автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математическое моделирование процессов развития пожара и пожаротушения в условиях ограниченности сил и средств

На правах рукописи

003461660

РЛЗЛИВЛНОВ ИГОРЬ НИКОЛАЕВИЧ

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАЗВИТИЯ ПОЖАРА И ПОЖАРОТУШЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ОГРАНИЧЕННОСТИ

СИЛ И СРЕДСТВ

05.13.18 - математическое моделирование, численные методы и комплексы программ (технические науки)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5

Санкт-Петербург - 2009

003461660

Работа выполнена в Санкт-Петербургском университете Государственной противопожарной службы МЧС России.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Малыгин Игорь Геннадьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, заслуженный работник высшей школы РФ Куватов Валерий Ильич;

кандидат технических наук Бахарев Сергей Петрович

Ведущая организация:

Военная академия связи им. С.М. Буденного

Защита состоится 26 февраля 2009 года в «_ >в на заседании совета по

защите докторских и кандидатских диссертаций Д 205.003.04 при Санкт-Петербургском университете ГПС МЧС России (196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, дом 149).

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России.

Автореферат разослан « / Ы января 2009 г.

Ученый секретарь / /

диссертационного совета Д 205.003.04, / [Ty^i^"^

кандидат технических наук, доцент / / A.C. Смирнов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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, ды-мообразования 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 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 помещении;

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 использован-

ных источников (101 наименование) и приложений, содержит 185 страниц текста, в том числе 88 рисунков и 20 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, сформулирована цель работы, перечислены научные задачи, указаны объект и предмет исследования, методы исследования, основные положения, выносимые на защиту, способы достижения достоверности научных результатов, раскрыта теоретическая и практическая значимости, способы апробации исследования.

В главе 1 приведен обзор и анализ существующих математических моделей процессов развития пожара и пожаротушения, а также математических моделей боевых действий пожарных подразделений по тушению пожаров. Очерчен круг общих проблем математического моделирования развития и тушения пожаров и осуществлена постановка задачи на исследование.

Наиболее подробный обзор сделан для моделей распространения фронта пожара, как одной из самых важных частей создаваемой в рамках данного диссертационного исследования комплексной модели (см. главу 2).

Ощущается недостаток математических моделей боевых действий пожарных подразделений по тушению пожаров (относящихся к другой важной части создаваемой комплексной модели). Эта ситуация имеет место как в России так и за рубежом. Такое положение вещей связано с отсутствием должного интереса к созданию симуляторов реального времени и комплексных систем для проведения учений с привлечением многих служб, а также со сложностью формализации и моделирования тактических процессов. Поэтому в данной диссертационной работе формализация тактических процессов и создание частной модели тактики (входящей в комплексную модель) производились самостоятельно, без существенной опоры на другие работы.

Единая научная концепция создания комплексных математических моделей борьбы с пожаром с помощью конкретно заданных сил и средств отсутствует на данный момент. В связи с этим при построении комплексной модели в этой работе были применены общие принципы математического моделирования.

Изучение алгоритмов, реализующих математические модели, приведенные в этой главе, и множества других алгоритмов позволило составить базу знаний, необходимую для создания новых алгоритмов, предлагаемых в главе 3.

В главе 2 описывается созданная в данной диссертационной работе комплексная математическая модель, каждая из составляющих ее частных моделей, взаимодействие этих частных моделей, а также допустимые входные и рассчитываемые с помощью модели выходные величины.

В общем описании модели дается схема комплексной модели, в которой выделены ее основные части и описаны основные требования, предъявляемые к этим частям (см. рис. 1):

1) Модель распространения пожара. Эта модель должна быть выбрана из множества существующих моделей этого типа или создана специально для данной комплексной модели. Задача модели распространения пожара - предсказывать распространение пожара с точностью и наглядностью, необходимыми для достижения целей, с которыми создается симулятор.

2) Модель тушения. Эта модель также должна быть выбрана среди существующих или создана эксклюзивно. Данная модель должна с необходимой для целей построения симулятора точностью и наглядностью качественно и количественно отражать процесс тушения.

3) Формализованные тактические объекты. Все участвующие в процессе ликвидации пожара силы и средства должны быть представлены в виде формализованных тактических объектов. В качестве таких объектов могут быть выбраны: пожарные автомобили, бойцы-газодымозащитники, элементы спецсредств и инвентаря и т. д. Сам процесс выбора множества тактических объектов представляет собой сложную задачу. Правильность решения этой задачи определяется качеством, с которым достигаются цели, поставленные перед создаваемым симулятором.

4)Другие модели явлений. Модели распространения пожара и тушения являются необходимыми для создания симулятора пожаротушения. Однако, в комплексную модель могут быть введены и другие модели физических и тактических явлений. Например, можно учесть разрушение строительных конструкций, гидравлику системы: водоисточник - пожарная автоцистерна (АД) -магистральная линия - разветвление - рабочая линия - ствол и множество других явлений.

5) Взаимодействие пожара, тушения и тактики. Перечисленные выше модели и тактические объекты должны взаимодействовать между собой по определенным правилам. Выбор этих правил также представляет собой сложную задачу, качество решения которой определяется качеством достижения целей построения симулятора.

6) Регистрируемая информация. Среди всего множества величин, фигурирующих в комплексной модели, необходимо выбрать набор величин для регистрации с целью последующего изучения эффективности действий по ликвидации пожара.

