автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Обоснование оптимальных требований к параметрам и режимам применения вертолетных сливных устройств при тушении лесных пожаров

На правах рукописи

РГ5 ОД

МОДИН Виктор Ивановй'Р ^ ;^ 'Г)

ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ТРЕБОВАНИЙ К ПАРАМЕТРАМ И РЕЖИМАМ ПРИМЕНЕНИЯ ВЕРТОЛЕТНЫХ СЛИВНЫХ УСТРОЙСТВ ПРИ ТУШЕНИИ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ

05.21.01 .Технология и машины лесного хозяйства и лесозаготовок

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертацияпа соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург- 2000г.

На правах рукописи

МОДИН Виктор Иванович

ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ТРЕБОВАНИЙ К ПАРАМЕТРАМ И РЕЖИМАМ ПРИМЕНЕНИЯ ВЕРТОЛЕТНЫХ СЛИВНЫХ УСТРОЙСТВ ПРИ ТУШЕ1ШИ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ

05.21.01.Технология и машины лесного хозяйства и лесозаготовок

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертацияна соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург- 2000г.

Диссертационная работа выполнена в Санкт-Петербургском научно-исследовательском институте лесного хозяйства

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ- доктор технических наук,

профессор Андреев В.Н.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ- доктор технических наук,

профессор Добрынин Ю. А.

к.т.н., Куличенко В.В.

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ- Комитет по лесу Ленинградской области

Защита диссертации состоится « »_2000 г. в_часов

на заседании диссертационного совета Д. 063.50.01 в Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии им. С.М.Кирова (194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5, главное здание, зал заседаний).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Автореферат разослан « »_2000 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Анисимов Г.М.

/73Н&, О

Общая характеристика работы.

Актуальность темы. Лес - неоценимое богатство нашей страны. Общеизвестно его значение в экономике как уникального воспроизводимого ресурса. Не менее важными являются экологические и рекреационные свойства лесных угодий. Однако, лес, одновременно с непрерывным использованием требует постоянных усилий по его охране и восстановлению. К сожалению, следует констатировать, что в настоящих условиях потребительские действия значительно превышают восстановительные и охранные расходы.Естественно, что в результате недофинансирования страдают не только непосредственные силы и средства борьбы с огнем, но и научное обеспечение этих средств, призванное обосновывать и разрабатывать как новые прогрессивные мероприятия пожаротушения, так и перспективные технические средства.Одним из таких средств являются авиационные противопожарные средства (АППС) и, в частности, вертолеты, оборудованные вертолетными сливными устройствами (ВСУ).

Несмотря на значительный научный задел, созданный учеными и конструкторами СПбНИИЛХ, ГосНИИГА, Центральной авиабазы, ряд научных теоретических и практических задач пока еще остается нерешенным. Поэтому тема данной диссертации, посвященной обоснованию оптимальных требований к параметрам и режимам применения вертолетных средств тушения лесных пожаров является несомненно актуальной и практически важной.

Цель работы. Повышение эффективности вертолетных средств тушения лесных пожаров за счет применения рекомендаций по оптимальным техническим параметрам, технологическим режимам и организации маршрутов.

Научная новизпа. Разработаны: математические модели для определения показателей надежности огнезащитных заградительных полос (ОЗП), основанные на применении теории полуслучайных процессов, а также полученные при этом законы а-распределения ширины ОЗП с, заданной дозировкой; математические модели для определения оптимальных требований к точности работы сливных насадков, основанные на использовании метода Эйлера с применением правила Лейбница.

Определены закономерности, описывающие зависимости ВБР ОЗП от ряда технологических и природных факторов, полученные в результате комплексной теоретико-экспериментальной методики, включающей описательную статистику, корреляционный и факторный анализы.

Разработаны оптимизационные математические модели построения транспортных сетей, обеспечивающие максимальную эффективность операции тушения пожаров с помощью ВСУ и основанные на применении линейного программирования (Jill) с вероятностными ограничениями.

Достоверность научных исследований подтверждается:

- современными средствами научных исследований, на основе положений теории вероятности;

- полученными регрессионными зависимостями и их адекватностью по отношению к исследуемой технологии.

Практическая значимость. Внедрение разработанных требований к параметрам и режимам применения вертолетных сливных устройств при тушетш лесных пожаров позволит:

- рассчитать вероятность безотказной работы огнезадерживакмцей полосы проложенной вертолетом с ВСУ в зависимости от технологических режимов и получить при этом рекомендации по высоте и скорости полета, характеристикам расхода и других факторов;

- разработать рекомендации по требуемым для создания огнезадерживающих полос дозировкам при различных природно-климатических условиях;

разработать рекомендации по созданию оптимальных транспортных сетей и значения коэффициентов чувствительности, позволяющих оперативно корректировать принимаемые решения;

- разработать рекомендации по требуемым конструктивно-технологическим характеристикам ВСУ, обеспечивающим максимальную эффективность тушения лесных пожаров.

Место проведения. Работа выполнена в Санкт-Петербургском научно-исследовательском институте лесного хозяйства.

Реализация работы. Результаты работы учитываются в дальнейших исследованиях Санкт-Петербургского научно-исследовательского института лесного хозяйства по разработке конструкции и технологии применения ВСУ при тушении лесных пожаров.

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались на заседании кафедры'Технологии лесозаготовительных производств" (Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, списка литературы. Общий объем работы 132стр., в диссертации имеется 28 рисунков и 15 таблиц.Список литературы содержит 27 наименований.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы, дается краткая аннотация работы, формулируется цель работы, научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.

1 Состояние вопроса

В первой главе анализируется общее состояние проблемы тушения лесных пожаров, указываются необходимые условия успешного их тушения, описываются технические средства борьбы с огнем, а также особенности применения авиационных противопожарных средств (АППС).Обосновывается актуальность темы исследований. Здесь же приводятся задачи исследований.

2 Обоснование технологии применсиия вертолетных сливиых устройств

Вторая глава посвящена обоснованию технологии применения ВСУ. При этом дается общее описание технологического процесса (ТП) тушения пожаров и указываются его особенности. Кроме того, здесь рассматриваются методы борьбы с огнем, описывается состав вертолетного сливного комплекса КСВ-1, а также приводится методика расчета основных технологических

параметров.Все виды расчетов технологических параметров сводятся к решению следующих задач:

1) расчет параметров пожара;

2) расчет режимов полета;

3) определение необходимого возможного числа сливов;

4) расчет временных показателей;

5) определение массовых показателей.

При этом проведение расчетов базируется на известных или функционально связанных исходных данных. Совокупность исходных данных, кроме того, может быть разделена на заранее известные фиксированные данные, известные еще до начала активных действий я оперативные данные, определяемые лишь после начала пожара.

