автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Мультисенсорная система контроля пожарной безопасности летучих компонентов строительных материалов

005048268

На правах рукописи

ЧУЙКОВ АЛЕКСАНДР МИТРОФАНОВИЧ

МУЛЬТИСЕНСОРНАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ЛЕТУЧИХ КОМПОНЕНТОВ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (в строительстве)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 о ЯНВ 2013

Воронеж-2012

005048268

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно-строительного университет»

Научный руководитель: доктор химических наук, доцент

Калач Андрей Владимирович

Официальные оппоненты: Мозговой Николай Васильевич,

доктор технических наук, профессор Воронежский государственный технический университет,

кафедра промышленной экологии и безопасности, заведующий

Архипов Геннадий Федорович,

кандидат технических наук, доцент Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, начальник научно-технического центра

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования Академия государственной противопожарной службы МЧС России, г. Москва

Защита состоится 7 февраля 2013 года в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.02 при Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84, ауд. 3220, тел. (факс): 8(473)271-53-21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Автореферат диссертации размещен на официальном сайте Минобрануки РФ и на официальном сайте Воронежского ГАСУ.

Автореферат разослан 20 декабря 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.И. Колосов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время производство и использование строительных материалов является одной из ведущих отраслей экономики России. Производство этих материалов, как правило, связано с переработкой и синтезом полимерных веществ. Обеспечение пожарной безопасности в этой области является важной и актуальной задачей.

Переход к управлению промышленной безопасностью по критериям приемлемого риска и законодательное требование «постоянно осуществлять прогнозирование вероятности возникновения аварий и катастроф» в отношении каждого опасного производственного комплекса приводят эксплуатирующиеся строительные хозяйства к необходимости оценки пожарной опасности и снижения угрозы возникновения аварийных ситуаций.

Научно обоснованное определение комплекса основных характеристик пожарной опасности строительных материалов на полимерной основе, нормирование их пожаробезопасного применения, прогнозирование поведения в реальных пожарных ситуациях - важные научные и прикладные аспекты общей актуальной проблемы обеспечения пожарной безопасности объектов в промышленном строительстве. Исследованию пожарной опасности полимерных материалов и совершенствованию методов идентификации с целью контроля пожароопасных свойств посвящены работы д.т.н., профессора Б.Б. Серкова, д.т.н., профессора А.Н. Членова, д.т.н., Н.В. Смирнова, к.т.н! Ю.К. Нагановского, к.т.н. C.B. Стебунова.

В настоящее время для обнаружения возгорания применяется целый ряд из-вещателей, действие которых основано на фиксировании опасных факторов пожара, таких как наличие дыма, повышение температуры, открытое пламя и т.д.

Для этих датчиков характерен существенный недостаток: необходимо, чтобы опасные факторы пожара достигли самого извещателя. С момента начала возгорания в помещении до срабатывания системы противопожарной сигнализации существует инерционный промежуток времени при низкой скорости конвективных и диффузионных процессов.

Поэтому важной задачей становится экспрессная оценка и предупреждение пожароопасной ситуации и обеспечение экологической безопасности путем контролирования химического состава воздуха рабочей зоны и своевременное предупреждение персонала об опасности. Кроме того, существующие алгоритмы расчета установки газоанализаторов на местах в не полной мере учитывают совокупное воздействие воздушных потоков и таких факторов, как молекулярная масса газообразных вредных веществ, геометрические размеры помещения, способы организации воздухообмена, возможности взаимодействия выделяющихся летучих веществ в результате переработки или эксплуатации строительных материалов на полимерной основе.

Таким образом, актуальной задачей обеспечения пожарной безопасности является разработка экспрессных методов анализа, позволяющих в режиме реального времени оценить качество воздуха помещений с целью своевременного

обнаружения токсических веществ, продуктов деструкции, горения и принятия решения о его пригодности для безопасной эксплуатации строительных материалов и конструкций. В связи с этим в диссертационной работе предложена методология повышения качества контроля продуктов разложения и миграции токсичных веществ в закрытом помещении при производстве и эксплуатации строительных материалов посредством мониторинга газовоздушной среды в режиме реального времени с помощью интеллектуальной системы сенсоров.

Объект исследования - мультисенсорный газоанализатор летучих компонентов, выделяющихся при производстве и эксплуатации строительных материалов.

Предмет исследования - физико-химические процессы, происходящие в строительных материалах на полимерной основе в процессе их производства и эксплуатации в помещениях при их деструкции под воздействием высокой температуры.

Целью диссертационной работы является разработка мультисенсорной системы контроля и оценки уровня токсичности воздушной среды при производстве и эксплуатации строительных полимерных композитов различной структуры, способных привести к изменению пожароопасной обстановки на объекте.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— разработать математическую модель обработки информации искусственными нейронными сетями с целью повышения пожарной безопасности зданий и помещений;

— разработать систему интеллектуального контроля летучих токсичных веществ с использованием мультисенсорного газоанализатора;

— разработать алгоритм оптимизации параметров нейронной модели для анализа воздушной среды при производстве и эксплуатации строительных отделочных материалов;

— разработать методологию экспресс-анализа летучих веществ, выделяющихся в процессе производства и эксплуатации строительных полимерных композитов, с применением химических сенсоров из полимерных материалов.

Научная новизна работы:

— предложена модульная система для комплексной оценки текущего состояния газовоздушной среды зданий и помещений, по показателям (быстродействию, количеству определяемых компонентов, малогабаритности) отличающаяся от существующих аналогов;

— предложен методический подход к контролю и диагностике материалов, основанный на комплексном анализе летучих токсичных компонентов, выделяющихся при производстве и эксплуатации строительных материалов;

— разработаны алгоритмы и пакет программ для комплексного анализа летучих смесей токсичных компонентов с помощью мультисенсорного газоанализатора, позволяющие принимать решения в условиях неполноты и

противоречивости данных и в реальном времени, что повышает пожаровзрыво-безопасность контролируемых помещений;

— создан оригинальный комплекс программ для обеспечения функционирования газоанализатора, обработки информации, отличающийся от известных систем использованием аппарата нечеткой логики и возможностью принятия решений в режиме онлайн.

Практическая значимость работы. Разработана схема функционирования интеллектуального газоанализатора, позволяющая обеспечить пожаровзры-вобезопасность промышленных предприятий по производству строительных материалов на полимерной основе. Создан действующий макет (прототип) мультисенсорного газоанализатора для контроля и оценки безопасности производства и эксплуатации строительных материалов.

Достоверность полученных результатов и выводов обеспечена методически обоснованным комплексом исследований с использованием современных средств измерений, применением математических методов планирования экспериментов и статистической обработкой их результатов, а также опытными испытаниями и их положительным практическим эффектом.

Внедрение результатов работы. Разработанные программные средства и структурно-параметрическая модель внедрены в учебный процесс Воронежского института Государственной противопожарной службы МЧС России на кафедре химии и процессов горения, а также в учебный процесс Воронежского ГАСУ на кафедре физики и химии.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях: VII Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды «Экоаналитика» (Йошкар-Ола, 21-27 июня 2009 г.); Всероссийской конференции «Проведение научных исследований в области индустрии наносистем и материалов» (Белгород, 16-20 ноября 2009 г.); II Международной научно-практической конференции «Сервис безопасности в России: опыт, проблемы, перспективы» (Санкт-Петербург, 29-31 октября 2009 г.); VI Международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 2010 г.); IV Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве ИТНОП-2010» (Орёл, 22-23 апреля 2010 г.); Международной научно-практической конференции «Пожарная безопасность: проблемы и перспективы» (Воронеж, 22 сентября 2010 г.); VI Международной научно-практической конференции «Обеспечение безопасности в чрезвычайных ситуациях» (Воронеж, 10 декабря 2010 г.); Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы инновационных систем информатизации и безопасности» (Воронеж, 25 марта 2011); X Международной научно-технической конференции «Пожарная безопасность-2011» (Харьков, 2011 г.). По результатам работы получен патент на полезную модель «Мультисенсорная система для определения летучих компонентов в воздухе при производстве строительных материалов из полимерных композитов» № 120227. Патент зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 10 сентября 2012 г.

На защиту выносятся:

1. Система автоматического контроля и управления на основе мультисен-сорного газоанализатора, регистрирующего пары летучих токсичных веществ в зданиях, помещениях, сооружениях, которая обеспечивает снижение пожарной и промышленной опасности, предупреждение пожаров и аварий.

2. Математическая модель обработки информации искусственными нейронными сетями, поступающей с мультисенсорной системы контроля безопасности, позволяющая создать устройства автоматического контроля и управления системами обеспечения пожарной и промышленной безопасности и жизнеобеспечения.

3. Лабораторный макет технического средства защиты людей от производственного травматизма при производстве и эксплуатации строительных отделочных материалов.

