = 1,…I), каждый из которых описывается набором (вектором) характеристик , в группировке, соответствующей k-ой АС;

- количество J типов авиационной инфраструктуры (обозначаемых индексами j = 1,…J), каждый из которых описывается вектором характеристик , в составе k-ой АС;

- вектор условий выполнения требуемых объемов работы в k-ой АС;

, - вектор условий соблюдения требований (качественных ограничений) , предъявляемых к k-ой АС.

В отличие от АС, постановка соответствующих оптимизационных задач для ИАС выглядит следующим образом:

гдне - функции затрат теперь уже для каждой из K «профильных» ИАС;

- количество Q типов дополнительно рассматриваемых объектов неавиационной (целевой отраслевой) инфраструктуры, q = 1,…Q, каждый из которых в составе k-ой ИАС описывается вектором характеристик ;

- вектор условий выполнения всех требуемых объемов работы уже применительно к k-ой ИАС с учетом особенностей (причем, в общем случае, оптимизируемый объем работы может отличаться от непосредственно транспортной работы, выполняемой АС - например, ИАС оказывает услуги здравоохранения, а АС санитарной авиации - только услуги медицинской транспортировки);

- вектор условий соблюдения требований (качественных ограничений) , предъявляемых к k-ой ИАС с учетом особенностей . (как и в случае с , может иметь принципиально новые отличия: например, для ИАС трубопроводного транспорта ставится условие прокачки определенных объемов нефти по заданному участку сети с минимальными потерями от утечек и аварий, а не условие выполнения определенного объема патрульных облетов как для патрульной АС).

Значительная часть авиационных работ и услуг в ОТДМР может иметь характер случайных или квазислучайных событий. Тогда их эффективное выполнение требует проектирования соответствующих ИАС как систем массового обслуживания (СМО, подробнее см. [4]). Этот подход правомерен на долгосрочных интервалах даже в тех случаях, когда эксплуатация ВС, на первый взгляд, планируется почти детерминированным образом - например, выполнение регулярных авиаперевозок по расписанию. Но и в сфере авиаперевозок возможен режим работы «по вызову», особенно в малонаселенных местностях, при низкой интенсивности пассажиропотоков (тогда он может быть и более эффективным, чем регулярное расписание. Тем более такой стохастический подход правомерен для экстренных служб, где он и применяется традиционно. С учетом этих факторов качественные ограничения на работу ИАС принимают форму допустимой средней длительности ожидания обслуживания (выполнения миссии, будь то перевозка или медицинская транспортировка, патрульный облет, и т.п.), требуемой доли заявок, обслуженных в пределах допустимого времени.

В качестве примера такой ИАС может быть приведена следующая структура единой ИАС обслуживания территории ОТДМР, см. рис. 2.

В структуре единой ИАС, помимо традиционных авиационных и обслуживающих неавиационных подразделений, присутствуют дополнительные подразделения, обеспечивающие многоцелевое применение единой ИАС. В приведенном примере это, например, медицинская служба, которая относится к персоналу единой ИАС, выполняющей санитарно-спасательные операции. Добавление такой службы позволит избежать ненужного дублирования функций, выполняемых обособленными ИАС (т.е., на примере ведомств, медицинскими сотрудниками и сотрудниками МЧС). Кроме того, объединение функций позволит централизовать управление при выполнении операций, требующих взаимной координации действий, допустим, когда требуется одновременная доставка и персонала, и специализированного оборудования/грузов. Данное обстоятельство может положительно сказаться на оперативности выполнения задач единой ИАС по сравнению с обособленными ИАС.

Взаимодействие подразделений этой ИАС происходит при поддержке ИТ-отделения, реализующего как техническую сторону (оборудование), так и программное обеспечение (интерфейс, комплекс СМО), см. рис. 3.

Постановка задачи оптимизации единой ИАС (в «низовом» звене она сводится к минимизации общих затрат ) будет выглядеть следующим образом:

где индексы I*, J* и Q* - соответствуют обобщенному типажу ВС, обобщенной авиационной инфраструктуре и совокупности «целевой» инфраструктуры обслуживаемых отраслей (например, медицинских учреждений, объектов трубопроводного транспорта и т.п.);

- обобщенный вектор условий выполнения всех требуемых объемов работы (которая, в свою очередь, есть совокупность всех работ , ранее выполнявшихся в изолированных ИАС); причем , ввиду многообразия миссий ИАС, задается как квазистационарный процесс для периода моделирования ;

- вектор условий соблюдения требований (качественных ограничений) (как совокупность всех требований , предъявлявшихся к изолированным ИАС), предъявляемых к единой ИАС.