7) Критерии оценки. На основе регистрируемой в процессе симуляции информации должно приниматься решение о правильности и эффективности решения боевых задач по ликвидации пожара с помощью симулятора. Для принятия такого решения могут создаваться формальные численные критерии, являющиеся функциями или операторами на пространстве регистрируемых величин.

Рис. 1. Структура комплексной математической модели

В частной модели распространения фронта пожара было решено применить принцип Гюйгенса (рис. 2). Этот принцип особенно часто применяется при моделировании лесных пожаров. В данной работе принцип Гюйгенса применен для моделирования распространения пожара в помещении. Такой подход позволил удовлетворить классическим нормам пожарной тактики, принятым в Российской Федерации. Далее водятся частные модели: прогорания (обрушения) стен, тушения пожара, образования и распространения дыма на пожаре.

и/

лЛ

Рис. 2. Принцип Гюйгенса

Каждая точка пожара является источником кругового распространения пожара с заданной скоростью. Новый фронт пожара через небольшой промежуток времени А/ является огибающей окружностей радиуса у-ДI, построенных из каждой точки старого фронта. Где V - линейная скорость распространения фронта пожара (зависящая от типа объекта и времени, прошедшем с начала пожара).

Подвергнуты анализу входные и выходные (рассчитываемые с помощью модели) величины. На рис. 3 приведена схема взаимодействия физических и тактических объектов в созданной комплексной математической модели с шестью тактическими объектами.

С"" Н ""&

-' Патрубок АЦ

Ствол ) ; /V (напорный)

МРЛ

Рис. 3. Схема взаимодействия физических и тактических объектов

Особенное внимание в данной работе уделялось частной модели боевых действий по тушению пожара. Основой создания такой модели является удачная формализация тактических явлений, имеющих место на пожаре. В данной работе выделяются шесть тактических объектов: Пожарная автоцистерна

(АЦ), Гидрант, Патрубок АЦ, Магистральная рукавная линия, Ствол и Боец-газодымозащитник. Для этих объектов описываются их состояния, действия и задаваемые для них параметры (см. табл. 1).

Таблица 1

Управляемые тактические объекты, участвующие в ликвидации пожара

Тактический объект Состояние Действие Новое состояние

пожарная автоцистерна (5 шт.) неподвижна двигаться на гидрант движется на гидрант

движется на гидрант [время] на гидранте

стоп неподвижна

на гидранте

гидрант (5 шт.) свободен

занят

патрубок АЦ (2 шт. на АЦ) свободен развернуть МРЛ развертывается МРЛ

развертывается МРЛ |время1 занят

стоп свободен

занят

магистральная рукавная линия (1 шт. на каждый патрубок) простаивает подать ствол подается ствол

переместить перемещается

подается ствол [время! простаивает

стоп простаивает

перемещается [время! простаивает

стоп простаивает

Ствол (до 3 шт. на каждое разветвление) простаивает тушить тушит

переместить перемещается

перемещается [время! простаивает

стоп простаивает

тушит стоп простаивает

боец-газоды-мозащитник (5 чел. на АЦ) простаивает

занят

Основные формулы модели

Дифференциальному уравнению:

я-НИ (О

удовлетворяет кривая, являющаяся фронтом пожара, распространяющегося по принципу Гюйгенса:

<р(х,у,0 = 0. (2)

Начальный фронт является множеством точек, для которых <р(х, у, 0) = 0. При этом <р отрицательна внутри области пожара и положительна снаружи.

В модели развития пожара для частных случаев остаются справедливыми стандартные формулы пожарной тактики: для кругового пожара:

5„ = к(5Уд+Улх2)2, (3)

для прямоугольного пожара:

8„ = па(5Ул+У^2, (4)

для углового пожара:

8п=а/ЪШ0-ж(5У,, + Уят1)г. (5)

Требуемый расход огнетушащего вещества на тушение равен (л/с):

Qmpeб ~ * треб > (6)

где Бт - площадь тушения, м2,

¿треб" ~ требуемая интенсивность подачи огнетушащего вещества на тушение, л-с"'м"2.

Количество стволов, требуемое для тушения пожара:

Nст ~ {2трсб ст' (7)

Фактический расход огнетушащего вещества на тушение равен (л/с):

Qфaкm ~ факт ' Чет,

(8)

где Мст факт™ ~ фактическое число стволов, поданных на тушение. Расчетное (нормативное) время тушения пожара {тр) - это оптимально установленный период непосредственного тушения при заданной интенсивности подачи огнетушащего средства без учета времени дотушивания. 1¥тре6т - требуемое количество огнетушащего вещества (в литрах), которое необходимо подать из ствола для тушения 1 м2 пожара:

Мтре6т=Зтребт-хр-60. (9)

Величина 1¥фактт - есть фактическое количество огнетушащего вещества (в литрах), поданное из ствола для тушения 1 м2 пожара:

^факт ^факт Тфакт О^факт ^ ^т факт Тфакт 60 ^ст. факт Чет ^

факт ' 1факт ' 60,

(10)

где 5т факт - фактическая площадь тушения - площадь, на которую подается огнетушащее вещество;

Цакт ~ фактическое время тушения.

Для расчета площади тушения используется приближенная формула: $т=Фп'К, (11)

где Ф„ - фронт пожара, /гт - глубина тушения стволом. Ошибочная площадь, возникающая из-за использования формулы (11):

5ошибка = О'^т , (12)

где а - коэффициент, зависящий от формы площади пожара.