К первому из упомянутых классу данных относятся, в частностях -расход топлива двигателя вертолетами* - расход ОЖ на единицу длины полосы;рож - плотность ОЖ;Уож - максимально возможный объел« заправки ОЖ;т<, - максимальная взлетная масса летательного аппарата(ЛА);тт - масса заправляемого топлива;гах+эк - масса конструкции и экипажа;Шпн - масса полезной нагрузки( т,п - масса заправочного пункта, 2 комплекта ВСУ( ш^у х 2 ), личный состав и расходные материалы);Тл11т - максимально допустимое летное время непрерывной работы экипажа.

Ко второму классу исходных данных относятся оперативные данные такие, как:Тл - максимально допустимое летное время, определяемое на момент тушения пожара(светлое время, туман, ветер и т.д.);8ь 82, Бз -соответственно, расстояния от аэродрома до заправочного пункта (ЗП), от заправочного пункта до пожара, от пожара до аэродрома.Если предусматривается несколько заправочных пунктов то соответственно, добавляется 82} (где ] - номер очередного ЗП);Уь У2, - соответственно, скорости полета на указанных выше маршрутах;Кп - коэффициент пропускания лесного полога;8п - площадь пожара;\7Р - скорость фронта пожара;- скорость нарастания периметра пожара;Ут - скорость тушения пожара;ц1 - необходимая дозировка;^ - промежуток времени от момента обнаружения пожара до вылета вертолета;^ - время выгрузки оборудования на заправочном пункте.

Периметр пожара на период первого слива ¿д будет равен:

где кроме указанных выше обозначений введеныКо - количество разведывательных облетов;ЭТ=2я(Ко+ДК) - увеличение периметра за счет безопасного удаления вертолета от кромки пожара на величину ДЯ;Ко - радиус пожара;АЯ - безопасное расстояние От кромки.

Скорость распространения периметра пожара определяется по эмпирической формуле:

где

Ьо = Ы+УьХМ1+Ш

м=и+з&/к2)|V2+t1

(2),

(1),

Г^ОЯ + ЗУр (?)

Необходимое число сливов для полной локализации пожара будет равно:

'и л

пн = mteger

U

+ 1

J

integer

Lo'VT

Vl-L

exp

Vr

1

Vj

rr2 2

\VL Ж У

+ 1

> (4)

Средняя скорость тушения пожара в формуле (4) при общем числе N заправок будет равна:

„ /.[-!)",+«;] т

г Т /" - ~ N____^

(N- +

+

2 S,

На основе ' определенных выше технологических параметров рассчитываются массовые характеристики используемых для тушения пожара материалов.

Главным расчетным соотношением при этом является массовое (весовое) уравнение летательного аппарата, которое в общем виде может быть записано следующим образом:

п

т0 = %т\ (6),

¿=1

где Ш| - составляющие взлетной массы ЛА;п - число составляющих, на которые в зависимости от цели расчетов, условно разбивается взлетная масса.

В данном случае уравнение (6) представляется в виде:

т0 = тТ + ткж + тпн со

Отметим, что все приведенные выше расчеты проводились без учета стохастичности процесса. Этот учет в данном случае затруднен тем, что большинство характеристик пожара не обладают статистической устойчивостью, что делает невозможным применение вероятностных методов. Однако, это не относится к характеристикам системы пожаротушения, что позволяет применить вероятностные методы в полной мере. В частности, полученные выше показатели надежности, опирающиеся на богатый статистический материал могут, в частности, помочь оценить вероятность требуемого запаса ОЖ.

Число заправок ОЖ с заданной вероятности- Рз будет равно:

П> 1 + -*-—

4(1 ~РЛ)

гдеРп-вероятности успешной заправки и полета от ЗП к пожару;Рь-вероятность создания огнезащитной полосы с требуемыми параметрами. Отметим, что вся приведенная выше методика расчетов технологических параметров относилась к сравнительно простому случаю, когда весь маршрут представлял собой треугольник "аэродром-водоем (или. ЗП) - пожар". В реальных же ситуациях граф, отображающий маршруты противопожарных мероприятий, может иметь гораздо более сложный вид из-за наличия нескольких очагов пожаров, водоемов или ЗП.Тогда, рассмотренные выше расчетные формулы, во-первых, существенно усложняются и во-вторых возникает задача оптимального планирования полетов по временным или материальным критериям.

Для вывода более общих зависимостей вводятся следующие допущения:

1. В рассматриваемом пожароопасном районе (ПОР) возникли и одновременно горят Мп - очагов пожаров.

2. В этом же районе имеются М - водоемов или заранее созданных ЗП.

3. Общая площадь ПОР допускает возможность использования М- водоемов и тушения Н, - очагов пожаров.

4. В момент начала обнаружения ближайшего очага пожара ВСУ начинает работу с ближайшего к этому очагу водоема.

Тогда, необходимое число сливов в общем случае подсчитывается в виде

Более подробные расчеты технологических параметров в случае нескольких водоемов и очагов пожаров будут даны ниже при оптимальном планировании операций.

3 Математические модели для оценки надежности применения ВСУ при тушении лесных пожаров

В третьей главе разрабатываются математические модели для определения показателей надежности ОЗП, созданных с помощью ВСУ, а также обоснования оптимальных требований к точности работы устройства. Здесь же приводятся результаты соответствующих расчетов по определению вероятности безотказной работы (ВБР) и ее зависимости от различных факторов.

Для объектов оперативного применения основным свойством является безотказность. Для ОЗП это свойство будет обеспечиваться требуемой

шириной полосы с заданной дозировкой (§,,)■ Если при создании полосы

суммы:

Ип

(9)

каким-либо техническим средством допущено, что В (Вч > т0 этот факт

можно интерпретировать как отказ, так как при этом условии ОЗП не будет выполнять своего назначения. Таким образом, одним из основных показателей надёжности вновь создаваемой ОЗП будет вероятность безотказной работы, то есть:

р{в)=р{в)вч2

(Ю),

где Р -ширина полосы с минимально-допустимой дозировкой- а .

_ Л. 1ШП

По аналогии с другими показателями безотказности для машин, в данном случае вводится гамма -процентное значение ВБР- Рг в виде:

означающее обеспечение заданной ширины полосы $ с дозировкой ^ . и вероятностью у , выраженной в процентах.

Для определения показателей надёжности необходимо иметь закон

С, | ПЛ>*плло»*Л?» I Ггтлччтллтт

ъ/тии диоп^/иикип, 1 ши 1 пиу 1 и

распределения величины Д может быть получена с помощью преобразования:

в(в)=/[<р(в)}'

¿В

На основании (12) получен закон распределения в виде:

в

\

—а

(12)

(13)

т.