4. Принципы и способ экспресс-анализа для обеспечения промышленной и пожарной безопасности в строительстве за счет использования схемы организации и проведения контроля и оценки воздушной среды при производстве и эксплуатации строительных материалов с применением системы сенсоров.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 13 научных работ общим объемом 51 страница. Личный вклад автора составляет 29 страниц. Шесть статей опубликовано в изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации: «Пожаровзрывобезопасность», «Технологии техносферной безопасности», «Вестник Воронежского государственного технического университета», «Датчики и системы», «Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура».

В статьях, опубликованных в рекомендованных ВАК изданиях, изложены основные результаты диссертации: в работе [1] обобщены и проанализированы предпосылки создания мультисенсорных газоанализаторов; в работе [2] рассмотрена возможность использования мультисенсорной системы для оценки уровня токсичности газов и паров; в работе [3] получены экспериментальные данные мониторинга газовоздушной среды на предмет наличия и превышения концентрационных пределов распространения легковоспламеняемых жидкостей (толуол, гексан, ацетон); в работе [4] представлена информационно-экспертная система для анализа пожароопасности жидкостей; в работе [5] описана система сенсоров, предназначенная для мониторинга содержания легковоспламеняющихся жидкостей в воздухе; в работе [6] описана предложенная авторами система для распознавания экотоксикантов в закрытых помещениях.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, изложенных на 120 страницах машинописного текста, заключения, списка литературы, содержащего 151 наименование, и приложения. Диссертация содержит 42 рисунка, 3 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, сформулированы цель и задачи работы.

В первой главе проведен обзор современных методов и средств анализа газовоздушной среды в строительстве, а также при производстве и эксплуатации строительных материалов на полимерной основе. Отмечены преимущества и недостатки существующих методов. Обоснована целесообразность использования газоанализаторов на основе нейронных сетей для неразрушающего контроля веществ, строительных отделочных материалов и изделий для обеспечения пожарной безопасности.

Во второй главе представлены модель и алгоритмы, положенные в основу интеллектуального газоанализатора. Приведены результаты моделирования этой системы. В разработанной модели процесс обработки информации протекает во времени в определенной последовательности. Под временем (циклом) понимается ряд этапов преобразования данных при прохождении их от входа к выходу модели. Анализ работы модели заключался в выполнении серии экспериментов, в результате которых происходил процесс самонастройки на поступающие от рецепторных нейронов сигналы. В результате накапливалась информация об анализируемых веществах.

В качестве обонятельных рецепторов газоанализатора выбраны пьезосен-соры. Пьезосенсоры осуществляют сбор первичной информации о природе и составе газовой фазы, то есть соответствуют обонятельным рецепторным нейронам первой подсистемы предлагаемой модели.

ПХ)=-—Ц 1 + ехр

где f¡ = -—--функция активации, X - матрица характеристик значений

1+ехр

частотных сигналов: взвешенная сумма входных сигналов; ю, — весовой коэффициент синаптической связи; х1 — значение /-го входа нейрона; п - количество сенсоров. Начальные условия /(о) = - начальное значение функции активации нейронов.

Мультисенсорная система (рис. 1) представляет собой набор из N газовых сенсоров м, на которые воздействует анализируемая газовая среда, представляемая вектором X, каждый из элементов вектора соответствует концентрации каждого газа, входящего в состав смеси. Данные, получаемые набором сенсоров, представлены вектором У, вектор С обозначает результат измерений, полученный с помощью модели М.

Сигналы пьезосенсоров, зависящие от их чувствительности и концентрации анализируемого вещества, группируются системой сбора и передачи информации во второй подсистеме модели. Для многоканальной регистрации сигналов пьезосенсоров в газоанализаторе и последующей передачи получен-

со.

, / = 0, и -1, (1)

ных данных в персональный компьютер использовали программируемую логическую интегральную схему ПЛИС фирмы Altera.

Рис. 1. Схема модели интеллектуального газоанализатора

Такое решение позволило создать малогабаритную высокоинтегрирован-ную систему сбора данных с гибкой структурой, поддерживающую функцию внутрисхемного программирования. Выходной сигнал газоанализатора обрабатывается в третьей подсистеме модели, расположенной в ПК. Третья подсистема модели в газоанализаторе представлена многослойной нейронной сетью (МНС), способной обучаться по методу обратного распространения ошибки (back propagation). Элементами такой сети являются нейроны, которые в зависимости от суммарного воздействия входных сигналов могут возбуждаться или тормозиться. В результате этого процесса формируется конкретный выходной сигнал. Каждый сигнал, поступающий по дендритам нервной клетки, характеризуется возбуждающей или тормозящей способностью, то есть обладает некоторым отрицательным или положительным весом. При достижении нейроном определенного порогового значения уровня возбуждения происходит его активизация, и по аксону передается сигнал другим элементам сети, которые образуют взаимосвязанный последовательный ряд слоев.

Суммарный сигнал газоанализатора включает набор следующих 3 параметров: максимальный частотный сигнал пьезосенсора за время анализа Afmax (сигнал пьезосенсора к анализируемой пробе), время достижения тти величины сигнала сенсора Afmax, площадь S&v фигуры, ограниченной функцией Af=^(x) и осями OAf и От.

Созданная измерительная система по своей организации и функциональным возможностям близка к природному аналогу, поскольку анализатор уже не пассивно отражает информацию о воздействии анализируемой среды, а проводит процесс самонастройки на данный токсикант, компенсирует неточность поступающей информации (в условиях неполноты и противоречивости данных) и выдает результат. Кроме того, следует отметить быстроту проводимого анализа, а также малогабаритность измерительной системы.

В третьей главе представлены результаты исследований физико-химических процессов, протекающих при производстве строительных материалов на полимерной основе. Проведен анализ вариантов своевременного устранения взрывопожароопасной ситуации при производстве строительных материалов. При производстве строительных материалов на полимерной основе возможно выделение HCl, стирола, олигомеров, исходных мономеров, а в ре-

зультате термомеханической деструкции полимерной цепи — антиоксидантов, антипиренов, легколетучих органических соединений, применяемых в качестве растворителя.

Была проведена оценка возможности использования пьезокварцевых сенсоров, модифицированных пленками ЛБ на основе КРА, для определения паров легколетучих органических растворителей (бензола, толуола, этилбензола, этилацетата, ацетона и др.). Выбор их в качестве объекта исследования обусловлен широким использованием в промышленности, медицине и их высокой токсичностью.

Директива ЕС (ТЬеЕиЗо^егПБ 1999/13/ЕС) определяет легколетучие органические соединения как органические соединения, имеющие давление паров не меньше 10 Па при 20 °С. Для получения стабильного монослоя на границе раздела фаз «воздух/вода» нами использован специально синтезированный по известной в литературе методике каликс[4]резорцинарен (КРА), обладающий дифильными свойствами:

Формирование и изучение поведения моно- и мультислоев ка-ликс[4]резорцинарена осуществляли на модернизированной установке УНМ-2 (МНПО «НИОПИК», Россия), оснащенной микровесами Вильгельми.

Для получения монослоя на поверхность жидкой субфазы микропипеткой вносили раствор КРА с концентрацией 5-Ю"4 моль/л в легколетучем, не смешивающемся с водой органическом растворителе -— хлороформе (х.ч.) и выдерживали 20 мин. В результате вследствие полного испарения растворителя ди-фильное соединение равномерно распределялось по поверхности воды. В качестве водной субфазы использовали бидистиллированную воду, растворы гидроксида натрия, соляной кислоты и хлорида меди. тг-А-изотермы получали ступенчатым сжатием монослоев. Все эксперименты проводили при комнатной температуре.

Перенос монослоев осуществляли методом Ленгмюра-Блоджетг со скоростью движения твердой подложки 11 мм/мин в автоматическом режиме поддержания необходимого поверхностного давления. Таким методом на поверхности резонаторов получали мультислойные молекулярные пленки ЛБ, содержащие от 10 до 30 монослоев. В работе использовали пьезорезонаторы АТ-среза с номинальной частотой колебаний 8 МГц, способные работать в широком диапазоне температур (ОАО «Пьезо», Москва). Предварительная подготовка кварцевых пьезосенсоров перед нанесением ПЛБ включала обезжиривание кипячением в течение 15 мин в смеси четыреххлористого углерода и пропанола-2 (1:1) и обработку в водном растворе перекиси водорода.

Для исследования отклика пьезокварцевых датчиков на состав газовой фазы использовалась экспериментальная мультисенсорная система пьезосенсоров. Исследование отклика пьезосенсоров, модифицированных пленками ЛБ, на состав газовой фазы проводилось в динамических условиях. В ячейку детектирования помещали от 1 до 10 закрепленных сенсоров. Через систему пропускали газ-носитель (очищенный и осушенный лабораторный воздух) в течение 1-3 мин для стабилизации частоты резонатора, затем газ-носитель, содержащий пары сорбатов - легколетучих органических соединений.

