Математическое моделирование процессов развития пожара и пожаротушения в условиях ограниченности сил и средств

Актуальность диссертационного исследования. На фоне внедрения в обучающий процесс в пожарных учебных заведениях компьютерной техники, а также внедрения компьютерной техники в рабочий процесс в управленческих структурах и в оперативных подразделениях пожарной охраны, особую актуальность приобретает создание специализированного программного обеспечения, предназначенного для тренировки различных специалистов. Это программное обеспечение предназначено для развития навыков исполнителями и управленцами, для анализа и прогнозирования боевых действий по ликвидации пожара. Создание такого программного обеспечения должно базироваться на математических моделях, описывающих те явления, которые необходимо симулировать в программах-тренажерах. Речь идет о комплексных моделях, включающих в себя физические и химические явления горения, тушения, дымообразования и т. д. и тактические процессы по ликвидации пожара.

Методы математического моделирования широко используются в пожарном деле. Существует несколько классов математических моделей, описывающих изменение во времени и распространение опасных факторов пожара. Каждый из этих классов содержит десятки или сотни моделей, обладающих теми или иными (концептуальными или численными) преимуществами и недостатками. Существуют также модели, относящиеся к планированию боевых действий, учету сил и средств и определению возможности или невозможности решения заданных боевых задач. Однако количество моделей, учитывающих тактику боевых действий по ликвидации пожара значительно меньше.

Проблема становится еще более интересной, если принять во внимание существование на рынке компьютерных игр, симулирующих работу пожарных по ликвидации пожара и его последствий. Некоторые из этих игр, по б признанию практиков, являются правдоподобными имитациями происходящих в натуре событий. Конечно же, эти игры используют некоторые комплексные модели, которые, однако, не появляются на страницах научных журналов и не обсуждаются специалистами по пожарному делу.

Цель работы состоит в построении комплексной математической модели процессов развития пожара и пожаротушения в условиях ограниченности сил и средств и разработке на основе этой модели программного обеспечения для тренировки сотрудников ГПС МЧС России, анализа произошедших пожаров и прогнозирования необходимых действий по ликвидации предполагаемого пожара.

Научные задачи данной работы:

1) анализ существующих математических моделей, относящихся к распространению пожара, тушению пожара и боевым действиям по его ликвидации;

2) выбор подходящих частных моделей, отражающих конкретные процессы в создаваемой комплексной модели, определение области их применимости, их достоинств и недостатков;

3) создание новых частных моделей и определение области их применимости, их достоинств и недостатков;

4) разработка новой комплексной математической модели процессов развития пожара и пожаротушения в условиях ограниченности сил и средств, сочетающей в себе частные модели явлений;

5) анализ существующих алгоритмов, реализующих частные модели;

6) разработка новых алгоритмов, реализующих частные модели;

7) создание программного обеспечения — симулятора боевых действий по пожаротушению;

8) апробация модели, алгоритмов и программы.

Объектом исследования в данной работе являются программы-симуляторы процессов пожаротушения и программы-тренажеры, предназначенные для развития навыков у руководителей тушения пожаров (РТП).

Предметом исследования являются математические модели и алгоритмы, применимые для создания программ-симуляторов процессов пожаротушения и программ-тренажеров для РТП.

Методы исследования:

• изучение литературных источников по моделированию пожаров и тактике боевых действий по ликвидации пожаров;

• анализ существующих частных моделей физических и химических явлений распространения пожара и пожаротушения и тактики боевых действий;

• применение общих принципов методов математического моделирования для создания частных моделей;

• применение общих принципов методов математического моделирования для построения комплексной модели;

• изучение литературных источников по алгоритмам, реализующим математические модели;

• разработка алгоритмов с применением общих принципов разработки алгоритмов.