Так называемое # -распределение , гдер = —=-

<5Г СТр

нормирующий множитель, учитывающий «усечённость»распределения. Тогда искомая ВБР определяется формулой:

Р Ы=0,5 +ф (г) (14), где 2 ■

На основании проведеных расчетов ВБР при различных условиях и значениях & и можно сделать следующие выводы:чем меньше д , тем

больше вероятность при той же ширине полосы, т.е. чем меньше степень рассеивания струи по ширине полосы , тем выше р );чем больше ,

начальная дозировка, тем больше Р \$) ;чем меньше , требуемая ц , тем больше р );чем меньше , интенсивность изменения степени рассеивания струи, тем вероятность выше.

Таким образом , разработанные математические модели позволяют оценить показатели надежности ВСУ для различных условий применения . Кроме того, полученные зависимости фигурируют в виде исходных данных при решении задачи оптимизации.

В результате многих экспериментальных исследований показано, что распределение дозировки по ширине 311 подчиняется нормальному закону с плотностью:

(я-тд)'

1

е 2 а.

(15)

где упч~ математическое ожидание дозировки (средняя дозировка);^ -

среднее квадратическое отклоните (С.К.О).

Как известно, вероятность того, что на определенном участке полосы дозировка превысит заданное значение q будет равна:

Щ >9з) = 0,5 + Ф(2) (16),

Ч -mq

где Ф(г)- функция JIaroiaca;z=-- аргумент функции Лапласа.

Анализ экспериментальных данных при полигонных испытаниях ВСУ показывает, что вдоль создаваемой полосы можно выделить несколько зон с одинаковой дозировкой от а до а .Очевидно, максимальной

■* max min

эффективностью будет обладать ВСУ, обеспечивающее максимальную вероятность заданной дозировки вдоль полосы.Допустим, что требуемые огнезащитные свойства обеспечиваются при дозировке не менее q . Тогда задача может сводиться к определению вероятности попадания жидкости иа участок от ü до а .Если известно математическое ожидание

тахдш J üäadan

дозировки q, то эта вероятность подсчитывается по формуле:

nq

v Л. mm

q <q

л i и

)=Ф

q -q

■L шах ■*

-Ф

q -q

J- mm -*

<x.

(17)

Как видно из формулы (17) Р(<7т!п <<7 )является функцией С.К.О.

(У , зависящего от конструкции и режимов работы ВСУ, а также от характеристик лесонасаждений. Очевидно, существует оптимальное значение ОТ*, обеспечивающее и, соответственно, максимальную эффективность ВСУ. Это оптимальное значение может быть получено из условия: дР

= 0

Используя формулу (17) имеем в развернутом виде:

f

~ \

<

во, №

¡е

о

2- Р Л. о

(19),где а Л»

СГ,

О",

Тогда уравнение для определения (уч имеет вид:

-V

'тах

-9

Ч е

2*1

2а: =о

(20)

Трансцендентное уравнение (20) решается относительно сг? численным

путём с помощью ЭВМ.

Поставленная и решённая выше задача является лишь частным случаем другой более общей задачи. Как указывалось выше, вследствие влияния трёх групп факторов защитные полосы как по форме, так и по требуемой дозировке существенно отличаются от идеального случая: прямоугольник с заданным отношением сторон и требуемой равномерной дозировкой. С точки зрения теории вероятности это условие соответствует вероятности попадания случайной точки в 3-х мерный прямоугольный параллелепипед со сторонами параллельными координатным осям . 4 Экспериментальные исследовании.

Четвертая, наиболее обширная глава, посвящена экспериментальным исследованиям.Целью проводимого эксперимента было проведение отработки технологических процессов прокладки противопожарных заградительных полос огнезадерживающим составом в различных лесорастительных условиях с применением ВСУ на внешней подвеске вертолета МИ-8.

В состав задач, которые необходимо было решить при проведении эксперимента входило:определение влияния режимов полета вертолета на параметры противопожарных полос, создаваемых на открытой местности при сливе жидкости из ВСУ вертолета МИ-8;определение избыточного давления в ВСУ и секундного расхода жидкости;определение влияния различной степени сомкнутости полога леса на задержание, проникновение и равномерность распределения жидкости при сливе из ВСУ вертолета МИ-8.

На основе результатов проведенных исследований был разработан и изготовлен Вырицким ОМЗ экспериментальный образец ВСУ с принципиально отличающимся от прежних конструкций энергоузлом -газогенератором.

Методика проведения эксперимента включала проведение следующих наземных работ:проверку комплектности ВСУ в соответствии с технической документацией;установку на вертолет системы управления сливом жидкости и проверка ее работоспособности согласно инструкций на установку и эксплуатацию ВСУ;подготовку 4 учетных площадок в низко- и среднеполнотном сосновом насаждении с сомкнутостью полога от 0,3 до 0,6 и на открытой местности с описанием лесоводственно-таксационных характеристик местности;установку на выбранных площадках водопремников

по 21 шт. через 0,5 м в ряду, расстояние между рядами 10-20 м , длина учетных площадок от 200 до 300 метров;выбор временного пункта заправки СВУ химсоставами и подготовка площадки для посадки вертолета;определение секундного расхода жидкости для различных диаметров насадков.

Для точного пролета вертолета и слива жидкости на учетную площадку обозначение линии пролета вертолета сигнальными флагами, установленными на вершинах деревьев.Все полеты выполнялись в соответствии с требованиями РЛЭ -МИ-8.

Эффективность опорных и заградительн ых полос определяется их огнезадерживающей способностью, зависящей от химического состава используемых веществ, их концентрации на полосе и от ширины самой полосы. В ходе ранее проведенных натурных опытов было установлено, что при использовании эффективных огнезадерживающих составов достаточно создавать опорную полосу ширмой 0,3-0,5 м и заградительную 4-6м при дозировке раствора на полосе 1-2,0 л/м2.

При сливе растворов химических веществ с летательных аппаратов в воздухе происходит значительное дробление падающей жидкости, что в свою очередь приводит к увеличению ширины прокладываемой полосы, потерям раствора за сч5т испарения и задержке его кронами деревьев, а б конечном итоге к неоправданно высокому расходу огнетушащего состава. В связи с этим жидкость необходимо формировать в мощную компактную струю, т.е. производить сливы под избыточным давлением через специальные насадки.

Расчет диаметра сливного отверстия насадка производится по формуле:

di = 2j2jVqh (21)

fan -JA~P

где ц - коэффициент расхода насадка;ДР - избыточное давление^ - плотность жидкости;я- дозировкой раствора при движении сливного устройства относительно земли со скоростью - У;р-коэффициент, характеризующий потери раствора при его сливе.

Формула (21) является основной для расчета параметров оборудования, предназначенного для создания заградительных полос химическими веществами с воздуха.

На основании статистической обработки экспериментальных данных с помощью ЭВМ получена табл.1, в которой приводятся основные данные " описательной статистики " (Descriptive Statistics ).