При введении паров органических веществ частота вибрации пьезосенсо-ра уменьшалась вначале резко, затем более плавно. По стабилизации частоты сенсора делали вывод о достижении сорбционного равновесия в системе «газ — пленка» модификатора. Система барботеров позволяла создавать насыщенные пары сорбатов, а четыре отвода компрессора — разбавлять их газом-носителем в 2-9 раз, а также создавать тройные системы веществ «ЛОС-1:ЛОС-2:воздух» с соотношением концентраций паров органических соединений 1:1.

Для регенерации поверхности пленки модификатора через систему пропускали чистый газ-носитель (без сорбата) до первоначальной частоты колебаний пьезосенсора. Аналитический сигнал фиксировался персональным компьютером в режиме онлайн.

Следующим этапом исследований являлся анализ и контроль токсичных веществ в газовоздушной среде с применением интеллектуальной системы сенсоров. Согласно гигиеническим заключениям равновесная газовая фаза большинства строительных материалов содержит фенол и формальдегид в количествах 0,03 (ДВП, ДСП) и 0,02 (ЛПВХ) мг/м3, что не превышает ПДК для указанных анали-тов. Для детектирования фенола и формальдегида в газовой фазе нами применены сенсоры, модифицированные чувствительными сорбентами.

Подготовка пьезосенсора. Для повышения чувствительности сенсоров их поверхность модифицировали сорбентами. В качестве сорбентов использовались полиэтиленгликоль молярной массой от 1000 до 20000 г/моль (сорбенты 1-3); эфиры полиэтиленгликоля (сорбенты 4-6); поливиниловый спирт (сорбент 7); поливинилпирролидон (сорбент S); сквалан (сорбент 9); динонилфталат (сорбент 10).

Выбор сорбентов проводили в соответствии с их полярностью и гидро-фобностью. Раствор сорбента равномерно распределяли микрошприцем по поверхности металлических электродов, не затрагивая периферийные участки пьезокварца. Свободный растворитель удаляли помещением сенсора в сушильный шкаф при температуре 50-70 °С.

Пробы газовой фазы под строительные материалы отбирали при 20 ± 2 °С методом дискретной газовой экстракции. Предварительно установили, что оптимальный объем газовой фазы не должен превышать 3 см3. Установлено, что при увеличении объема пробы чувствительность микровзвешивания меняется незначительно.

Такая зависимость аналитического сигнала сенсора от объема инжектируемой пробы позволяет априори сделать вывод: в газовой фазе строительных отделочных материалов присутствуют избыточные количества загрязнителей, что вызывает полное насыщение модификаторов при объемах проб 3 см3, либо миграция летучих соединений, входящих в состав строительных материалов, происходит в незначительных количествах, и концентрация загрязнителей постоянна.

Получение и обработка аналитического сигнала. Снижение рабочей частоты колебаний (аналитический сигнал) пьезосенсоров рассчитывали по уравнению Зауэрбрая. После введения каждой пробы фиксировали резонансную частоту каждого сенсора и вычисляли относительный сдвиг частоты А/а. При оптимальном количестве монослоев получены зависимости аналитического сигнала резонаторов от активности паров ЛОС, которые для большинства растворителей в интервале 0,11 -1,00 носят линейный характер, а для паров кумола и этилацетата зависимости представляют изотерму сорбции, на которой присутствует область насыщения (рис. 2).

На примере определения бензола проведено сравнение свойств чувствительного слоя на основе упорядоченной пленки ЛБ со свойствами слоя, полученного при перенесении монослоев после давления коллапса.

Показано, что сигнал сенсора на основе упорядоченной пленки в 1,5-2 раза превышает таковой для пленки, нанесенной после давления коллапса, кроме того, время отклика сенсора составляет 15 с по сравнению с 2 мин для неупорядоченной пленки той же толщины.

0,005

V, мкмоль

0,004

0,003

0,002

2 3

4

0,001

0

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

активность паров, р/р0

Рис. 2. Зависимости количества адсорбированных на поверхности пьезосенсора растворителей от активности их паров в воздухе: 1 - этилацетат, 2 - кумол; 1 - этанол, 2 - гексан, 3 - бензол, 4 - этилбензол

Предварительно с учетом предлагаемого алгоритма опроса матрицы в идентичных условиях изучена сорбция модельных газовых смесей аналитов при максимальном содержании загрязнителей (2 ПДК).

Аналитические сигналы газоанализатора регистрировали в полярных координатах в виде профилограмм: на осях откладывали аналитические сигналы индивидуальных сенсоров, номера сенсоров в общей матрице соответствуют номеру оси.

В качестве примера на рис. 3 приведена геометрия «визуального отпечатка» газовой фазы модельной смеси формальдегида. При экспонировании матрицы сенсоров в парах модельной газовой смеси фенола и формальдегида установлен аддитивный характер сорбции этих загрязнителей. При увеличении концентрации модельной смеси до 2 ПДК геометрия «визуального отпечатка» остается постоянной, закономерно увеличивается площадь. Заметные изменения в геометрии «визуальных отпечатков» происходят при сорбции смеси фенола и формальдегида при концентрациях в пределах ПДК и 2 ПДК соответственно. При содержании формальдегида на уровне ПДК геометрия идентична геометрии «отпечатка», соответствующего концентрации 2 ПДК (рис. 3 а, б). Отличия проявляются лишь в интенсивности этих сигналов.

Таким образом, «визуальные отпечатки» отличаются площадью, что позволяет количественно оценить содержание формальдегида в пробе. Аналогичные закономерности характерны и для «визуальных отпечатков» паров фенола (рис. 4 а, б). Установлено что по геометрии «визуальных отпечатков» возможна идентификация формальдегида и фенола.

«Визуальный отпечаток» качественно отличается от аналогичного, полученного при сорбции модельной смеси загрязнителей на уровне ПДК.

Рис. 3. Профилограммы («визуальные отпечатки») газовой фазы при содержании формальдегида на уровне ПДК (а) и 2 ПДК (б); номерами на осях обозначены сорбенты - модификаторы сенсоров

Определение выходных данных сети. Для кодировки результатов анализа было принято решение о присвоении каждому токсиканту уникального кода, по которому при формировании итогового отчета можно было бы восстановить текстовое представление выходных данных. Код каждого вещества является уникальным числовым идентификатором токсиканта, по которому происходит поиск в базе данных соответствующих характеристик вещества для формирования итогового отчета, содержащего результаты анализа газовой смеси. Код токсиканта задается в соответствии с алгоритмом индексирования в момент добавления данного вещества в базу данных «Токсикант».

Этот параметр является постоянной величиной и при изменении остальных характеристик токсиканта (обучающей выборки и основных сведений) остается прежним. Для комплексного сравнения работы сенсоров в различных условиях применяли профильный анализ (лепестковая диаграмма, построенная в полярных координатах). Данный метод основан на том, что отдельные сигналы сенсоров при их объединении дают качественно новую характеристику исследуемого объекта. Выделение наиболее характерных особенностей для данного вещества позволяет установить профиль материала в целом, а также изучить влияние различных факторов (параметров) на суммарный образ - паттерн.

а б

Рис. 4. Профилограммы («визуальные отпечатки») газовой фазы

при содержании фенола на уровне ПДК (а) и 2 ПДК (б); номерами на осях обозначены сорбенты -модификаторы сенсоров

Искусственная нейронная сеть построена по известному алгоритму на примере сорбции токсикантов. Данная задача решается с большей точностью, если обучающая выборка включает в себя физико-химические характеристики летучих компонентов и сорбентов.

Полученные результаты позволили осуществить структурно-параметрическую оптимизацию системы и предложить оригинальный алгоритм аналитического контроля органических токсикантов в воздушной среде с использованием газоанализатора (рис. 5).

На практике при ведении различных технологических процессов часто применяют нагретые горючие жидкости. Например, широкое применение в различных отраслях промышленности находят высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ), примерами которых являются дифенильная смесь, мобиль-терм, армотерм и др., которые классифицируются как горючие жидкости. При определенных условиях они способны образовывать взрывоопасные паровоздушные смеси или взрывоопасные аэрозоли. Опасность взрыва и пожара при использовании ВОТ в технологических системах связана с возможностью возникновения взрывоопасной паровоздушной смеси как внутри технологического оборудования, так и при аварийном выбросе теплоносителей в объеме помещения.

Указанную проблему изучали в рамках проведения исследований процесса испарения нагретых ВОТ. Результаты проведенных исследований были использованы для определения массы паров, образующихся при испарении проливов горючих жидкостей, нагретых выше расчетной температуры.

Рис. 5. Функциональная схема организации и проведения контроля и оценки воздушной среды при производстве и эксплуатации

строительных отделочных материалов с применением интеллектуальной системы сенсоров

В четвертой главе представлен оригинальный комплекс программ для функционирования газоанализатора и результаты его верификации.

Последовательность операций данного комплекса включает в себя определение обучающегося множества, задание полей, задание параметров нейросети, определение критериев обучения, запуск обучения системы, расчет результатов (рис. 6).