• стандартные методы разработки программного обеспечения на платформе Java®;

• стандартные методы тестирования программного обеспечения;

• методы верификации моделей и программного обеспечения с помощью сравнения результатов прохождения тестовых задач с результатами полученными другими методами, принятыми в науке и технике.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1) комплексная математическая модель процессов развития пожара и пожаротушения в условиях ограниченности сил и средств, включающая модель распространения фронта пожара по принципу Гюйгенса, учитывающую разрушение строительных конструкций и модель тушения концентрическими кольцами;

2) алгоритм распространения фронта пожара и разрушения стен, реализующий предлагаемую модель распространения пожара и разрушения стен;

3) алгоритм тушения пожара, реализующий предлагаемую модель тушения концентрическими кольцами;

4) компьютерная программа для симуляции процессов развития пожара и пожаротушения в условиях ограниченности сил и средств.

Новизна диссертационного исследования заключается в следующем:

1) комплексная математическая модель объединяет в себе физические процессы развития пожара и пожаротушения, а также тактические действия по ликвидации пожара;

2) принцип Гюйгенса, обычно применяемый при моделировании лесных пожаров, был применен для моделирования распространения пожара в по. мещении;

3) создана модель тушения концентрическими кольцами;

4) создан алгоритм распространения фронта пожара и разрушения стен, реализующий предлагаемую модель распространения пожара и разрушения стен;

5) создан алгоритм тушения пожара, реализующий предлагаемую модель тушения концентрическими кольцами;

6) создана компьютерная программа для симуляции процессов развития пожара и пожаротушения в условиях ограниченности сил и средств.

Достоверность научных результатов обеспечивается верификацией предлагаемой математической модели посредством сравнения результатов прохождения тестовых задач с результатами полученными другими методами, принятыми в науке и технике.

Теоретическая значимость диссертационной работы обуславливается потребностью науки о пожаротушении в создании комплексных моделей для имитации физических, химических и тактических процессов развития пожара и пожаротушения.

Практическая значимость состоит в возможности использования предлагаемой модели для создания программ-симуляторов процессов развития и тушения пожара, учитывающих тактику боевых действий пожарных подразделений, программ-тренажеров для обучения тактическим навыкам руководителей тушения пожара и иных руководящих работников и исполнителей. Программы, построенные на основе данной модели, могут быть использованы для анализа проведенных боевых действий по ликвидации реального пожара.

Созданная в рамках диссертационного исследования на основе предлагаемой математической модели программа XFireBrigade используется в образовательном процессе в Санкт-Петербургском университете Государственной противопожарной службы МЧС России.

Апробация исследования. Научные результаты, полученные в диссертационном исследовании, докладывались, обсуждались и были одобрены на заседании кафедры организации пожаротушения и проведения аварийно-спасательных работ Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России, а также на научно-практических конференциях:

• III Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы обеспечения взрывобезопасности и противодействия терроризму», Санкт-Петербург, 20−21 мая 2008 года;

• VIII Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций», 8−10 октября 2008 года;

• Международной научно-практической конференции «Подготовка кадров в системе предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций», 6 ноября 2008 года.

Публикации. По материалам диссертационной работы имеется пять печатных публикаций, в том числе статья в журнале, рекомендованном ВАК РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из списка аббревиатур, введения, пяти глав, заключения, перечня использованных источников (101 наименование) и приложений, содержит 185 страниц текста, в том числе 88 рисунков и 20 таблиц.

Выводы по главе 4.

В этой главе описывается созданная в рамках настоящего диссертационного исследования компьютерная программа-тренажер для подготовки РТП. Описание программы предваряется анализом существующего в России и за рубежом программного обеспечения, используемого для тренировки пожарных. После описания модулей программы-тренажера дается пример работы с ней.

Компьютерная программа созданная на основе предлагаемой в данной работе математической модели предназначена для развития навыков принятия правильных управленческих решений должностными лицами при организации пожаротушения. Программа реализована на языке программирования Java" в виде четырех модулей исполненных в виде jar-файлов, исполняемых на Java-машине. Модуль установок предназначен для осуществления основных установок программы: используемого языка и длительности одной секунды условного времени. Модуль начальных данных предназначен для загрузки всех начальных данных модели, включая векторные данные: план помещения, план начальных очагов пожара и план ограничений для распространения пожара. Модуль тестирования непосредственно используется для тестирования или обучения. Модуль анализа результатов позволяет визуализировать графики и изучить статистику работы испытуемого (обучаемого) по тушению условного пожара.