Среди прочих данных, представляющих самостоятельное значение, для нас наибольший интерес представляют такие данные как: среднее значение (mean), медиана (median), коэффициенты асимметрии (skewness) и эксцесса (kurtosis). По значениям перечисленных выше характеристик можно судить о близости случайных величин к тому или иному закону распределения. Так, в частности, близость медианы к среднему значению, сравнительно небольшие значения коэффициентов асимметрии и эксцесса (по модулю <2) позволяют

считать законы распределения близкими к нормальным. Для более полного подтверждения возможности данного допущения были получены графики

отклонений экстремальных точек от выравнивающей прямой, построенной по нормальному распределению, а также кривые плотностей распределения, совмещенные с соответствующими гистограммами (рис.1). Таблица 1

Основные данные статистической обработки

Параметр ы ■ Число замеров Среднее значение Медиана Минимум Максиму м Вариация Среднее кадратич- ное 5 £ К Й III Ы а о. Ё 8 и 51

V и 7,0714 6,8500 4,4000 10,300 1,9932 1,4118 0,4533 -0,041

Н 28 36,000 38,000 14,000 47,000 61,629 7,8504 -1,322 1,5188

О/У 28 3,2036 3,1000 2,3000 4,6000 0,3878 0,6227 0,7081 -0,057

I* 28 17,607 17,000 11,000 28,000 20,025 4,4749 0,4878 -0,469

В 28 8,8928 8,7000 2,2000 17,000 19,165 4,3778 0,1681 -1,133

0™ 28 1,4503 1,2350 0,3300 4,0700 0,7128 0,8442 1,2794 2,1393

X 0 28 0,3482 0,2950 0,0800 0,9800 0,0408 0,2020 1,3183 2,2674

Вторым этапом, предшествующим собственно факторному анализу,

является представление исходных данных в виде корреляционной матрицы, характеризующей степень линейной связи между случайными величинами (в данном случае признаками) и ковариационной матрицы , показывающей степень отклонения их от средних значений.Обе матрицы, полученные на

основании статистической обработки представлены в таблицах 2 и 3. Таблица 2

Корреляционная матрица ______

ПАРАМЕТРЫ V Н <)/У В Чти 0

V 1,00 0,14 -0,51* 0,28 0,02 -0,47* -0,47*

Н 0,14 1,00 0,38* 0,32 0,64* -0,57* -0,58*

<ЗЛГ -0,51* 0,38* 1,00 -0,11 0,42* 0,07 0,06

1к 0,28 0,32 -0,11 1,00 -0,27 0,01 0,01

В 0,02 0,64* 0,42* -0,27 1,00 -0,72* -0,72*

<Ьт* -0,47* -0,57* 0,07 0,01 -0,72* 1,00 1,00*

я -0,47* -0,58* 0,06 0,01 -0,72* 1,00* 1,00

Таблица 3

Ковариацонная матрица

ПАРАМЕТРЫ V Н О/У В Чти 0

V 1,99 1,5 -0,45 1,8 0,1 -0,6 -0,13

Н 1,53 1,6 1,87 11,4 22,0 -3,8 -0,92

<2/У -0,45 1,9 0,39 -0,3 1,1 0.0 0,01

1,78 11,4 -0,31 20,0 -5,3 ОД 0,01

В 0,12 22,0 1,15 -5,3 19,2 -2,7 -0,64

0™, -0,56 -3,8 0,04 0,1 -2,7 0,7 0,17

9 -0,13 -0,9 0,0! 0,0 -0,6 0,2 0,04

ДГ (нормализованная частота)

^абсолютная частота)

Рнс.1

В(м)

Так, из матрицы табл.2 можно сделать следующие выводы: наиболее

сильная обратная линейная связь существует между дозировкой и

шириной полосы (Кб/ ~ Квг = ~®'72)> и конечно, между

Л— г

q^uq последующими по степени влияния признаками влияющими на

ширину полосы, являются: высота ( — 0,64), далее отношение Q(V

(fCs/ =0,42), причем все эти связи положительны:длина сплошной части

струи lk (JCвлияет на ширину полосы слабо;сравнительно

сильной . оказывается связь между высотой и дозировкой (Kniq ,q =-0,57*0,58 );наиболее слабая связь отмечается между шириной

полосы и скоростью полета (f^ßjy =0,02).

По матрице ковариаций (табл.3) можно судить, что наиболее сильно отклоняются от средних высота (Н) и ширина полосы (В)- =22, у

остальных признаков степень отклонения незначительна.

В таблице 4 приведены значения компонентов вектора собственных чисел (eigenvalues) и их вклад в общую дисперсию.

Таблица 4 Значения компонентов вектора собственных чисел__

число ФАКТОРОВ an ап an Ö14

1 3,294752 47,06788 3,294752 47,06788

2 1,853217 26,47453 5,147969 73,54242

3 1.197708 17.11012 6,345677 90,65253

Из таблицы видно, что 90 % всей дисперсии падают всего на три главных фактора, которые и являются в данном случае главными компонентами.

Значения факторных нагрузок, полученных по критерию Уагйпах, приведены в табл.5.

Таблица 5 _ _ Значения факторных нагрузок

ПАРАМЕТРЫ ФАКТОР 1 ФАКТОР 2 ФАКТОР 3

V 0,362353 -0,770208* 0,274322

н 0,0715137* 0,337361 0,512520

Q/V 0,154961 0,916356* 0,049455

к -0,086299 -0,142072 0,959454*

В 0,878050* 0,346245 -0,172986

Q™* -0,952113* 0,235130 -0,007571

Q -0,953190* 0,228667 -0,011839

В результате углубленной статистической обработки экспериментальных данных получено, что с допустимой степенью точности основные случайные факторы, замеренные при эксперименте распределены по нормальным законам.Проведенный факторный анализ позволил выделить главные факторы, влияющие на ширину противопожарных задерживающих полос: высота полета, величина дозировки, расход жидкости на погонный метр и длина компактной части струи т.е. характеристика насадка.Перечисленные выше факторы почти полностью покрывают всю дисперсию.Полученные в

результате оптимизации по критерию Varimax факторные нагрузки позволяют оценить количественно степень влияния того или иного признака на ширину противопожарных задерживающих полос.Наиболыпий вклад в дисперсию дает первый фактор 47% , второй фактор дает около 26% и третий фактор около 17%.

Кроме того, экспериментальный материал был подвергнут статистической обработке на ЭВМ с помощью метода регрессионного анализа, который позволяет оценить связь условий слива с каждым из параметров полосы в отдельности по уравнениям регрессии.