Создание препятствия для распространения пожара на площади, на которую подавалось ОТВ выражается временем, в течение которого необходимо подавать ОТВ, чтобы эта площадь стала недоступной для распространения пожара (т,1едаСтуп), и функциональной зависимостью времени подсушивания пожаром площади объекта:

Тподсуш ~ Р(тпоцачи) (13)

при т„одсуш < тнедоступ- В данной работе принята линейная зависимость: ^подсуш ~~ @ ' "^подачи (14)

Формула для расчета изменения количества воды в цистерне номер к за один шаг по времени:

А Коды* = ~ ОфакпГ к ' ЛТ = - Л^т фаК^ * • Цст • Ат , (15)

где индекс к обозначает, что соответствующая величина рассчитывается для стволов, связанных с цистерной номер к.

Детерминированным конечным автоматом называется произвольная пятерка <Q,Z,51s,F>, такая что <2 (множество состояний автомата) и £ (алфавит автомата) - конечные множества, 5 6 б (начальное состояние автомата), ^ — в (множество конечных состояний автомата), ¿:() *£—>() - функция из в () (функция переходов).

Рис. 4. Граф конечного автомата ствола

В главе 3 приводится описание алгоритмов, примененных для реализации комплексной модели, описанной в главе 2. Для этих алгоритмов приводится предварительный анализ их устойчивости и точности (окончательный анализ устойчивости и точности алгоритмов производится на этапе их апробации в численных экспериментах, приведенных в главе 5). Также дается описание выявленных особенностей предлагаемых алгоритмов. Описание конечных автоматов тактических объектов предоставляется в двух видах: таблицы переходов и графы.

Алгоритм распространения фронта пожара и разрушения стен был разработан специально для реализации комплексной модели в рамках настоящего диссертационного исследования. Предлагаемый алгоритм учитывает и распро-

странение фронта пожара и эффект прогорания (разрушения стен) в едином коде, т. е. является комбинированным алгоритмом для реализации сразу двух частных моделей. Перед описанием этого алгоритма дается обзор существующих алгоритмов, реализующих принцип Гюйгенса и анализ их особенностей.

Алгоритм тушения пожара также был разработан специально для реализации предлагаемой комплексной модели. Его описание и анализ приводятся в этой главе. В основе алгоритма лежит принцип тушения концентрическими кольцами. В этот алгоритм последовательно добавляются учет наличия стен и учет фактора затрудненности распространения пожара по территории, на которую подавалось огнетушащее вещество. В алгоритме тушения используются алгоритмы Брезенхема для построения окружности и отрезка.

Алгоритм боевых действий - это реализация частной модели с помощью конечных автоматов. Для каждого конечного автомата приведено его описание. В качестве способа реализации выбрана «SWITCH-технология».

Также описаны следующие алгоритмы: алгоритмы расчета площади и фронта пожара, алгоритм расчета требуемого расхода огнетушащих средств и алгоритм взаимодействия тактических объектов между собой и с физическими объектами.

В главе 4 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-фэйлов, исполняемых на Java-машине. Модуль установок предназначен для осуществления основных установок программы: используемого языка и длительности одной секунды условного времени (см. рис. 5). 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 (рис. 6). Модуль тестирования непосредственно используется для тестирования или обучения (рис. 7). Модуль анализа результатов позволя-

ет визуализировать графики и изучить статистику работы испытуемого (обучаемого) по тушению условного пожара (рис. 8 - 11).

Рис. 5. Модуль установок

В программе моделируется следующие процессы:

• процесс распространения фронта пожара (скорость задается в исходных данных программы);

• разрушение строительных конструкций (потеря их несущих свойств и целостности, а так же теплоизоляционной способности определяется степенью огнестойкости здания).

• процесс тушения пожара огнетушащими веществами;

• расходование огнетушащих средств;

• расходование воздуха в аппарате защиты дыхания;

• занятость в данной боевой операции определенного количества бойцов из всего личного состава;

• наличие водоисточников, позволяющих пополнять запас воды.

Особенностью данной программы является одновременный учет физических и тактических процессов. Ищется ответ на вопрос о возможности или невозможности решения поставленной боевой задачи имеющимися в распоряжении руководителя тушения пожара силами и средствами.

Руководителем учебного процесса задается:

• план помещения;

• очаги пожара;

• план недоступных для пожара площадей;

• наличие и удаленность водоисточников;

• количество и характеристики имеющихся в распоряжении РТП сил и средств;

• скорость распространения огня;

• необходимый расход огнетушащего вещества;

• временные нормативы выполнения тактических операций.

Начальные данные и скорости

Количество пожарных 1

30,0

12

Скорость ДЦ,1Э.|/Ч МРЛ: прокладка, с МРЛ: перемещение, с МРЛ: уборка, с 30

12

,)тре0, л/(мА2 с)|о.Ю

АЦ /объем, л /вода, л Ресурсы Гцдрант 1 расстояние, м

0#1 зесо.о 800.0 □ #1 0.0

0#2 1 200.0 1150.0 0Я2 100.0

□ #3 0.0 0.0 0#3 50.0

□ #4 6000.0 5500.0 0М 200.0

□ #5 0.0 0.0 □ »5 0.0

Скорости

Ствол: подача, с|12

Ствол: перемещение, с Ствол: уборка, с:3 О

12

Ствол: расход, л/с|з,7

_]Ствол: радиус, м| "17 0 Физика

Расчетное время, мин 10.0

Скорость пожара, м/нинИ

Скпрость прогорания, мин/см:0 1 Планы

План

Пожар

Ограничения

ОК

Отмена

Рис. 6. Модуль начальных данных

После остановки работы программы (в случае успеха или по истечении некоторого времени), специальный модуль программы позволяет получить полную статистику действий предпринятых испытуемым:

• график изменения площади пожара;

• график и суммарное количество поданного на тушение огнетушащего вещества;

• график и суммарное время работы личного состава.