При создании программы XFireBrigade было принято решение осуществлять визуализацию в модуле тестирования в виде 2D графики. Такой подход позволяет ограничиться в качестве начальных данных двухмерными векторными планами. В случае использования 3D графики пришлось бы задавать помещение также в виде трехмерной модели, что сильно осложнило бы работу преподавателя (проверяющего) по подготовке начальных данных. Кроме того, примененный подход больше соответствует традиционному способу черчения тактических схем. Использование Java® технологии делает программу кросплатформенной, что позволит работать под управлением любой операционной системы, для которой существует Java-машина.

В модуле тестирования используется многопоточная технология, которая позволяет избежать блокирования пользовательского интерфейса во время сложных вычислений распространения пожара.

Предварительные испытания получившейся программы показали, что программа экономно расходует машинные ресурсы, не вызывая «зависания» или «затормаживания» работы операционной системы. Также программа показала качественно правильное поведение. Окончательное тестирование алгоритмов и программы описывается в главе 5.

Глава 5. Апробация научных результатов, полученных в диссертационном исследовании.

5.1. Апробация модели.

Апробация модели производилась прежде всего в ходе обсуждения ее на кафедре Организации пожаротушения и проведения аварийно-спасательных работ Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России, а также на научно-практических конференциях (см.

Введение

). Комплексные модели, учитывающие физические процессы развития пожара и тактические процессы боевых действий пожарных подразделений по ликвидации пожара являются очень малоизученной областью. В связи с чем, отсутствуют общепринятые методы апробации таких моделей. Поэтому, прежде всего, интересовались поведением модели в частных, известных в пожарной тактике случаях.

Принцип Гюйгенса, обычно применяемый при моделировании лесных пожаров, применен в нашей модели к пожару в помещении. Фронты пожара, построенные по этому принципу для тривиальных форм очагов пожара (круговой, прямоугольной, угловой), соответствуют фронтам пожара, построенным принятым в пожарной тактике способом (см. рис. 5.1). Стенки помещения (и иные строительные конструкции), являющиеся в предлагаемой модели площадными объектами в плане, прогорающими под воздействием фронта пожара ведут себя с точки зрения создания преграды распространению пожара аналогичным образом тому, как если бы мы рассматривали их согласно [19] как объекты, имеющие предел огнестойкости, зависящий от времени наступления одного из трех предельных состояний. Тушение, входящее в нашу комплексную модель также соответствует принятым в пожарной тактике представлениям и подчиняется количественным закономерностям, связывающим требуемую интенсивность подачиогнетушащего вещества, площадь тушения и другие величины. Учет тактических процессов в предлагаемой модели непосредственно опирается на качественные и количественные нормы пожарной тактики, и речь идет лишь о формализации этих процессов в виде системы взаимодействующих конечных автоматов. Проверка того, насколько эта формализация выполнена удачно, выполнялась посредством изучения адекватности поведения модели в целом. Окончательная апробация модели осуществлялась (совместно с окончательной апробацией алгоритмов и программного обеспечения) при тестировании компьютерной программы на специальных примерах и сравнении результатов, получаемых в программе с результатами, полученными классическими методами расчета, принятыми в пожарной тактике. Ш.

Рис. 5.1. Формы развития пожара как частные случаи распространения фронта пожара по принципу Гюйгенса а) — круговая, б) и в) — прямоугольные, г) и д) — угловые.

В целом модель оказалась свободной от внутренних противоречий, показывая правильное поведение на тривиальных классических примерах и качественно правдоподобное поведение на нетривиальных примерах, не поддающихся расчету классическими методами. Предлагаемая модель является, таким образом, расширением известных принципов и формул на эти нетривиальные случаи. Уровень абстрактности модели достаточно высок. Так например, пожар может быть любым множеством многоугольников с ненарушенной топологией (отсутствием самои взаимопересечений, ненулевой площадью и т. д.), строительные конструкции также могут являться любым множеством многоугольников с теми же ограничениями. При исследовании модели не было выявлено каких-либо особенностей, затрудняющих решение задачи в каких-либо случаях.