Далее»

'Отмена

Использовать дляобучегая нейросети

Скорость обучения

Момент

Распознано если ошибка гга г>римеру<

Ш. "4 выборки

(Б-

Г" Испо'ЬзоБагь тестовое множество как валидационноэ

• * Критерии остановки общения---------------------------

[ Г Прешло [ТООООЦ зпох ; Г Масс, ошибка при обучении < ;|0.05

| Г Средняя ошибки гри обучены < ¡0.05 : ; Г Распознано Р 3 % обучающей выборки | Г Макс, ошибка при тестировании < ¡0.05 ;

Г Средняя ошибки при тестировании < |0.05 " Щ 1 Г Распознано |б0 ]=} 2 тестовой выборки

0 программе- | .Поле: С МШ- 1 Г1ЛХ = з

Рис. 6. Задание полей данных и их свойств, параметров нейросети при тестировании, параметров обучения нейронной сети

Результатом данной процедуры является специальный файл с настройками сети. В состав данной информационной системы входит база данных, включающая в себя следующие информационные массивы: «Токсикант»; «Эталон»; «Графика».

Связь между этими базами представлена схемой (рис. 7). Основой данной разработки является создание технологии, обеспечивающей унифицированный подход к построению и разработке интегрированных систем безопасности и возможность постоянного дополнения функциональности систем и изменения списка подсистем, отвечающих за новые аспекты обеспечения безопасности. Полученные экспериментальные результаты позволили рекомендовать разработанную мультисенсорную систему для включения в состав интегрированного комплекса безопасности (ИКБ) типа «КОДОС» (ООО «СоюзСпецАвтоматика»), обеспечивающего пожарную, экологическую безопасность и управление жизнеобеспечением в зданиях и сооружениях.

Рис. 7. Структура базы данных информационной системы исследуемых массивов

В пятой главе представлены результаты разработки прототипа (макета) интегрированного комплекса безопасности, включающего интеллектуальную систему газового анализатора. Базовыми компонентами комплекса являются сенсорные модули. Каждый модуль имеет унифицированный набор команд, позволяющий управлять датчиком температуры сенсора и обменом информацией. С помощью последовательного асинхронного интерфейса различные модули могут объединяться в единую информационную систему на основе персонального компьютера. Скорость обмена информацией составляет 115 кБит/с, что позволяет объединять до 10 модулей, при необходимости это число может быть увеличено. Структурная схема системы ИКБ «КОДОС», включающая мультисенсорную систему, представлена на рис. 8.

Информационная система построена с применением послойного принципа. Каждая из подсистем ИКБ и даже отдельные их элементы способны работать в автономном режиме, что повышает надежность ИКБ в целом. Включение в структуру модуля мультисенсорной системы, программно-аппаратная интеграция, единая информационная среда с внешними приложениями позволяют ИКБ обеспечивать пожарную и экологическую безопасность объекта.

Программные и схемотехнические решения, реализованные в данной системе, позволяют без существенных изменений реализовать сенсорные системы всех ранее рассмотренных типов. Также отметим, что данная система может быть достаточно просто расширена. Например, предполагается использовать управляемый блок подготовки газов, что превратит исследовательскую систему в автоматизированную систему классификации и калибровки сенсоров, необходимую для массового производства газовых сенсоров.

Система охранно-пожарной

сигнализации Охранная сигнализация

II ИИ

Управление ППКОП

инженерными «КОДОС А-20&

средствами

л Сервер икб ---------- Е1Ьегпе1 | Етете1 ; 1

общая информационная среда

АРМ охранника

АРМ отдела кадров

АРМ администратора системы ИКБ

АРМ администраторе вЭлектронного носа»

Рис. 8. Структурная схема интегрированной системы безопасности с модулем на основе разработанной мультисенсорной системы типа «Электронный нос»

Выводы

В ходе проведенного диссертационного исследования получены следующие результаты:

1. Создана система контроля летучих веществ, содержащихся в строительных материалах, с использованием мультисенсорного газоанализатора, позволяющая оценивать качество воздуха и состояние пожарной безопасности в зданиях, помещениях, сооружениях. Система отличается от существующих аналогов малогабаритностью и быстродействием.

2. Разработана модель обработки информации искусственными нейронными сетями, способная функционировать в условиях неполноты и противоречивости данных. Создан алгоритм оптимизации параметров нейронной модели, позволяющий осуществлять настройку газоанализатора на заданный токсикант, что уменьшает время работы мультисенсорной системы в зданиях, помещениях, сооружениях, обеспечивая пожарную безопасность всего производственного комплекса.

3. Разработано техническое устройство, позволяющее защитить людей от производственного травматизма при производстве и эксплуатации строительных отделочных материалов на полимерной основе в зданиях и сооружениях. Использование данного лабораторного макета по разработанному алгоритму повышает пожарную безопасность всего технологического цикла производства строительных материалов.

4. Предложена методология экспресс-анализа летучих веществ, выделяющихся из строительных полимерных композитов, с применением химических сенсоров из полимерных материалов, которая позволяет оценить уровень пожарной и экологической опасности. Методология апробирована на прототипе мультисен-сорного газоанализатора, позволяющего контролировать в воздухе помещения или рабочей зоны формальдегид, фенол и другие токсиканты на уровне ПДК, а при также при двойном его превышении. Применение данной методологии существенно повышает вероятность обнаружения токсичных и взрывоопасных веществ при производстве и эксплуатации строительных отделочных материалов на полимерной основе. Использование искусственной нейронной сети позволило осуществить структурно-параметрическую оптимизацию системы и предложить алгоритм аналитического контроля органических токсикантов в воздушной среде с использованием мультисенсорной системы.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Чуйков, A.M. Разработка мультисенсорного газоанализатора для анализа горючих газов / A M. Чуйков, А.Н. Перегудов, A.B. Калач // Пожаровзрывобезопасность - 2011 - № 1 -С. 54-56. ' " '

2. Чуйков, A.M. О возможности использования системы типа «Электронный нос» для оценки уровня токсичности газов и паров при эксплуатации строительных материалов / A.M. Чуйков, А.Н.Перегудов, A.B. Калач, A.A. Исаев // Технологии техносферной безопасности -2011. - № 2 (36). - С. 1-8.

3. Чуйков, A.M. Мониторинг содержания легковоспламеняющихся жидкостей в воздухе с использованием сенсоров / А.М.Чуйков, A.B. Калач, Д.В. Русских, А.Б. Плаксицкий // Вестник Воронежского гос. техн. ун-та. -2011. - Т. 7, № 7. - С. 99-102.

4. Чуйков, A.M. Информационно-экспертная система в анализе пожарной опасности жидкостей / А.М.Чуйков, A.B. Калач, Н.В. Бердникова [и др.] // Вестник Воронежского гос техн. ун-та. -2011. -Т. 7, № 8. -С. 206-208.

5. Чуйков, А.М. Сенсоры для мониторинга содержания легковоспламеняющихся жидкостей в воздухе. Часть 1 / A.M. Чуйков, A.B. Калач, Д.В. Русских, А.Б. Плаксицкий // Датчики и системы.-2011,-№ 10.-С. 59-60.

6. Чуйков A.M. Система распознавания экотоксикантов в закрытых помещениях / A.B. Калач, A.M. Чуйков, О.Б. Рудаков // Научный вестник Воронежского гос. арх.-строит. ун-та. Строительство и архитектура. - 2012. - Вып. № 3 (27). - С. 119-126.

Статьи в других изданиях

7. Чуйков, A.M. Получение чувствительных слоев Ленгмюра-Блоджетг для анализа газов и паров / А.М. Чуйков, A.B. Калач, Л.М. [и др.] // Проведение научных исследований в области индустрии наносистем и материалов: материалы Всерос. конф. - Белгород, 2009. - С. 103 - 104.

8. Чуйков, A.M. Определение алкилацетатов С2-С5 с применением мультисенсорной системы типа «электронный нос» / A.M. Чуйков, А.В.Капач, Ю.В.Спичкин II Сервис безопасности в России: опыт, проблемы, перспективы: материалы II междунар. науч.-практ. конф. - Санкт-Петербург, 2009. - Т. II. - С. 199-202.

9. Чуйков, A.M. Моделирование системы обоняния / A.M. Чуйков, А.Н. Перегудов, A.B. Калач, Ю.В.Спичкин // Физико-математическое моделирование систем: материалы VI Междунарю семинара. - Воронеж, 2010. - Ч. 2. - С.160-163.

10. Чуйков, A.M. Моделирование и создание интеллектуального мультисенсорного газоанализатора, способного функционировать в условиях неполноты и противоречивости информации / A.M. Чуйков, А.Н. Перегудов, A.B. Калач, Е.Н.Грошев // Информационные технологии в науке, образовании и производстве (ИТНОП-2010): материалы IV междунар. на-уч.-техн. конф. - Орал, 2010. - Т. 2. - С. 59-65.