На рисунке 7 числами в белых квадратиках обозначено следующее:

1) таймер, показывающий текущее условное время симуляции в условных секундах;

2) кнопка запуска/остановки симуляции;

3) строка сообщений;

4) блок меню, доступные команды для выбранного объекта (18);

5) автоцистерна, установленная на гидрант;

6) автоцистерна неустановленная на гидрант;

7) свободный гидрант;

8) занятый гидрант (гидрант занят АЦ №1);

9) свободный боец;

10) занятый боец;

11) свободный патрубок;

12) к патрубку подключена магистральная линия (МРЛ) с разветвлением;

13) разветвление магистральной рукавной линии, к которому подключена рабочая рукавная линия;

14) ствол, подключенный через рабочую линию (РРЛ) к разветвлению;

15) область, на которой производилось тушение, представляющая собой преграду (возможно непреодолимую) для распространения пожара (величина преграды визуализируется интенсивностью зеленого цвета. Интенсивность зеленого цвета в области 20 соответствует непреодолимой преграде);

16) область пожара;

17) разветвление устанавливается (процесс установки разветвления можно прервать командой «Отменить», поданной для соответствующего патрубка);

18) разветвление выделено (это разветвление является в данный момент активным объектом, команды в меню относятся именно к этому разветвлению);

19) строительная конструкция (стена);

20) область неподверженная горению (ограничения);

21) область подверженная горению;

22) масштабная линейка (Юм между штрихами).

Рис. 7. Модуль тестирования

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 кросс-платформенной, 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.

Резулыаты

<5п Офает ОтреФОфает Бойцы | Стопы Бойци/Ствппы | Нее [ Ста! |

1 2 3 4 5 6 7 В 9 10 11 12 13 14 15 16 17 1В 13 20 Мшу ты

Загрузить

Рис. 8. Модуль анализа результатов (Бп)

ИОтреб ЩОфв*т

Резулыаты

VI ' афакт :! 01рерЦЗФакт ] Ьоии>>| : Стволы I БоццыСтволы ; Все : Стат

9 10 11 12 13 14 15 16 17 13 18 20 ГА1нуты

Загрузть | Закрьмь

Отреб'Офакт

Рис. 9. Модуль анализа результатов ((¡>треб/<3факт)

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.

В главе 5 описывается апробация достигнутых в диссертационном исследовании результатов. Комплексная математическая модель, алгоритмы и компьютерная программа-тренажер апробировались отдельно.

^■■■НК::: I jsi

Результаты

| Sn j Qtfiaia ОтреФРфакт бойцы Ствопы :| пойц|,и'С1воли ( Все [ Стат j

¡ Бойцы/Стволы |

J

г1

г" --гп-п—г

1 2 3 Л 5 6 7 « « 1Q 11 12 13 И 15 1« 11 W 19 20 NiíHy гы

| Загрузить J | Закрыть ^J

Рис. 10. Модуль анализа результатов (Бойцы/Стволы) ИШЕШЯЯШЯШШШВИШШШ!1, -ipixIi

Результаты

¡

Sn Офзл i отребдзфакт Бойцы Стволы ¡ БойцьцОволы Нсч Ста! '

Максимум Sn = 184.09 м"2 Максимум Qipe6 = 17.80 jrfc Максимум Офакт - 18 50 л/с Суммарное ффакт = 19839.40 л

Полное время работы пожарных = 277 человеко-минут Максимум работавших одновременно стволов = 5

Загияшь || Закрьпь_|

Рис. 11. Модуль анализа результатов (Стат)

Апробация модели осуществлялась с помощью ее обсуждения на кафедре и научно-практических конференциях, а также через апробацию созданного на основе этой модели программного обеспечения. Модель оказалась соответствующей основным нормам пожарной тактики (см. рис. 12). Особенности, затрудняющие использование модели в каких-либо частных случаях выявлены не были.

Апробация алгоритмов производилась исследованием работы соответствующих сегментов кода на тестовых исходных данных. Все алгоритмы продемонстрировали устойчивую работу и удовлетворительную точность результа-

тов. Каких либо особенностей алгоритмов выявлено не было. Т. е., алгоритмы применимы к любым наборам данных с небольшими очевидными ограничениями (например, ненарушенная топология площадных объектов начальных очагов пожара и стен, ненулевые скорости и т. д.). Эти ограничения всегда удовлетворяются на наборах данных реальных объектов и пожаров. Таким образом, никаких численных трудностей реализации предлагаемой модели также не было обнаружено.