В число факторов, привлеченных для исследования, были включены:

X] - секундный расход жидкости Q ; Х2 - скорость полета Jf ; Хз ~ расход на погонный метр Q/VXa ~ высота полета ]~J ; Xs ~ сомкнутость полога древостоя р ; Хв ~ шиРина полосы отклонение

ширины от средней ДД ; х$ " средняя максимальная дозировка (Jmsx

,Хд ~ коэффициент вариации макс й ; V7- имальной дозировки jQ

" "max

; - коэффициент пропускания П ' Xll _ коэффициент вариации

фактора '■> Xl2 ' поперечный, относительно курса, диаметр струи у

земли .При этом в качестве независимых факторов

выбраны: , Х2»Хз > ХдsXs 'а в качестае зависимых - последовательно рассматривались все остальные факторы.

В результате применения метода пошаговой множественной регрессии были получены следующие уравнения:

Кп = 0,62 -1,3р + 0,011Q + 0,029 Q/V; i=0,40;S = 0,11 (22)

Яшах ==-1>4-Р + 0,037Q + 0,24 Q/V - 0,028Н + 3,87Кп; г=0,70;5 = 0,64 (23) Яп --0,28 + 0,26р + 0,03 Q/V; г=0,26;5 = 0,15 (24)

"max

В =-l,8p + 0,24Q/V + 0,063H + 2,63Kn; г=0,50,5 = 0,83 (25)

Д/? = -0,7 + 0,026Q + 0.04Q/V + 0,019Н; г=0,32;8 = 0,34 (26)

где г - множественный коэффициент корреляции между фактическими значениями параметров полосы и значениями, рассчитанными по уравнению регрессии; 5 - стандартная ошибка оценки.

Таким образом, приведешше уравнения регрессии позволяют рассчитать ожидаемые характеристики заградительных полос в зависимости от условий слива при различной сомкнутости полога древостоя.

Один из графиков с помощью которого можно определить оптимальную скорость полета вертолета (высота полета 40 м) при конкретном значении секундного расхода жидкости и сомкнутости полога древостоя и, вместе с тем, определить длину заградительной полосы при сливе с заданными условиями представлен на рис.2.

График для определения скорости полета (V) и длины полосы, проложенной за 1 слив (1) при сомкнутости полога 0,3. а г»л1 ~ / /

У "/ / / / / / '

плане половы

' - - : ЯГ ~ * »

Рис.2.

График влияния параметров слива и сомкнутости полога на коэффициент пропускания жидкости показан на рис .З.Таким образом, можно сказать, что увеличение сомкнутости полога на 0,1 приводит к уменьшению коэффициента пропускания полога на 13%, а изменение секундного расхода на 10 л/с вызывает соответствующее изменение проникаемосги жидкости: при скорости полёта 5 м/с на 17%, при скорости 10 м/с на 13%, при скорости 15 м/с на 12%. Формула справедлива для параметров, находящихся в пределах следующих интервалов:

0,3 5< р < 0,65 25 < 0 < 45 (л/с) 5 < О/У < 15 (л/м)

Общая тенденция повышения коэффициента пропускания при увеличении секундного расхода жидкости под давлением позволяет сделать вывод, что увеличение избыточного давления в ёмкости позволяет позыситъ поток жидкости, проходящий через верхнюю границу полога древостоя. Заметим, что увеличение расхода жидкости путём изменения диаметра насадки ВСУ не приводит к повышению величины потока через верхнюю границу полога, так как начальная скорость жидкости при выходе из сопла не изменится.

Таким образом, можно сделать вывод, что основным фактором, приводящим к уменьшению коэффициента потерь жидкости в кронах, а, следовательно и повышению эффективности ВСУ, является повышение напора и создания узконаправленной более плотной струи жидкости.

Влияние параметров слива (У;(3) и сомкнутости полога (Р) на коэффициент пропускания жидкости.

\

К.

10

и

аг

ол

<14 о.г

ю

43

59

ЯШ

_ Р=0,4

_____ Р=0,5

_ Р=0,6

Рис.3.

Именно в этом направлении должен идти поиск конструктивных решений эффективных сливных устройств для создания смоченных заградительных полос с вертолетов.

5 Оптпмизапни маршрутов авиаппоппьл противопожарных средств оборудованпьга слнвпымд устройствами при борьбе к лесными пожарами.

В последней, пятой главе описывается постановка задачи и методы решения определения параметров оптимальной транспортной сети.

Рассмотрим общую постановку задачи. Пусть рассматриваемая схема организации пожаротушения с помощью авиационных противопожарных средств (АППС) имеет один основной аэродром, п - пожароопасных районов и ш - предполагаемых резервных источников для заправки огнегушашими жидкостями или водой.

Тогда задача о кратчайших маршрутах в сети с (т + п +1) узлами формулируется так, найти минимум целевой функции: 2= ЕХ^г/Ху (27), при ограничениях (исходный пункт);

(1.Л 0./1

Ихп = (промежуточные пункты), л=1 (пункты назначения) (28).

(1.4) ' (*./) (М)

Хи ^ 0 \/(1,7)- длина душ (время полёта, расход горючего и т.д.)

Указанная выше общая постановка учитывает лишь сетевые особенности модели, когда в ограничениях (28) подразумевается лишь перемещение единицы потока.Если иметь в виду объёмы перевозимых и потребляемых грузов (огнетушащих жидкостей, оборудования, людей и т.д.), то задача будет иметь другую форму математической постановки.При этом возможными будут два варианта:детерминированный вариант, когда все элементы математической модели являются детерминированными величинами; стохастический вариант, когда некоторые элементы представляют случайные величины.

Постановка задачи в первом варианте по существу не отличается от стандартной формы транспортной задачи, однако, при этом в качестве исходных пунктов (ИП) будут фигурировать кроме начального ИП -аэродрома, другие ИП - резервные площадки (водоёмы или площадки с заранее завезёнными ВСУ и оборудованными заправочными пунктами). В качестве управляемой переменной вводится величина количество груза, перевозимого из пункта 1 в пункт Исходными данными при этом будут - масса (объём) груза, расположенного в 1 -ом ИП, Ь) - масса (объём) груза, который необходимо перевести в пункт назначения пожароопасный район для тушения лесного пожара, с - стоимость (или время) перевозки

единицы груза из I в |Транспортная модель изображается в виде ориентированного взвешенного графа (Рис.4) или транспортной таблицы.

Граф имеет вид:

СтпХтп

Рис.4.

В математической форме задача выглядит так: найти обеспечивающие минимум целевой функции Ъ .