11. Чуйков, А.М. Моделирование и создание интеллектуального газоанализатора, способного функционировать в условиях неполноты и противоречивости информации / А.М. Чуйков, А.Н. Перегудов, A.B. Калач, Ю.В.Спичкин, А.Г. Горшков // Пожарная безопасность: проблемы и перспективы: материалы междунар. науч.-пракг. конф. - Воронеж, 2010. - С. 335-338.

12. Чуйков, A.M. Использование системы «Электронный нос» для анализа токсичности строительных материалов / A.M. Чуйков, A.B. Калач, А.Б. Плаксицкий // Актуальные проблемы инновационных систем информатизации и безопасности: материалы междунар. науч.-практ. конф. - Воронеж, 2011. - С. 35-37.

13. Чуйков, A.M. Использование системы «Электронный нос» для анализа токсичности строительных материалов / А.М.Чуйков, A.B. Калач, А.Б. Плаксицкий // Пожарная безопас-ность-2011: материалы X междунар. науч.-техн. конф. - Харьков, 2011. - С. 124-125.

14. Мультисенсорная система для определения летучих компонентов в воздухе при производстве строительных материалов из полимерных композитов: пат. на полезную модель 120227: МПК G01N 5/00 / Чуйков A.M., Мещеряков А. В., Калач А. В.; заявитель и патентообладатель Чуйков A.M. - № 2012104710; заявл. 09.02.2012; опубл. 10.09.2012.

ЧУЙКОВ АЛЕКСАНДР МИТРОФАНОВИЧ

МУЛЬТИСЕНСОРНАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ЛЕТУЧИХ КОМПОНЕНТОВ СТРОИТЕЛЬНЫХ ОТДЕЛОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 18.12.2012. Формат 60x84 1/16.

_Усл. печ. л. 1.0. Тираж 120 экз. Заказ № 3254.__

Отпечатано в типографии Воронежского ЦНТИ - филиала ФГБУ «РЭА» Минэнерго России 394036, г. Воронеж, пр. Революции, 30

ВВЕДЕНИЕ

1 СОВРЕМЕННЫЕ СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ БЕЗОПАСНОСТИ ВЕЩЕСТВ,

МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

1.1. Методы оценки и контроля пожарной опасности строительных материалов

1.2. Проблемы исследования процессов воспламенения и горения

1.3. Современное состояние методологий и перспективы применения термического анализа в создании пожаробезопасной продукции

1.4. Показатели, используемые для сравнительной оценки пожарной опасности строительных пластмасс и в пожарно-технических расчетах

1.5. Внешние и внутренние факторы, определяющие поведение строительных материалов в условиях пожара

1.6. Основные свойства, характеризующие поведение строительных материалов в условиях пожара

Выводы по главе

2 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ И СРЕДСТВ, ИМИТИРУЮЩИХ ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ

ОБОНЯТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

2.1 Выбор алгоритма функционирования нейронной сети

2.2. Определение архитектуры нейронной сети

2.3. Общая схема функционирования газоанализатора

2.4. Особенности и выбор технического обеспечения газоанализатора 41 2.4.1 Проектирование и разработка аналитического блока информационной обработки 41 Выводы по главе

3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА

ПОЛИМЕРНОЙ ОСНОВЕ

3.1. Результаты исследований физико-химических процессов

3.2. Результаты, анализ и контроль токсичных веществ в строительных материалах с применением системы сенсоров

Выводы по главе

4 КОМПЛЕКС ПРОГРАММ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ,

ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ГАЗОАНАЛИЗАТОРА

4.1 Разработка электронного аналога системы обоняния

4.2. Выбор алгоритмов обработки информации в газоанализаторе

Выводы по главе

5 РАЗРАБОТКА ПРОТОТИПА

ИНТЕГРИРОВАННОГО КОМПЛЕКСА БЕЗОПАСНОСТИ 95 5.1 .Особенности структуры и функционирования комплекса программ 95 5.2.Структура интегрированного комплекса безопасности, включающая газоанализатор

В настоящее время производство и использование строительных материалов является одной из ведущих отраслей экономики России. Производство этих материалов, как правило, связано с переработкой и сишезом полимерных веществ. Обеспечение пожарной безопасности в этой обласш является важной и актуальной задачей.

Переход к управлению промышленной безопасностью по критериям приемлемого риска и законодательное требование «постоянно осуществлять прогнозирование вероятное!и возникновения аварий и катастроф» в отношении каждого опасного производственного комплекса приводят эксплуатирующиеся ci рои тельные хозяйства к необходимости оценки пожарной опасности и снижения угрозы возникновения аварийных ситуаций.

Научно обоснованное определение комплекса основных характеристик пожарной опасности строительных материалов на полимерной основе, нормирование их пожаробезопасного применения, прогнозирование поведения в реальных пожарных ситуациях - важные научные и прикладные аспекты общей актуальной проблемы обеспечения пожарной безопасности объектов в промышленном строительстве. Исследованию пожарной опасности полимерных материалов и совершенствованию методов идентификации с целью контроля пожароопасных свойств посвящены работы д. т.н., профессора Б.Б. Серкова, д.т.н., профессора А.Н. Членова, д.т.н., Н.В. Смирнова, к.т.н. Ю.К. Нагановского, к.т.н. C.B. Стебунова.

В настоящее время для обнаружения возгорания применяется целый ряд извещатслей, действие которых основано на фиксировании опасных факторов пожара, таких как наличие дыма, повышение температуры, открытое пламя и т.д.

Для этих датчиков характерен существенный недостаток: необходимо, чтобы опасные факторы пожара достигли самого извещателя. С момента начала возгорания в помещении до срабатывания системы противопожарной сигнализации существует инерционный промежуток времени при низкой скорости конвективных и диффузионных процессов.

Поэтому важной задачей становится экспрессная оценка и предупреждение пожароопасной ситуации и обеспечение экологической безопасности путем контролирования химического состава воздуха рабочей зоны и своевременное предупреждение персонала об опасности. Кроме того, существующие алгоритмы расчета установки газоанализаторов на местах в не полной мере учитывают совокупное воздействие воздушных потоков и таких факторов, как молекулярная масса газообразных вредных веществ, геометрические размеры помещения, способы организации воздухообмена, возможности взаимодействия выделяющихся летучих веществ в результате переработки или эксплуатации строительных материалов на полимерной основе.

Таким образом, актуальной задачей обеспечения пожарной безопасности является разработка экспрессных методов анализа, позволяющих в режиме реального времени оценить качество воздуха помещений с целью своевременного обнаружения токсических веществ, продуктов деструкции, горения и принятия решения о его пригодности для безопасной эксплуатации строительных материалов и конструкций. В связи с этим в диссертационной работе предложена методология повышения качества контроля продуктов разложения и миграции токсичных веществ в закрытом помещении при производстве и эксплуатации строительных материалов посредством мониторинга газовоздушной среды в режиме реального времени с помощью интеллектуальной системы сенсоров.

Объект исследования - мультисенсорный газоанализатор летучих компонентов, выделяющихся при производстве и эксплуатации строительных материалов.

Предмет исследования - физико-химические процессы, происходящие в строительных материалах на полимерной основе в процессе их производства и эксплуатации в помещениях при их деструкции под воздействием высокой температуры.

Целыо диссертационной работы является разработка мультисепсорпой системы контроля и оценки уровня токсичности воздушной среды при производстве и эксплуатации строительных полимерных композитов различной структуры, способных привести к изменению пожароопасной обстановки на обьекте.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: разработать математическую модель обработки информации искусственными нейронными сетями с целью повышения пожарной безопасности зданий и помещений; разработать систему контроля летучих токсичных веществ с использованием мулыисенсорного газоанализатора;

- разработть алгоршм оптимизации параметров нейронной модели для анализа воздушной среды при производстве и эксплуатации строительных материалов; разработать методологию экспресс-анализа летучих веществ, выделяющихся в процессе производства и эксплуатации строительных полимерных композитов, с применением химических сенсоров из полимерных материалов.

Научная новизна работы:

- предложена модульная система для комплексной оценки текущего состояния газовоздушной среды зданий и помещений, по показателям (быстродействию, количеству определяемых компонентов, малогабаритпости) отличающаяся от существующих аналогов;

- предложен методический подход к контролю и диагностике материалов, основанный на комплексном анализе летучих токсичных компонентов, выделяющихся при производстве и эксплуатации строительных материалов;

- разработаны алгоритмы и пакет программ для комплексного анализа летучих смесей токсичных компонентов с помощью мультисенсорного газоанализатора, позволяющие принимать решения в условиях неполноты и противоречивости данных и в реальном времени, что повышает пожаровзрывобсзопасность контролируемых помещений; создай оригинальный комплекс программ для обеспечения функционирования газоанализатора, обработки информации, отличающийся от известных систем использованием аппарата нечеткой логики и возможностью принятия решений в режиме онлайн.