Отдельно следует отметить именно указанную выше возможность объединения нескольких ИАС в одну единую систему. Из теории массового обслуживания известно, что объединение СМО для совместного удовлетворения общего потока заказов, при прочих равных, повышает эффективную загрузку каналов обслуживания, снижает издержки их содержания (в расчете на единицу работы), и одновременно повышает качество обслуживания, сокращая очереди, время ожидания, вероятности отказа в обслуживании и т.д., см. [4]. На этой особенности и основана эффективность институтов коллективного пользования (шеринга), вывода на аутсорсинг и централизации технологически однородных производств и т.п.

В то же время универсальность каналов обслуживания имеет свою цену. Сами каналы становятся сложнее и дороже как в производстве (строительстве), так и в содержании. Как правило, и среднее время обслуживания заявок возрастает, поскольку приходится перестраиваться на выполнение разнородных заявок (например, подвеска санитарного модуля вместо пожарного или транспортного к универсальному вертолету занимает конечное время). Учет этих факторов при моделировании СМО и позволяет сделать обоснованный выбор между универсальностью и специализацией СМО.

Таким образом, предлагаемые подходы нацелены на максимально эффективное комплексное решение различных проблем жизнеобеспечения ОТДМР с помощью авиации (поскольку именно авиация является часто безальтернативным средством решения таких проблем). Причем получаемые решения (о структуре ИАС, составе и типаже группировок ВС, составе инфраструктурных объектов) должны быть близки к оптимальным. В противном случае, невозможно обеспечить создание и функционирование авиационных систем (как правило, весьма дорогостоящих в приобретении и эксплуатации) при жестких бюджетных ограничениях в таких регионах.

В то же время обсуждаемые здесь проблемы значимы не только и не столько для авиации. Сама идея ИАС, в отличие просто от авиационных систем, состоит в совместной оптимизации авиационной «компоненты» и «ответной части» отрасли-«клиента». Но в данном случае, при выполнении комплексных функций жизнеобеспечения, «потребителем» становятся сами районы ОТДМР, муниципалитеты и т.п. Развитие интегрированных авиационных систем жизнеобеспечения в ОТДМР способно оказать наибольшее благотворное влияние на социально-экономическое развитие этих регионов, если сама их пространственная организация будет изменяться с учетом возможностей авиации, транспортных и др.

Рациональное размещение аэродромной инфраструктуры, рациональное распределение задач между воздушными судами различных типов может оказать влияние на расселение, размещение производительных сил в регионе, размещение и состав учреждений здравоохранения, образования и т.д., даже на административно-территориальное деление. В принципе, такие эффекты не новы - возможности транспорта издавна оказывали существенное влияние на пространственную организацию общества, экономики, государства. Но современные средства математического моделирования позволяют быстрее найти рациональные решения в этой сфере, поскольку метод проб и ошибок при этом оказывается неприемлемо дорогостоящим и рискованным.

Список литературы

авиационный моделирование жизнеобеспечение

1.Клочков В.В., Никитова А.К. Методы прогнозирования спроса на беспилотные летательные аппараты и работы по воздушному патрулированию // Проблемы прогнозирования. - М., 2007. - № 6. - С. 144-151.

2.Комплексная научно-техническая программа полного инновационного цикла «Умная территория»: доклад на заседании Совета по приоритету Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации «Связанность территории РФ…» 27 мая 2019 г.

3.Стратегия научно-технологического развития Российской Федерации. Принята Указом Президента РФ № 642 от 01 декабря 2016 г.

4.Таха Х. Введение в исследование операций. - М.: Вильямс, 2001. - 912 с.

5.GroЯe C. Airports as Critical Infrastructure: The Role of the Transportation-by-Air System for Regional Development and Crisis Management // 2019 IEEE International Conference on Industrial Engineering and Engineering Management (IEEM), Macao. - Macao, 2019. - P. 440-444. doi: 10.1109/IEEM44572.2019.8978905.

Размещено на Allbest.ru