Окончательная апробация модели осуществлялась на этапе апробации созданного на ее основе программного обеспечения.

5.2. Апробация алгоритмов.

5.2.1. Алгоритм распространения фронта пожара и разрушения стен.

Для качественной и количественной апробации алгоритма распространения фронта пожара использовался план гипотетического помещения, изображенного на рис. 5.2. Наружные размеры помещения: 40 м х 20 м. Это помещение имело одну стенку (толщиной 2 м). Начальных областей пожара было три. Распространение фронта пожара изучалось на трех скоростях: 0,2, 1,0 и 5,0 м/с. На рисунке изображены положение фронтов пожара через равные промежутки времени (305 с) при заданной скорости распространения пожара — 0,2 м/с. Эти фронты пожара были получены посредством векторизации графических файлов, создаваемых в процессе работы программы. Вид этих ломаных позволяет предположить качественную правильность работы алгоритма распространения фронта пожара.

Рис. 5.2, Апробация алгоритма распространения фронта пожара по принципу Гюйгенса.

Для количественной апробации алгоритма были измерены расстояния между двумя противоположными фронтами прямоугольного начального источника пожара в два разных момента времени для каждой из трех изучаемых скоростей. Результаты вычисленных таким образом скоростей и относительные ошибки этих скоростей приведены в табл. 5.1. Полученные данные позволяют сделать вывод об удовлетворительной точности (ошибка < 6%) работы алгоритма.

Заключение

.

В настоящей диссертационной работе была решена поставленная на исследования задача и достигнута цель работы.

1. После анализа литературных источников и существующего программного обеспечения, а также после апробации первых версий программного обеспечения, построенных на основе предварительных моделей, возникло понимание того, каким требованием должна удовлетворять комплексная математическая модель процессов развития пожара и пожаротушения в условиях ограниченности сил и средств и построенное на основе этой модели программное обеспечение для тренировки руководителей тушения пожаров. Были выделены основные части комплексной модели и сформулированы требования к этим частям, а также описано взаимодействие между ними.

2. Комплексная модель создавалась таким образом, чтобы любая из частных моделей могла быть заменена на другую (более точную, или обладающую какими-либо другими положительными качествами) без изменения правил взаимодействия между моделями и необходимости изменения других моделей.

3. Были созданы все необходимые частные модели, проведен анализ их применимости и произведено сравнение с существующими подобными моделями. Для каждой частной модели были сделаны выводы об отсутствии особенностей этой модели, затрудняющих ее использование в каких-либо конкретных ситуациях и удовлетворительной точности описания моделируемого явления для целей данной работы.

4. Для реализации частных моделей и их взаимодействия в комплексной модели были созданы новые или подобраны существующие алгоритмы. Алгоритмы были протестированы и, для каждого из них был поставлен численный эксперимент для оценки точности и устойчивости. Все алгоритмы показали удовлетворительную для целей создания программы-симулятора точность и устойчивость, имеющую место вне зависимости от набора исходных данных. Каждый алгоритм также может быть заменен другим без изменения частных моделей, комплексной модели или существенного изменения других алгоритмов.

5. Всего в данной работе было создано два новых алгоритма. Первый алгоритм реализует модель распространения фронта пожара и модель прогорания (обрушения) стен. Второй алгоритм реализует модель тушения пожара.

6. На основе комплексной модели и алгоритмов было создано программное обеспечение — программа-симулятор пожаротушения в режиме реального времени. Программа была протестирована стандартными методами тестирования программного обеспечения и апробирована на специальных примерах, которые могут быть решены классическими методами. Апробация показала удовлетворительное качество моделирования процессов пожаротушения и соответствие классическим методам пожарной тактики.

Комплексная математическая модель, модели распространения и тушения, разработанные алгоритмы и созданное программное обеспечение выносятся на защиту.