Практическая значимость работы. Разработана схема функционирования интеллектуального газоанализатора, позволяющая обеспечить пожаровзрывобсзопасность промышленных предприятий по производству строительных материалов на полимерной основе. Создай действующий макет (прототип) мульгисенсорного газоанализатора для контроля и оценки безопасности производства и эксплуатации строительных материалов.

Достоверность полученных результатов и выводов обеспечена методически обоснованным комплексом исследований с использованием современных средств измерений, применением математических методов планирования экспериментов и статистической обработкой их результатов, а также опытными испытаниями и их положительным практическим эффектом.

Внедрение результатов работы. Разработанные программные средства и структурно-параметрическая модель внедрены в учебный процесс Воронежского института Государственной противопожарной службы МЧС России па кафедре химии и процессов горения, а также в учебный процесс Воронежского ГАСУ на кафедре физики и химии.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях: VII Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды «Экоаналитика» (Йошкар-Ола, 21-27 июня 2009 г.); Всероссийской конференции «Проведение научных исследований в области индустрии наносистем и материалов» (Белгород, 16-20 ноября 2009 г.); II Международной научно-практической конференции «Сервис безопасности в России: опыт, проблемы, перспективы» (Санкт-Петербург, 29-31 октября 2009 г.); VI Международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 2010 г.); IV Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в пауке, образовании и производстве ИТНОГ1-2010» (Орел, 22-23 апреля 2010 г.); Международной научпо-практической конференции «Пожарная безопасность: проблемы и перспективы» (Воронеж, 22 сентября 2010 г.); VI Международной научно-практической конференции «Обеспечение безопасности в чрезвычайных ситуациях» (Воронеж, 10 декабря 2010 г.); Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы инновационных систем информатизации и безопасности» (Воронеж, 25 марта 2011); X Международной научно-технической конференции «Пожарная безопаспость-2011» (Харьков, 2011 г.). По результатам работы получен патент па полезную модель «Мультисепсориая система для определения летучих компонентов в воздухе при производстве строительных материалов из полимерных композитов» № 120227. Патент зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 10 сентября 2012 г.

Па защиту выносятся:

1. Сисчема автоматического контроля и управления па основе мулыисеисорпого газоанализатора, регистрирующего нары летучих токсичных веществ в зданиях, помещениях, сооружениях, которая обеспечивает снижение пожарной и промышленной опасности, предупреждение пожаров и аварий.

2. Математическая модель обработки информации искусственными нейронными сетями, поступающей с мультисенсорпой системы контроля безопасности, позволяющая создать устройства автоматического контроля и управления системами обеспечения пожарной и промышленной безопасности и жизнеобеспечения.

3. Лабораторный макет технического средства защиты людей от производственного травматизма при производстве и эксплуатации строительных отделочных материалов.

4. Принципы и способ экспресс-анализа для обеспечения промышленной и пожарной безопасности в строительстве за счет использования схемы организации и проведения контроля и оценки воздушной среды при производстве и эксплуатации строительных материалов с применением системы сенсоров.

Публикации. Г1о материалам диссертационной работы опубликовано 13 научных работ общим объемом 51 страница. Личный вклад автора составляет 29 страниц. Шесть статей опубликовано в изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации: «Пожаровзрывобезопаспость», «Технологии техносферной безопасности», «Вестник Воронежского государственного технического университета», «Датчики и системы», «Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура».

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, изложенных на 120 страницах машинописного текста, заключения, списка литературы, содержащего 151 наименование, и приложения. Диссертация содержит 42 рисунка, 3 таблицы.

Основные результаты и выводы по работе

В ходе проведенного диссертационного исследования получены следующие результаты:

1. Создана система контроля летучих веществ, содержащихся в строительных материалах, с использованием мультисенсорного газоанализатора, позволяющая оценивать качество воздуха и состояние пожарной безопасности в зданиях, помещениях, сооружениях. Система отличается от существующих аналогов малогабаритностыо и быстродействием.

2. Разработана модель обработки информации искусственными нейронными сетями, способная функционировать в условиях неполноты и противоречивости данных. Создан алгоритм оптимизации параметров нейронной модели, позволяющий осуществлять настройку газоанализатора на заданный токсикант, что уменьшает время работы мультисенсорной системы в зданиях, помещениях, сооружениях, обеспечивая пожарную безопасность всего производственного комплекса.

3. Разработано техническое устройство, позволяющее защитить людей от производственного травматизма при производстве и эксплуатации строительных отделочных материалов на полимерной основе в зданиях и сооружениях. Использование данного лабораторного макета по разработанному алгоритму повышает пожарную безопасность всего технологического цикла производства строительных материалов.

4. Предложена методология экспресс-анализа летучих веществ, выделяющихся из строительных полимерных композитов, с применением химических сенсоров из полимерных материалов, которая позволяет оценить уровень пожарной и экологической опасности. Методология апробирована на прототипе мультисенсорного газоанализатора, позволяющего контролировать в воздухе помещения или рабочей зоны формальдегид, фенол и другие токсиканты на уровне ПДК, а при также при двойном его превышении. Применение данной методологии существенно повышает вероятность обнаружения токсичных и взрывоопасных веществ при производстве и эксплуатации строительных отделочных материалов на полимерной основе. Использование искусственной нейронной сети позволило осуществить структурно-параметрическую оптимизацию системы и предложить алгоритм аналитического контроля органических токсикантов в воздушной среде с использованием мультисенсорной системы.

1. Полимерные строительные материалы Электронный ресурс. -2010. Режим доступа: http://mpouyut.ru/polimernye-materialy

2. Калач A.B. Пьезосснсоры в мониторинге окружающей среды /Калач A.B. // Эколог.системы и приборы. 2004. №10. С. 8 11.

3. Kosik S. Stanovenie vznieti vostitunych materialov. Horlavostraatcrialov, Bratislava, 1982, №8, pl6-19.

4. Асеева, P.M. Горение полимерных материалов. / P.M. Асеева, Г.Е. Заиков M. :Наука, 1981.-280с.

5. KoshikM.,Rychly J., Spilda 1„ et al. Polimemcmaterialy a ichpoziamaochrana, Bratislava, 1986.

6. СНиП 21-01-97*. Пожарная безопасноегь зданий и сооружений.

7. Рекомендации но применению огнезащишых покрытий для деревянных копсфукций. М.: ЦНИИСКим. B.JT. Кучеренко. 1983.

8. Кодолов В.И. Горючесть и огнестойкость полимерных материалов.-М.: Химия, 1976,-160С.

9. Кодолов В.И. Замедлители горения полимерных материалов. -М.:Химия, 1980.-269с.

10. Valentine L. Fundamental Aspects of Polymer Plammability. Polymer Paint Color Jornal, 1987, V177,№4153, p392-410.1 1. Барагов, A.M. Пожарная опасность строительных материалов. / A.H. Барагов, P.A. Андрианов, А.Я. Корольченко М.:Стройиздаг, 1988, 380с.

11. Берлин, А. А. Принципы создания композиционных полимерных материалов / А. А. Берлин и др. М.: Химия, 1990. 240с.

12. Всесоюзная конференция по горению полимеров и созданию ограниченно горючих материалов. Тезисы докладов. Суздаль, 29 ноября-1 декабря 1988 г., с.З

13. Машляковский JI.H. Ингибирование горения алкилов фосфор-, галоген-, металлсодержащими антипиренами,- Там же, с.4.

14. Тюганова М.А. Современное состояние и прогресс в развитииогнезащиты волокнистых полимерных материалов. Там же, с.5-6.

15. Новиков С.П. Высокомолекулярные антипирспы. Там же, с.6.

16. Копылов, В.В. Полимерные материалы с пониженной горючестью. / В.В. Копылов, С.Н. Новиков, JI.A. Оксентьсвич М.:Химия,1986,-226с.

17. Kishore K.,Nagarajan R. Ignition of Polimers.-J.of Polimcr Ingincering, V7, №4, P.38-56.

18. Khanna Y.P., Pearce E.M. Flammability of Polymers.-J. Applied Polymer Scince., 1985, V92, p.305-319.

19. Брык M.T. Деструкция наполненных полимеров. / M.T. Брык -М. :Химия, 1989.-192с.

20. Яманов, С.А. Старение, стойкость и надежность электрической изоляции. / С.Л. Яманов, JI.B. Яманова М. : Энергоатомиздат, 1990.-176с.

21. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. / Д.А Франк-Каменецкий. М. :Наука, 1967. 492с.

22. Зельдович, Я.Б. Математическая теория горения и взрыва. / Я.Б. Зельдович, Г.И. Барспблатт, В.Б. Либрович М. :Наука, 1980, 478с.

23. Теория горения н взрыва. Под ред. Ю.В. Фролова. М. :Наука, 1981.