фронта пожара по принципу Гюйгенса: а) - круговая, б) и в) - прямоугольные, г) и д) - угловые

Апробация программы производилась, тестированием отдельных модулей, их взаимодействия и правильности передачи данных между ними, а также имитацией реальной работы с программой. Все обнаруженные в результате тестирования ошибки и недочеты были устранены. Далее производилось исследование имитации пожара и пожаротушения на четырех тестовых примерах. Результаты сравнивались с результатами, полученными классическими методами. Расхождения оказались допустимыми. Также программа получила положительную экспертную оценку на кафедре организации пожаротушения и проведения аварийно-спасательных работ Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России.

В заключении подводятся итоги диссертационного исследования и перечисляются полученные результаты.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1) После анализа литературных источников и существующего программного обеспечения (ПО), а также после апробации первых версий ПО, постро-

енных 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 ПО для тренировки РТП. 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.

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 ПО - про-грамма-симулятор пожаротушения в режиме реального времени. Программа была протестирована и апробирована на специальных примерах, которые могут быть решены классическими методами.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Малыгин И.Г., Разливанов И.Н., Смирнов A.C. Математическое моделирование процессов развития пожара и пожаротушения в условиях ограни-

ченности сил и средств // Проблемы управления рисками в техносфере, 2008. №4 (0,8/0,3 п.л.)

Сборники трудов всероссийских и международных конференций:

2. Малыгин И.Г., Разливанов И.Н. Комплексная математическая модель процессов развития пожара и пожаротушения с учетом специфики объекта и реального количества сил и средств, привлекаемых для тушения // Проблемы обеспечения взрывобезопасности и противодействия терроризму. Материалы III Всероссийской научно-практической конференции, Санкт-Петербург, 20-21 мая 2008 г. СПб: СПбУ ГПС МЧС России, 2008. (0,2/0,1 п.л.)

3. Разливанов И.Н. Программное обеспечение для тренировки руководителей пожарных подразделений и выполнения расчетов по прогнозированию развития пожара на конкретных объектах // Проблемы обеспечения взрывобезопасности и противодействия терроризму. Материалы III Всероссийской научно-практической конференции, Санкт-Петербург, 20-21 мая 2008 г. СПб: СПбУ ГПС МЧС России, 2008. (0,2 п.л.)

4. Разливанов И.Н. Комплексная модель пожара и пожаротушения в условиях ограниченности сил и средств // Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций. Сборник материалов VIII Всероссийской научно-практической конференции, Санкт-Петербург, 8-10 окт. 2008 г. М.: Центр «Антистихия». 2008. (0,2 п.л.)

5. Разливанов И.Н., Ширинкин П.В. Алгоритмы функционирования автоматизированных рабочих мест тренажерного комплекса для обучения руководителей тушения пожаров // Подготовка кадров в системе предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций. Материалы Международной научно-практической конференции, Санкт-Петербург, 6 нояб. 2008 г. СПб: СПбУ ГПС МЧС России, 2008. (0,2/0,1 п.л.)

Подписано в печать 11.01.2009 г. Формат 60*84 716

Печать цифровая. Объем 1 п.л. Тираж 100 экз.

Отпечатано в Санкт-Петербургском университете ГПС МЧС России 196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, дом 149

Список аббревиатур.

Введение.

Глава 1. Особенности моделирования развития пожаров и пожаротушения.

1.1. Существующие проблемы моделирования развития пожаров и пожаротушения.

1.2. Анализ существующих математических моделей пожаров.

1.3. Анализ существующих математических моделей боевых действий пожарных подразделений по тушению пожаров.

1.4. Постановка задачи на исследование.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Комплексная математическая модель процессов развития пожара и пожаротушения в условиях ограниченности сил и средств.

2.1. Общее описание модели.

2.2. Частные модели явлений.

2.3. Взаимодействие между физическими и тактическими объектами.

2.4. Величины, входящие в модель и статистика.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Алгоритмы.

3.1. Анализ существующих алгоритмов распространения фронта пожара.

3.2. Алгоритм распространения фронта пожара и разрушения стен.

3.3. Алгоритм тушения пожара.

3.4. Описание остальных алгоритмов.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Компьютерная программа для симуляции процессов развития пожара и пожаротушения в условиях ограниченности сил и средств.

4.1. Анализ существующих программ.

4.2. Назначение и принципы работы программы.

4.3. Описание модулей программы.

4.4. Пример работы с программой.

Выводы по главе 4.

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

5.1. Апробация модели.

5.2. Апробация алгоритмов.

5.3. Апробация программы.

Выводы по главе 5.

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 подачи- огнетушащего 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 само- и 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.

1. Боевой устав пожарной охраны (утвержден приказом МВД РФ 257 от 05.07.1995, внесены изменения приказом МВД РФ от 6.05.2000 №477)

2. Временные рекомендации по тушению пожаров в зданиях повышенной этажности. -М.: ВНИИПО, 1986.

3. ГОСТ 8220-85 Гидранты пожарные подземные. Технические условия.

4. Методика определения условий теплового самовозгорания веществ и материалов. М.: ВНИИПО, 2004. - 67 с.

5. Методические рекомендации по изучению пожаров. М.: Министерство российской федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий, 2005.

6. НПБ 152-96 Рукава пожарные напорные. Общие технические требования и методы испытаний.

7. НПБ 164-2001 Техника пожарная. Кислородные изолирующие противогазы (респираторы) для пожарных. Общие технические требования. Методы испытаний.

8. НПБ 165-2001 Техника пожарная. Дыхательные аппараты со сжатым воздухом для пожарных. Общие технические требования. Методы испытаний.