1И и

/.1 j.l

(29),

приограниченияхХх, *а, * = Щ)т КОп

(30)

Обычно полагают, что = то есть объём перевозимого груза в

1-I >1

точности равен требуемому, при этом задача называется сбалансированной. Для сбалансированной модели ограничения (30) имеют вид:

в т

Хх,=<я, ; (30а)

>1 1-1

Особенностью решения задачи при использовании АППС для тушения лесных пожаров является неопределённость некоторых исходных данных. Так, в некоторых случаях при использовании водоёмов для набора воды вследствие различных причин не удаётся заполнить ёмкости и величина дг, в резервных пунктах может быть случайной.Кроме того, как правило, случайной величиной может быть и -потребное количество груза

(огнетушащей жидкости) для тушения или создания заградительных полос при работе на лесном пожаре.В этом случае задача становится вероятностной и должна решаться с помощью методов стохастического программирования. Строго говоря , учет стохастичности в ограничениях (30а) делает постановку задачи не корректной, так как уравнять вероятности Ры и рь. практически и

теоретически невозможно.Однако, путем некоторых преобразований , заключающихся в замене вероятностей их квантилями задача сводится детерминированной. Покажем, как это можно сделать.Введём допущения, что а, и £ являются нормально распределёнными случайными величинами с математическими ожиданиями и среднеквадратическими отклонениями , соответственно, т^Ш^а^СГ»-

Тогда, целевая функция (29) останется неизменной, но ограничения примут иной вид. В частности, в обоих ограничениях.должна присутствовать вероятность, учитывающая перечисленные выше случаи (забора воды, создания полосы или тушения пожара).

Условия забора воды в $ -ом заправочном пункте (ЗП) с вероятностью Ры будет иметь вид:

/

р^ 0,5 + Ф

аг та,

(31),

с другой стороны, условие создания полосы или тушения пожара в 1 пожароопасном районе:

. ЪгГПъ

-ом

Д = 0,5-Ф

<Уы

(32)

Тогда оба ограничения запишутся следующим образом:

Ü.^Ilx,,

(33),

bj^ílx„

•Р»

(34)

Исходя из условия, что обе величины нормально распределены и некоррелнроваиы, можно выражения (33) и (34) записать в виде:

агт.,^

хи-та,

<хш

<Уш

= 0,5 + Ф

( \ агт,

\ сг„, У

т

Ьгт* >§Ху"И1»

<7« СГ4У

I о-« .

(33а)

(34а)

Неравенства (33а) и (34а) могут выполняться при условиях:

- " т

<0,5 + К;,_ (35),

СУь}

,соответственно, квантили отвечающие определённым

значениям вероятностей Ры и Рь. (аргументам функций Лапласа [Ф{...)]).

Тогда, вероятностные ограничения будут иметь линейный вид.

Таким образом, транспортная задача с вероятностными ограничениями преобразована в традиционную форму линейного программирования, которая может решаться с помощью аналитических методов (например, с помощью метода потенциалов) или численным путём с помощью ППП.

Следует , однако, сделать еще одно замечание. В связи с учетом стохастичности условий в пунктах отправления (водоемах, заправочных пунктах и т.д.) и пунктах назначения (пожары) реальными будут ситуации, когда задача оказывается несбалансированной, т.е. ограничения (30а) не будут выполняться и решение становится неопределенным.Как известно, в теории линейного программирования в этих случаях применяется метод фиктивных пунктов.Так, если , то вводятся фиктивные пункты отправления (в

транспортной таблице снизу добавляется строка).Количество "продукции"( в данном случае огнетушащей жидкости или воды), "отправляемой" в пункт назначения будет представлять собой объем недостающей "продукции". В нашем случае эта величина определяется из следующего соотношения:

Д.-1

М

ГПу +

[о,5 -КР)

'<Уы

(37)

Аналогичное соотношение можно было бы записать и для случая, когда однако, в реальности, превышение потребной величины огнетушащей

жидкости или воды будет идти лишь на быстрейшую ликвидацию пожара и может не учитываться ("идет в запас прочности").

На основании решения задачи сформированы оптимальные транспортные сети для выбранного района Карельского перешейка и гипотетической пожарной ситуации. Один из вариантов транспортная модель для 4-х заправочных пунктов представлена на рис.5. На основе приведенных методов

может быть построена оперативная транспортная сеть любого района. Глава заканчивается анализом чувствительности оптимальных решений.

Транспортная модель для 4-х ЗП. Транспортная таблица

Х,=400 90 Хг=400 ( 90 Х3 | 160 Х4 | 240 х5 300

X« 240 Хт=100 | 72 Ха-500 ! [ 320 400

X, Хю

Х„=225 96 х1г | 230 хи | 310 X,4=675 | 40 1 160

х„

х16 240 | 310 Хи | 320 Х„-75 | 96 Хи«=625 40

Хп

Транспортная сеть

Рис.5

Основные выводы в рекомендации

1. В результате изучения состояния проблемы борьбы с лесными пожарами установлено, что наряду с другими методами весьма эффективным является применение авиационных технических средств и , в частности , вертолетных сливных устройств (ВСУ), обеспечивающих высокую оперативность и надежность тушения локальных очагов возгорания при расстояниях «пожар-аэродром» до 80-100км, а «пожар-водоем» до 10 км.

2. Учет вероятностных факторов при определении основных технологических параметров в первом приближении показывает, что при заданной вероятности тушения пожара, равной 0,9 число заправок ВСУ должно быть не менее 3-х.

3. При разработке математических моделей оценки надежности применения ВСУ в качестве основного показателя целесообразно принять безотказность. Для огнезащитной заградительной полосы (ОЗП) это свойство будет обеспечиваться требуемой шириной с заданной дозировкой

4. При введенных допущениях, основанных на экспериментальных данных, плотность распределения требуемой ширины полосы с заданной дозировкой может быть представлена в вида двух параметрического (X-

распределения. При этом параметры закона ОС и ¡3 определяются, исхода из характера зависимости изменения дозировки по ширине ОЗП (линейном или экспоненциальном).

5. Согласно полученным зависимостям вероятность безотказной работы ( ВЕР) увеличивается с уменьшением (X и увеличением , что при прочих равных условиях соответствует уменьшению степени рассеивания струи по ширине полосы и увеличению начальной дозировки. Технически это достигается, в частности, сливом под давлением до Р = 0,4 мш.

6. Оптимальные требования к точности работы ВСУ могут быть получены с помощью комбинации метода Эйлера и правила Лейбница.Согласно полученной с помощью аппроксимации полуэмпирической зависимости

Оптимальное значение (У ц ПРИ заданных значениях размеров полос по длине и ширине зависит только от среднего значения дозировки, причем при

увеличении Ц значение (у^ уменьшается.

7. В результате статистической обработки результатов экспериментов

можно задавшись^ найти оптимальное значение

*

*

получено, что основные параметры: ширина полосы - В, минимальная и средняя дозировки (С£тах и Q ) подчиняются нормальным законам.