24. Амосов А.П. Тепловая теория воспламенения. Куйбышев: KlhИ, 1982, -94с. Тепломассообмен в процессах горения. / Под ред. Г.А. Мержанова. - Черноголовка:- ОИХФ АН СССР. 1980,-152с.

25. Мержанов, Г.А. Современное состояние тепловой теории зажигания. / Г.А. Мержанов, А.Э. Авсрсоп М. : Препринт ИХФ АН СССР, 1970, 64с.

26. Новиков, С.Н. Достижения в области создания полимерных материалов с пониженной горючестью. / С.Н. Новиков, Л.А. Оксентьсвич, Б.В Нслюбин .- Пластические массы, 1985, №7, с25-30.

27. Булгаков, В.К. Моделирование горения полимерных материалов / В.К. Булгаков, В.И. Кодолов, JI.M. Липаиов М. : Химия, 1990.-240с.

28. Машляковский, JI.H. Органические покрытия пониженной горючести / Л.II. Машляковский, А.Д. Лыков, И.10. Рспкин Л. :Химия, 1989.-184с.

29. De Ris. Flammabiliiy Testing State-of-Art.-Fire and Materials, 1985, V9, №2.-P.75-B0.

30. Международная конференция по полимерным материалам пониженной горючее!и,- Тезисы доков, Алма-Ата, 25-27 сентября 1990г, с, 155156.

31. Первая международная конференция по полимерным материалам пониженной горючее lu. Тезисы докладов. Алма-Ата, 25-27 сешября 1990 г, с. 158-162.

32. Теплотворная и дымообразующая способность пластифицированного ПВХ / В. Ушков, Б. Булгаков, 10. Нагановский // "Пластические массы", №8, 1986г.

33. Пожарная опасность полимерных материалов, пластифицированных органическими эфирами фосфорных кислот. / В. Ушков, В. Лалаян, Ю Нагановский // 3-я Всесоюзная НТК по пластификации полимеров. Тезисы докладов, Владимир, 1988г.

34. Выделение хлороводорода при тсрмодеструкцин материалов на основе 11ВХ, / И. Дудеров, В. Цаплин, ТО. Нагановский // "Обеспечение пожарной безопасности объектов защиты". Сб. науч. трудов ВТ1ИИТЮ, 1989г.

35. Дудеров, Н.Г. Использование термического анализа для оценки пожароопасных свойств строительных материалов. / II.Г. Дудеров, Ю.К. Нагановский // Применение пластмасс в строительстве и городском хозяйстве. Тсз.докл. 3-йРесп. НТК, 3-5.10.91. Харьков.

36. Применение физико-химических методов при разработке огнезащищенных пенополиуретанов. / А. Корольченко, Н. Дудеров, ТО. Нагановский // Химия и технология пенополиуретанов. Тез.докл. Респ.семинара, Рига, 26-30.06.1990г.

37. Оценка эффективности антиниренов по данным комплексного термического анализа. / II. Дудеров, А. Корольчепко, Ю. Нагановский // Современные методы определения пожаровзрывоопаспости веществ и материалов. Сб. науч. трудов ВНИИПО, 1991г.

38. Дудеров, Н.Г. Исследование динамики дымовыделения в сочетании с методами термического анализа. / Н.Г. Дудеров, Ю.К. Нагановский, В.А. Ярош // "Пожаровзрывобезопаспость", №1,1994г.

39. Пиролиз, восиламсиснис и горение эпоксидных композиций, содержащих производные ферроцена. / В. Ушков, 10. Нагановский, Б. Серков // 1-я Международная конференция по полимерным материалам пониженной горючести. Тез. докл, гом 1, Алма-Ата, 25-27.09.1990i.

40. BalogK.,Kosik S., KosikM. AplicationofThermal Analysis Procedures to the Study Pyrolyticaland Flammability of Some Polimers.-Thermochimica Acta,1985, V93, 167-170.

41. Widaman G. Applicationof Modern Thermal Analysis.-Swiss ehem., 1985, V7(5a), p49-52.

42. Cullis C.F. Hirschler M.M. Thermal Stability and Flammability of organic poIimcrs.-Proc.IUPAC,Macrom.Symp. 28th, 1982, p286.

43. Divito M.P., Mager J.S. Board Range of Thermal Analysis Applications.-Instraments news, 1984, №34, p. 14-15.

44. Bhatnagar V.M., Vergnaud J.M.DTA and DSC studies on Polymers contaning Fire Retardants.-JomalofThermal analysis,1983,V27,N1,p. 59-200.

45. Cornel C, Vcron J., Bouster C. and ctc.Theoreticarrhermogravimetric Analysis at Constant Heating Rate.-6th Int.Conf.Therm.Anal.,Bayereuth,July 612,1980. Workbook,p. 3.

46. Барановский B.M., Задорина E.H., Крутилин В.М. Современные методы исследования полимерных материалов: Исследование полимерных материалов методами термического анализа: Уч. пособие./Под ред. E.H.Задориной, М.: Изд-во МАИ, 1993.-68с.: ил.

47. Aspects of Degradation and Stabilization of Polimers./Edited by Jelinck П.Н.С.- Amsterdam, 1978, -690p.

48. Mufy C.B., Habersberger K. Report on the Workshop:advances in thermoanalitical instrumentation, ThermochimicaActa, 1987,VI10, p. 31-47.

49. Morotz-Cecei K., Beda L. Comparative Testing of the Flammability of Upholstery Textiles.-J.of Thermal Analysis,V32,p. 901-908.

50. Chuan M.X., Scragcldin M.A. Simple Model for Ignition of Polymers. Thermochimicaacta, 1987, VI12, N2, p.161-169.

51. Летофф Ж.М. Анализ сложных реакций разложения методами ТГА-ГХ- MC.Usercommagazinc, 2/2003. Выпуск №17

52. Chiu J. A Combained. TG-GC-MS System for Matterials Charactarization. Analitical Calorimetiy. - New York: Plenum Press, 1984, V5, p.197-207.

53. McEwen D., Lee W. Combined TGA and Infrared Analysis of Polymers. Thermochimicaacta, 1985, V86, p.251-256.

54. Widaman G. Application of Modem Thermal Analysis. Swiss ehem., 1985, V7 (5a), p.49-52.

55. Uchiike M. Ito K. Newly Developed ТА for the Simulteneus Control of for defuters. Thermochimicaacta, 1985, V92, p.359-362.

56. Kottas P. Thermal Analysis Controlled by Microcmputer.-Thermochimicaaeta, 1985, V92, p.411-414.

57. Manning N.J. Design Considerations in Computerized Thermal Analysis Systems. Thermiehimicaacta, 1985. V92, p.419-423.

58. Kaplan 11.L., Switzer W.G., 1 Iirschler M.M., Coaker A.W. Evaluation of smoke toxic potency test methods: Comparison of the NBS cupfumace, the radiant furnace and the UP ITT tests. S. Fire Sci - 1989. - 7, N 3. - P.7.

59. Johnson B.B., Chiu J. Coupled Thcrmogravimetry/Photometry for Polymer Ignition Studies. Thermochimicaacta, 1981, V 50, N 1-3 ,p.57-67

60. Miller В., Martin J.R. Ignition of Polymers.-Flame-Retardant Polymeric Materials,1978.V2,p63-101.

61. Miller В., Martin J.R., Turner R. Studies on Polymer Ignition and Development of a Relative Hazard Ranking Method.-J.Appllicd Polymer Sci.1983,V8,p45-56.

62. Christofer A.J. Smoke Without Fire. Analitical proceedings, 1986.

63. Уэндландг У.Ф. Термические методы анализа,- М. :Мир, 1978.-526с.

64. Шее гак Я. Теория термического анализа. М. :Мир, 1987.-456с.

65. Топор, II.Д. Термический анализ минералов и ncopiанических соединений. / II.Д. Топор, Л.П. Огородова, JI.B. Мельчакова // М. :МГУ,1987.-188с.

66. Горшков B.C. Термография строительных материалов. М.: Ст ройиздат, 1968.-240С.

67. Годовский 10.К. Теплофизичсскис методы исследования полимеров. М. :Химия, 1976.-216с.

68. Dodd J.W., Tonge К.Н. Thermal Methods.Analytical Chemistry by Open reaming.-London, 1987, 337p.

69. Wcndlandt W.W. Thermal analysis.-New York:Wiley, 1986, 814p.

70. Wan Krevelen D.W, Properties of Polimcrs, their estimation andcorrelation with chemical structure. Amsterdam: Elsilver, 1976,620р.

71. Хеммипгер, И. Калориметрия. Теория и практика. / И. Хеммингср, .Г Хене // М.: Химия, 1990,-176с.

72. Шлеиский, О.Ф. Теплофизика разлагающихся материалов / О.Ф. Шлеиский, А.Г. Шашков, Л.Н. Аксенов // М. :Эпсргоатомиздат, 1985,144с.

73. Рабск Я. Экспериментальные методы в химии полимеров. М. :Мпр,1983 часть 2.-480с.