9. НПБ 177-99* Техника пожарная. Стволы пожарные ручные. Общие технические требования. Методы испытаний.

10. НПБ 181-99 Автоцистерны пожарные и их составные части. Выпуск из ремонта. Общие технические требования. Методы испытаний.

11. НПБ 186-99 Техника пожарная. Установки компрессорные для наполнения сжатым воздухом баллонов дыхательных аппаратов для пожарных. Общие технические требования. Методы испытаний.

12. НПБ 190-2000 Техника пожарная. Баллоны для дыхательных аппаратов со сжатым воздухом для пожарных. Общие технические требования. Методы испытаний.

13. НПБ 244-97 Материалы строительные. Декоративно-отделочные и облицовочные материалы. Материалы для покрытия полов. Кровельные, гидроизоляционные и теплоизоляционные материалы. Показатели пожарной опасности.

14. НПБ 309-2002 Техника пожарная. Приборы для проверки дыхательных аппаратов и кислородных изолирующих противогазов (респираторов) пожарных. Общие технические требования. Методы испытаний.

15. НПБ 310-2002 Техника пожарная. Средства индивидуальной защиты органов дыхания пожарных. Классификация.

16. Расчет основных показателей пожаровзрывоопасности веществ и материалов: Руководство. М.: ВНИИПО, 2002. - 77с.

17. Рекомендации об особенностях ведения боевых действий и проведения первоочередных аварийно-спасательных работ, связанных с тушением пожаров на различных объектах. (Утв. ГУ 111С МВД России 02.06.2000 г.)

18. Рекомендации по организации и ведению боевых действий подразделениями пожарной охраны при тушении пожаров на объектах с наличием аварийно химически опасных веществ. (Утв. МЧС РФ 08.12.2003)

19. СНиП 21-01-97 Пожарная безопасность зданий и сооружений.

20. Тактика действий подразделений пожарной охраны в условиях возможного взрыва газовых баллонов в очаге пожара: Рекомендации. М.: ВНИИПО, 2001.

21. Тактика тушения электроустановок, находящихся под напряжением: Рекомендации. М.: ВНИИПО, 1986. - 16 с.1. Литература

22. Абдурагимов И. М., Говоров В. Ю., Макаров В. Е. Физико-химические основы развития и тушения пожаров. Учебное пособие. — М.: Производственно-издательский комбинат ВИНИТИ, 1980. 255 с.

23. Баратов А. Н. Горение Пожар - Взрыв - Безопасность. - М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2003. 364 с.

24. Богданов М. И., Архипов Г. Ф., Мястенков Е. И. Справочник по пожарной технике и тактике. Учебное пособие. СПб.: Управление государственной противопожарной службы Санкт-Петербурга и Ленинградской области МЧС России, 2002. 120 с.

25. Брауэр В. Введение в теорию конечных автоматов. : Пер. с нем. М.: Радио и связь, 1987. - 392 с.

26. Бухтояров Д. В., Кущук В. А., Никонова Е. В., Попов А. В. Установки импульсного пожаротушения //Пожарная безопасность, 2005. №3. С. 53-60.

27. Вентцель Е. С. Введение в исследование операций. М.: Советское радио, 1964.-390 с.

28. Владимиров В. С. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1981.512 с.

29. Джангиев Р. Н. Обоснование числа пожарных депо для города Душанбе Республики Таджикистан // Пожарная безопасность, 2005. №3. С. 81-84.

30. Джангиев Р. Н. Расчет числа основных пожарных автомобилей, необходимых для функционирования военизированных государственных противопожарных служб города Душанбе Республики Таджикистан // Пожарная безопасность, 2005. №3. С. 81-84.

31. До Нгок Канн Обоснование числа пожарных депо для крупнейших городов Вьетнама сценой II Системы безопасности. Тринадцатая научно-техническая конференция СБ-2004, Москва, 28 и 29 окт. 2004 г. http://ipb.mos.ru/konf/2004/sb-2004/secl.html

32. Иванников В. П., Клюс П. П. Справочник руководителя тушения пожара. М.: Стройиздат, 1987. 288 с.

33. Ильин В. В. Классификация локальных пожаров в помещениях и методология их исследования: Некоторые вопросы повышения пожаробезопасно-сти объектов и совершенствования пожарной техники. Сборник научных трудов. СПб.: СПбВПТШ, 1997. - С. 13-21. (98 с.)

34. Коршунов И. В. Математическая модель начальной стадии пожара в театре с колосниковой сценой // Системы безопасности. Материалы пятнадцатой научно-технической конференции СБ-2006, Москва, 26 окт. 2006 г. — М.: Академия ГПС МЧС России, 2006. 289 с.

35. Курант Р., Гильберт Д. Уравнения с частными производными. Методы математической физики. Том II М.: Мир, 1964. 830 с.

36. Малыгин И. Г. Методы принятия решений при разработке сложных пожарно-технических систем. Монография / Под ред. В. С. Артамонова. СПб.: СПбУ ГПС МЧС России, 2007. 288 с.

37. Малыгин И. Г., Разливанов И. Н., Смирнов А. С. Математическое моделирование процессов развития пожара и пожаротушения в условиях ограниченности сил и средств // Проблемы управления рисками в техносфере, 2008. №4

38. Матюшин А. В., Порошин А. А., Матюшин Ю. А. Отечественный опыт нормирования ресурсов оперативных подразделений пожарной охраны и мест их дислокации в населенных пунктах // Пожарная безопасность, 2005. №3. С. 75-80.