8. Корреляционный анализ экспериментальных данных показал, что наиболее сильная обратная линейная связь существует между дозировками и шириной полосы.Последующими по степени влияния на ширину полосы

являются высота полета и отношение QjV, причем эти связи

положительны. Длина сплошной части струи влияет на ширину полосы незначительно.Сравнительно сильной оказывается связь между высотой полета и дозировкой.Наиболее слабая связь между шириной полосы и скоростью полета.

9. Применение для интерпретации экспериментальных данных факторного анализа с использованием методов главных компонент при ортогональном и многомерном преобразованиях (методом Varimax) показало, что все признаки можно разбить на три главных фактора : максимальная дозировка и высота; скорость полета и расход жидкости на квадратный метр; длина компактной части струи, т.е. характеристика насадка. При этом , перечисленные факторы покрывают 90% вклада в общую дисперсию.

10. Полученные в результате применения метода пошаговой множественной регрессии уравнения позволяют оценить ожидаемые характеристики ОЗП в зависимости от условий слива при различной сомкнутости древостоя. Так, например, увеличение сомкнутости полога на 0,1 приводят к уменьшению коэффициента пропускания на 13% , а изменение секундного расхода на 10 л/с вызывает соответствующие изменения проникаемости жидкости: при V=5 м/с на 17% , при V=10 м/с на 13%, при V=15 м/с на 12%. Таким образом , основным фактором , приводящих к уменьшению коэффициента потерь жидкости в кронах и , следовательно к повышешио эффективности ВСУ, является повышение напора и создание узконаправленной струи жидкости.

11. Применение модифицированного метода ЛП с учетом вероятностных характеристик на конкретном примере выбранного на Карельском перешейке района позволило определить оптимальные транспортные сети в случае применения различного числа вертолетов МИ-8Т с ВСУ и при различных пожарных ситуациях. Предполагаемый ориентировочный экономический выигрыш при использовании оптимальных вариантов может составить до 200%. Кроме того, в некоторых случаях неоптимальные варианты могут вообще ставить под угрозу возможность выполнения операции.Полученные параллельно с решением основной задачи характеристики чувствительности позволяют оценить значимость единиц того или иного вида ресурса, что дает возможность обоснованного варьирования параметров в случае непредвиденного изменения обстановки.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Модин В.И. Повышение эффективности процесса прокладки опорных и заградительных полос антипиренамиУ/ Механизация лесохозяйственных работ в Северо-Западной таежной зоне: Сб. науч. тр.; ЛенНИИЛХ, 1987 -С. 73-76.

2. Модин В.И. Методика расчета основных параметров противопожарных полос, создааваемых антипиренами.//Лесные пожары и борьба с ними: Сб. науч. тр.; ЛенНИИЛХ, 1989. - С. 93-99.

3. Андреев В.Н., Модин В.И.Оптимизация маршрутов авиационных противопожарных средств оборудованных сливными устройствами при борьбе с лесными пожарами.(Труды, СПбНИИЛХ, вып.2(3), 2000.).

4. Модин В.И.Определение показателей надежностиогнезащитных заградительных полос созданных с помощью ВСУ.(Труды, СПбНИИЛХ, вып.2(3), 2000.).

5. Андреев В.Н., Модин В.И. Определение оптимальных требований к точности работы вертолетного сливного устройства.(Труды, СПбНИИЛХ,

. вып.2(3), 2000.).

Отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями просим присылать по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5, Лесотехническая академия, Ученый Совет.

Отпечатано с готового оригинал-макета. Лицензия ЛР № 020578 ог 04.07.97.

Подписано в печать с оригинал-макета 26.10.2000. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Уч.-изд. л. 1,5. Печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 297. С 19а.

Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия Издательско-иолиграфический отдел СПбЛТА 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 3

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Общее состояние проблемы тушения лесных пожаров. 1.2.Особенности применения авиационных средств для тушения лесных пожаров. 1.3.Аналитический обзор исследований, посвященных применению авиационных средств (самолетов-танке-ров, вертолетных сливных устройств-ВСУ) для тушения лесных пожаров. 1.4.Задачи исследований.

ГЛАВА 2.ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРИМЕНЕНИЯ ВСУ 2.1 .Общее описание технологического процесса применения ВСУ.

2.2.Применение вертолетного сливного комплекса КСВ-1 при борьбе с лесными пожарами.

2.3.Технология прокладки противопожарных полос с применением модульного сливного вертолетного устройства-МСВУ.

2.4.Методика определения основных технологических параметров.

ГЛАВА 3. М АТЕМЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДЛЯ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ВЕРТОЛЕТНЫХ СЛИВНЫХ УСТРОЙСТВ ПРИ ТУШЕНИИ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ 3.1.Определение показателей надежности огнезащитных заградительные полос созданных с помощью ВСУ, 3.2.Определение оптимальных требований к точйости работы ВСУ;

ГЛАВА ^ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

4 J .Цель и задачи эксперимента.

4.2.Объекты исследований. Методика проведения эксперимента.

4.3.Статистическая обработка результатов. 78 4.3.1.0бщая статистическая обработка.

4.3.2.Корреляционный анализ.

4.3.3.Факторный анализ.

4.4.Влияние технических и природных условий на параметры противопожарных полос.

4.4.1 Влияние технических условий на параметры заградительных полос. 89 4.4.2.Влияние полога древостоя при создании заградительных полос с помощью ВСУ.

ГЛАВА 5.0ПТИМИЗАЦИЯ МАРШРУТОВ АВИАЦИОННЫХ

ПРОТИВОПОЖАРНЫХ СРЕДСТВ ОБОРУДОВАННЫХ СЛИВНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ ПРИ БОРЬБЕ С ЛЕСНЫМИ ПОЖАРАМИ

5.1 .Общая постановка задачи оптимизации. Выбор и обоснование метода оптимизации, показателей эффективности и управляемых переменных, составление целевой функции.

5.2.Расчет оптимальных технологических параметров средств пожаротушения при тушении лесных пожаров с помощью ВСУ.

5.3.Учет стохастических условий. 118 5,4.0ценка чувствительности оптимальных решений.

Лес - неоценимое богатство нашей страны. Общеизвестно его значение в экономике как уникального воспроизводимого ресурса. Не менее важными являются экологические и рекреационные свойства лесных угодий.

Однако, лес, одновременно с непрерывным использованием требует постоянных усилий по его охране и восстановлению. К сожалению, следует констатировать, что в настоящих условиях потребительские действия значительно превышают восстановительные и охранные расходы. Естественно, 1 что это противоречие не могло не привести к огромным экономическим потерям, наиболее значительными из которых являются потери, связанные с пожарами. Так, только в прошедшем 1999 году на территории РФ было зарегистрировано 16900 пожаров.Площадь пройденная огнем составила: лесная-603509,82 га; нелесная-350121,98 га.Кроме непосредственных экономических потерь во многих регионах РФ и, в частности, в Ленинградской области в прошлом году возникали чрезвычайные ситуации, угрожающие населенным пунктам, промышленным предприятиям, ЛЭП, трубопроводам и другим элементам инфраструктуры.