74. Асеева, P.M. Горение древесины и се пожароопасные свойства / Р.М Асеева., Б.Б. Серков, А.Б Сивепков // Монография, Академия ГНС МЧС России, 2010 г. -262 с.

75. Строительные материалы. Учебник. Под ред. В.Г. Микульского. -М.: Издательство АСВ, 1996 г.

76. Либрович В.Б. О воспламенении твердых топлив // Журнал прикладной математики и теоретической физики. 1968. - № 2. - С.36-42.

77. Mikkola E.,Wichman I.S. On the Thermal Ignition of Combustible Materials// Fire and Materials.-1989. V. 14 -P. 87-96.

78. Rasbash D.J.,Drysdale D.D.( Flame Retarded Plastics) // Fire and Materials. 1983. - V.7.-P.79-83.

79. Diysdale D.D., Thomson Ы.Е. The Ignitability of Flame Retarded Plastics // Proceedings of the 4th International Symposium on Fire Safety Science. -Ottawa, Canada, 1994.-P. 195-204; Fire Safety J. 1989. - V. 14. - P. 179-188.

80. СР1иП 21-01-97* Пожарная безопасность зданий и сооружений.

81. Дж.Ф. Уэйксрли Проектирование цифровых устройств. В 2 томах/ Дж.Ф. Уэйксрли // М.:Постмаркет, 2002 г.

82. Угрюмов, Е.Г1. Цифровая схемотехника / Е.П. Угрюмов // СПб.: БХВ-Пстсрбург, 2000. 528 с.

83. Лобачев, Г.А. Сравнение характеристик ПЛИС Xilinx и ALTERA / Г.А. Лобачев // Международная научно-техническая Конференция "Новые методологии проектирования изделий микроэлектроники" «New design methodologies» -Владимир, 2003 г.

84. P. Plotnikov, G. Lobachcv, Comparison XILINX and ALTERA FPGAs // in Proceedings of International Scientific Conference Informatics, Mathematical Modelling and Design in the Technics, Controlling and Education (IMMD'2004), Vladimir, 2004. p. 137 139.

85. Altera Corporation, DataBook, 2003

86. Stratix GX FPGA Family // http://www.altera.com/litcrature/ds/dssgx.pdf

87. Самая большая 11ЛИС // http://www.osp.ni/cw/2002/31/00019.htm

88. The Programmable Logic Data Book. Xilinx, Inc., 2003

89. Virtex-II ProIM Platform FPGAs: Introduction and Overview // , http://dircct.xilinx.com/bvdocs/publications/ds083 .pdf

90. Привалов, А.А. Особенности проектирования РЭС с применением ПЛИС / А.А. Привалов, М.В. Руфитский // Перспективные технологии в средствах передачи информации

91. Стсшснко, В. Школа схемотехнического проектирования устройств обработки сигналов / В. Стсшснко // Занятие 14. Программируемые аналоговые интегральные схемы. Компоненты и технологии, №1, 2002.

92. Уитби Б. Искусственный интеллект: реальна ли Матрица / пер. с англ. Т. Новиковой. М.: ФЛИР ПРЕСС, 2004, 224 с.

93. Дж.Ф. Уэйкерли Проектирование цифровых устройств. В 2 томах/ Дж.Ф. Уэйкерли // М.:Г1остмаркет, 2002.

94. Ф.А. Новиков Дискретная математика для программистов / Ф.А. Новиков// СПб.: Питер, 2002. 304 с.

95. Долинин, А.Г. Развитие программного и математического обеспечения САПР нелинейных аналоговых устройств/ А.Г. Долинин // Канд. диссертация-Владимир, ВГТУ, 1996, 200 с.

96. Мосин С.Г. Развитие математического и программного обеспечения подсистемы тестирования для САПР аналоговых и смешанных интегральных схем / Мосин С.Г. // Канд. диссертация. Владимир, ВлГУ, 2000, 175 с.

97. Норенков, И.П. Системы автоматизированного проектирования электронной и вычислительной аппаратуры / И.Г1. Норенков, В.Б. Маничев // Учеб. Пособие для вузов. М.: Высш. Школа, 1983. 272 с, ил.

98. Опнспгсйм, А. В. Цифровая обработка сигналов / А. В. Оппспгейм, Р. В. Шафер // Пер. с англ. Под ред. С. Я. Шаца. М.: Связь, 1979 г.

99. Порсчпый В. Использование САПР «MAX+plusII» для разработки цифровых устройств на ПЛИС фирмы "Альтсра" / Поречный В. // http .•//www.cpos.kiev.ua/pubs/cs/mp22 .htm

100. Корнссв, B.B. Параллельные вычислительные системы / В.В. Корнссв//М.: «Нолидж», 1999.320 с.

101. Корячко, В.М. Теоретические основы САПР / В.М. Корячко И.П. Курейчик // Учебник для вузов. М.: Энсргоатоимздат, 1987. 400 с.

102. Стсшснко, В. Школа схемотехнического проектирования устройств обработки сигналов / В. Стсшснко // Занятие 14. Программируемые аналоговые интегральные схемы. Компоненты и технологии, №1, 2002 г.

103. Стсшснко, В. Тема 2. Основы теории языков и формальных грамматик. Способы записи синтаксиса языка // http://www.softcraft.ru/translat/lcct/t02-04.shtml

104. Угрюмов, Е.П. Цифровая схемотехника / Е.Г1. Угрюмов // СПб.: БХВ-Петсрбург, 2000. 528 с.

105. Фундаментальные алгоритмы на С++. Алгоритмы на графах // Пер. с англ. Роберт Ссджавик. СПбЮОО «ДиаСофтЮП», 2002. 496 с.

106. А.Б. Сергисико Цифровая обработка сигналов / Л.Б. Сергиснко // СПб. : Питер, 2002. 608 с: ил.

107. Шииулин, С. ПЛИС элементная база систем управления и обработки сигналов XXI века / С. Шипулип, Д. Губанов

108. Калач, A.B. Искусственные нейронные сети вчера, сегодня, завтра. / А.13. Калач, Я.И. Коренман, С.И. Нифталиев // Воронеж: Воронеж.гос. тех пол. акад., 2002, 291 с.

109. Калач A.B. Мультисснсорпые системы. Применение методологии искусственных нейронных сетей для обработки сигналов сенсоров // Нейрокомпьютеры: разрабо!ка и применение, 2003, №10-11.

110. Мультисспсорная система «электронный пос» / А. Калач, Е. Журавлева, В. Рыжков, А. Перегудов // Сообщение 1. Сопоставление с природным аналогом // Диагнос тика. Контроль, 2005, №12

111. Генетические алгоритмы, искусственные нейронные сети и проблемы виртуальной реальности. / Г. Вороповский, К. Махотило, С. Пстрашсв, С. Сергеев // Харьков: Основа, 1997, 112 с.

112. Осовский С. Нейронные сети для обработки информации. М.: Финансы и ста тистика, 2002, 344 с.

113. Дж.Ф. Уэйксрли Проектирование цифровых устройств. В 2 томах/ Дж.Ф. Уэйксрли // М.МТостмаркст, 2002.

114. Долгополов, П.В. "Электронный нос" повое направление индустрии безопасности / Н.В Долгополов, М.Ю. Яблоков // - Мир и безопасность. 2007, № 4, с. 54-59.

115. Радчснко Станислав Григорьевич, Устойчивые методы оценивания статистических моделей: Монография. — К.: ГШ "Сансиарсль", 2005. — С. 504.

116. Мультисспсорная система "электронный пос" / А. Калач, Е. Журавлева, В. Рыжков // Часть 2. Сбор, обработка и анализ сигналов// Диагностика. Контроль, 2006, №1

117. Калач, A.B. Мультисспсорная система "электронный нос" / A.B. Калач, В.В. Рыжков // Часгь 3. Разработка экспертной системы// Диагностика. Контроль, 2006, №2.

118. Родина Т.Г. Сенсорный анализ продовольственных товаров. М. : Изд. цен тр «Академия», 2004, 208 с.

119. A.B. Калач, Нейрокомпьютеры: разработка и применение, 2003, № 10-11,43.

120. A.M. Горбань, Обучение нейронных сетей, ParaGraph, Москва, 1990,160 с.148.3олотов 10.А. Аналитическая химия в начале XXI века // Завод, лабор. диагнос. материалов, 2002, Т. 68, №1, С. 14-21.

121. Искусственный интеллект: применение в химии / под ред. Т. Пирса, Б. Хопи. М.: «Мир», 1988, 430 с.

122. Интеллектуальные мультисснсорныс системы для химического анализа: «Электронный нос» / И. Круглснко, Б. Спопок, Ю. Ширшов, Ii. Вснгер // Копф. «Сенсор 2000», СПб, 2000, С. 110.

123. Калач A.B. Определение питроуглсводородов в воздухе с применением «электронного носа» // Всерос. копф. «Аналитика России», Москва, 2004, С. 104.