39. Матюшин А. В., Порошин А. А., Матюшин Ю. А. Отечественный опыт расчетного обоснования ресурсов оперативных подразделений пожарной охраны и мест их дислокации в населенных пунктах // Пожарная безопасность, 2005. №3. С. 61-74.

40. Моделирование пожаров и взрывов / Под общ. ред. Н. Н. Брушлинско-го и А. Я. Корольченко. М.: Пожнаука, 2000. 482 с.

41. Молчадский И. С. Пожар в помещении. М.: ВНИИПО, 2005. - 456 с.

42. Моторыгин Ю. Д., Ловчиков В. А., Поташев Д. А., Мироньчев А. В. Моделирование процессов развития пожаров с помощью конечных цепей Маркова // Вестник Санкт-Петербургского института Государственной противопожарной службы, 2007. №3-4. С. 143-148.

43. Основы тестирования программного обеспечения: Учебное пособие / В. П. Котляров, Т. П. Коликова М.: Интернет-Университет Информационных Технологий; БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. 285 с.

44. Панов С. А., Таранцев А. А. Комплексная оценка эффективности деятельности оперативных пожарных подразделений // Вестник Санкт-Петербургского института Государственной противопожарной службы, 2007. №3-4. С. 91-97.

45. Повзик Я. С. Пожарная тактика. — М.: ЗАО «Спецтехника», 2004.—416с.

46. Повзик Я. С. Справочник руководителя тушения пожара. М.: ЗАО «Спецтехника», 2000. - 361 с.

47. Подгрушный А. В. Четыре подхода к тактике тушения пожаров // Системы безопасности. Двенадцатая научно-техническая конференция СБ-2003, Москва, 30 окт. 2003 г. http://ipb.mos.rli/konf/2003/sb-2003/sec2.html

48. Подзоров С. Ю. Теория алгоритмов. Полный конспект лекций по курсу. — Новосибирск: НГУ, 2005. 130 с.

49. Пожарная техника: Учеб. для пожарно-техн. училищ. В 2 ч. Ч. 1. По-жарно-техническое оборудование / А. Ф. Иванов, П. П. Алексеев, М. Д. Без-бородько и др. -М.: Стройиздат, 1988. 408 с.

50. Пожарная техника: Учеб. для пожарно-техн. училищ. В 2 ч. Ч. 2. Пожарные автомобили / А. Ф. Иванов, П. П. Алексеев, М. Д. Безбородько и др.; Под ред. А. Ф. Иванова. М.: Стройиздат, 1988. - 286 с.

51. Попов С. М., Киселев Я. С. Экспериментальное исследование тушения вязких нефтепродуктов потоком переувлажненного воздуха // Вестник Санкт-Петербургского института Государственной противопожарной службы, 2007. №3-4. С. 83-90.

52. Попов С. М., Покровский А. С. Гашение пламени вязких нефтепродуктов потоком переувлажненного воздуха // Вестник Санкт-Петербургского института Государственной противопожарной службы, 2007. №2. С. 66-70.

53. Пузач С. В. Методы расчета тепломассообмена при пожаре в помещении и их применение при решении практических задач пожаровзрывобезо9пасности. Монография. М.: Академия ГПС МЧС России, 2005. 336 с.

54. Роджерс Д. Алгоритмические основы машинной графики. М.: Мир, 1989.-512 с.

55. Ройтман М. Я. Противопожарное нормирование в строительстве М.: Стройиздат, 1985. - 590 с.

56. Сметанин Ю. В., Тиснек В. Н. Автоматизация расчета вентиляции и дымоудаления метрополитенов // Вестник Санкт-Петербургского института Государственной противопожарной службы, 2007. №1. С. 85-91.

57. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. Учебник для вузов 3-е изд. - М.: Высшая школа, 2001. - 342 с.

58. Справочное пособие водителя пожарного автомобиля. М.: ВНИИПО, 1997.- 126 с.

59. Стили и методы программирования: Курс лекций: учеб. пособие для вузов / Н. Н. Непейвода. М.: Интернет-Университет информ. технологий, 2005. - 320 с.

60. Тамре JI. Введение в тестирование программного обеспечения. : Пер. с англ. — М.: Издательский дом «Вильяме», 2003. — 368 с.

61. Тарасов А. А., Полынько С. В. Оценка погрешности определения расхода воздуха при работе газодымозащитников в аппарате АИР-300 СВ // Вестник Санкт-Петербургского института Государственной противопожарной службы, 2007. №2. С. 84-86.

62. Теребнев В. В. Справочник руководителя тушения пожара. Тактические возможности пожарных подразделений. М.: Пожкнига, 2004. 248 с.

63. Теребнев В. В., Подгрушный А. В. Пожарная тактика. Основы тушения пожара — Екатеринбург: Издательство «Калан», 2008. 512 с.

64. Теребнев В. В., Теребнев А. В., Подгрушный А. В., Грачев В. А. Тактическая подготовка должностных лиц органов управления силами и средствами на пожаре: Учебное пособие. М.: Академия ГПС, 2004. 288 с.

65. Тестирование программного обеспечения. Фундаментальные концепции менеджмента бизнес-приложений: Пер. с англ. / Сэм Канер, Джек Фолк, Енг Кек Нгуен. К.: ДиаСофт, 2001. - 544 с.

66. Хабибулин Р. Ш. Валидность компьютерной модели теплового воздействия очага пожара на резервуар с горючей жидкостью // Интернет-журнал «Технологии техносферной безопасности», Выпуск №1, февраль 2008 г. http://ipb.mos.ru/ttb/2008-l/2008-l.html

67. Хабибулин Р. Ш. Закономерности изменения теплового состояния конструкции автоцистерны при воздействии тепловых потоков очага пожара

68. Интернет-журнал «Технологии техносферной безопасности», Выпуск №2, август 2005 г. http://ipb.mos.ru/ttb/2005-2/2005-2.html

69. Ходаков В. Е., Граб М. В. Применение аппарата математической логики для моделирования распространения лесного пожара, Херсонский государственный технический университет

70. Чуев Ю. В. Исследование операций в военном деле. М., Воениздат, 1970. 256 стр.

71. Шалыто А. А., Туккель Н. И. Switch-технология. Алгоритмизация и программирование задач логического управления // Программирование, 2001. №5. С. 45-62.

72. Шепелюк С. И., Ефремов А. В. Особенности расчета основных параметров развития торфяных пожаров // Вестник Санкт-Петербургского института Государственной противопожарной службы, 2008. №1. С. 59-63.

73. Anderson К. R. Fire growth modelling at multiple scales, Forest Fire Research & Wildland Fire Safety, Viegas (ed.), 2002, Millpress, Rotterdam, ISBN 90-77017-72-0

74. Birk A. M. Engineering Fire Testing and Computer Modelling of Rail Tank-Cars Engulfed in Fires: Literature Review For Transport Dangerous Goods and Transportation Development Centre Transport Canada Kingston, Ontario, Canada, March 2006s

75. CFAST Technical Reference Manual, Natl. Inst. Stand. Technol. Spec. Pub. 1026, 126 pages (December 2005), http://fast.nist.gov/Documents/SP1026.pdf

76. Chang Ch., Banks D., Meroney R. N., Computational Fluid Dynamics Simulation of the Progress of Fire Smoke in Large Space, Building Atria, Tam-kang Journal of Science and Engineering, Vol. 6, No. 3, pp. 151-157 (2003)

77. Dunn A., Milne G. Modelling Wildre Dynamics via Interacting Automata, School of Computer Science & Software Engineering, The University of Western Australia

78. Finney M. A. 1998. FARSITE: Fire Area Simulator—model development and evaluation. Res. Pap. RMRS-RP-4, Ogden,UT: U.S. Department of Agriculture, Forest Service, Rocky Mountain Research Station.

79. Kashef A., Benichou N., Lougheed G., Debs A. Application of CFD techniques for modelling fire tests in road tunnels, CFD 2004, 12th Annual Conference of the Computational Fluid Dynamics Society of Canada, Ottawa, Ontario, May 911, 2004, pp. 288-289

80. Kim H.-C., Lee S.-G., Yang M.-Y. A new offset algorithm for closed 2D lines with Islands // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 29, 2006, pp. 1169-1177

81. Kimmel R., Bruckstein A. M. Shape offsets via level sets // Computer-aided design, Vol. 25, Num. 3, 1993, pp. 154-162

82. Korhonen E. S., Natural Fire Modelling of Large Spaces, master's thesis Department of Civil and Environmental Engineering, Helsinki University of Technology, 2000

83. Kuzmin D., Course: Introduction to Computational Fluid Dynamics, Institute of Applied Mathematics University of Dortmund

84. Lai Y.-L., Shih-ShynWu J., Hung J.-P., Chen J.-H. A simple method for invalid loops removal of planar offset curves // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 27, 2006, pp. 1153-1162

85. Li X., Magill W., Modeling fire spread under environmental influence using a cellular automaton approach, Complexity International, Volume 08, liOl, 2001

86. Liu X.-Z., Yong J.-H.,. Zheng G.-Q, Sun J.-G. An offset algorithm for polyline curves // Computers in Industry, Vol. 58, 2007, pp. 240-254

87. Liyu Т., Chongcheng C., Hongyu H., Kaihui L. Research on HLA-based Forest Fire Fighting Simulation System Key Lab. of Data Mining and Information

88. Sharing of Ministiy of Education (Fuzhou University), Spatial Information Research Center of Fujian, Fuzhou, China

89. Manz H., Xu W., Seymour M., Modelling smoke and fire in a hotel bedroom, Swiss Federal Laboratories for Materials Testing and Research, Section Applied Physics in Building, Duebendorf, Switzerland

90. McCormick R. J., Brandner T. A., Allen T. F. H. Toward a theory of meso-scale wildfire modeling a complex systems approach using artificial neural networks, University of Wisconsin-Madison

91. Mikheev A., Nozik M., Rubinstein J. Computation of Offset Curves by the Huygens Principle // Computer Graphics Forum, Vol. 13, Num. 4, 1994, pp. 249252

92. Parunak H. V. D. MAS Combat Simulation // AAMAS Technology for Military and Security Applications, New York: Springer, 2007.

93. Shiflet A. B. Spreading of Fire, Wofford College, http://wofford-ecs.org/shiflet-fire/index.htm

94. Sullivan A. L., Knight I. K. A hybrid cellular automata/semi-physical model of fire growth, Proceedings of the 7th Asia-Pacific Conference on Complex Systems Cairns Converntion Centre, Cairns, Australia 6-10th December 2004