В значительной степени эта обстановка сложилась не только из-за природно-климатических условий, но и из-за ослабления системы противопожарной охраны, объясняющейся систематическим дефицитом финансирования лесного хозяйства. Выделяемых бюджетом средств хватает, в t основном, на осуществление менее половины необходимых мероприятий по организации охраны лесов от пожаров.

Естественно, что в результате недофинансирования страдают не только непосредственные силы и средства борьбы с огнем, но и научное обеспечение этих средств, призванное обосновывать и разрабатывать как новые прогрессивные мероприятия пожаротушения, так и перспективные технические средства.

Одним из таких средств являются авиационные противопожарные средства (АППС) и, в частности, вертолеты, оборудованные вертолетными сливными устройствами (ВСУ). Применение вертолетных противопожарных средств началось, по существу, с начала создания надежных и эффективных летательных аппаратов этого класса, то есть с 50-х годов нашего столетия. Сначала вертолеты применялись лишь как транспортные средства, однако сравнительно быстро в США, Канаде, Франции и в нашей стране стало разрабатываться специальное противопожарное оборудование. Эти разработки, естественно, требовали соответствующего научного сопровождения, направленного на создание методов применения ВСУ, повышение надежности и эффективности и т.д.

Наиболее активно отечественная наука стала заниматься этими вопросами примерно 35-40 лет назад (ЛенНИИЛХ, ГосНИИГА, Центральная авиабаза). При этом, было разработано противопожарное вертолетное оборудование, проводились теоретические и экспериментальные исследования, целью которых было обоснование наиболее эффективных методов и средств применения ВСУ и т.д.

Однако, несмотря на значительный научный задел, созданный учеными и конструкторами перечисленных выше организаций, ряд научных теоретических и практических задач пока еще остается нерешенным. Поэтому тема данной диссертации, посвященной обоснованию оптимальных требований к параметрам и режимам применения вертолетных средств тушения лесных пожаров является несомненно актуальной, теоретически и практически важной. Диссертационная работа состоит из 7 глав, введения и заключения. Основное содержание работы изложено на 129 стр., в диссертации имеется 28 рисунков и 15 таблиц. Список литературы содержит 27 наименований.

Краткая аннотация работы:

Во введении обосновывается актуальность темы, дается краткая аннотация работы, формулируется цель работы, научная новизна, практическая значимость ^ основные положения, выносимые на защиту.

В цервой главе анализируется общее состояние проблемы лесных пожаров, указываются необходимые условия успешного их тушения, описываются технические средства борьбы с огнем, а также особенности применения авиационных противопожарных средств (АППС). Здесь же приводятся задачи исследований

Вторая глава посвящена обоснованию технологии применения ВСУ. При этом дается общее описание технологического процесса (ТП) тушения пожаров и указываются его особенности. Кроме того, здесь рассматриваются методы борьбы с огнем, описывается состав вертолетного сливного комплекса КСВ-1, а также приводится методика расчета технологических параметров.

В третьей главе разрабатываются математические модели для определения показателей надежности ОЗП, созданных с помощью ВСУ, а также обоснования оптимальных требований к точности работы устройства. Здесь же приводятся результаты соответствующих расчетов по определению вероятности безотказной работы(ВБР) и ее зависимости от различных факторов.

Четвертая, наиболее обширная глава, посвящена экспериментальным исследованиям. Здесь описываются цель и задачи эксперимента, методика его проведения, применяемая аппаратура и приводятся результаты. Результаты эксперимента подвергнуты тщательной статистической обработке, состоящей из трех частей: общей описательной статистики; корреляционного и факторного анализов.

В последней, пятой главе описывается постановка задачи и методы решения определения параметров оптимальной транспортной сети. Особенностью задачи является учет вероятностных ограничений. Путем введения допущений и некоторых преобразований задача сводится к обычной задаче линейного программирования (ЛП) с особым видом ограничений. На основании решения задачи сформированы оптимальные транспортные сети для выбранного района Карельского перешейка и гипотетической пожарной ситуации. На основе приведенных методов может быть построена оперативная транспортная сеть любого района. Глава заканчивается анализом чувствительности оптимальных решений.

Цель работы: Повышение эффективности вертолетных средств тушения лесны* пожаров за счет применения рекомендаций по оптимальным техническим параметрам, технологическим режимам и организации маршрутов.

Объекты исследований: Объектами исследований являются: противопожарное оборудование вертолета МИ-8Т, технологические процессы его применения, результаты натурных экспериментов, организация оптимальных транспортных сетей.

Научная новизна работы: Научную новизну имеют:

- Математические модели для определения показателей надежности огнезащитных заградительных полос (ОЗП), основанные на применении теории полуслучайных процессов, и полученные при этом законы а-распределения ширины ОЗП с заданной дозировкой;

- Математические модели для определения оптимальных требований к точности работы сливных насадков, основанные на использовании методов Эйлера-Лейбница;

- Закономерности, описывающие зависимости ВБР ОЗП от ряда технологических и природных факторов, полученные в результате комплексной теоретико-экспериментальной методики, включающей описательную статистику, корреляционный и факторный анализы;

- Оптимизационные математические модели построения транспортных сетей, обеспечивающие максимальную эффективность операции тушения, пожаров с помощью ВСУ и основанные на применении ЛП с вероятностными ограничениями. Значимость для теории и практики: Для теории имеют значение:

- Методика определения законов распределения ширины ОЗП в виде а-распределения и полученные при этом параметры закона (а и р);

- Получение с помощью методов Эйлера и Лейбница трансцендентногд уравнения для определения оптимального значения среднего квадратического отклонения (С.К.О.)-£7~„ сливного насадка. Полученная путем аппроксимации

- Полученные в результате статистической обработки эксперимента законы распределения основных параметров ТП и их значения; установленные корреляционные связи между параметрами ТП и значения корреляционных коэффициентов; выделение трех главных факторов ТП создания ОЗП;

- Установление с помощью пошаговой множественной регрессии закономерностей, связывающих ожидаемые характеристики ОЗП с технологическими и природно-климатическими условиями;

- Постановка задачи и метод решения задачи ЛП с вероятностными ограничениями, учитывающими различные условия заправки ВСУ в процессе работы.

Для практики имеют значение:

- Результаты расчетов ВБР вертолета с ВСУ в зависимости от технологических режимов и полученные при этом рекомендации по высоте и скорости полета, характеристик расхода и других факторов;

- Рекомендации по требуемым для создания ОЗП дозировкам при различных природно-климатических условиях;

- Требуемая оптимальная точность работы ВСУ;

- Рекомендации по созданию оптимальных транспортных сетей и значения коэффициентов чувствительности, позволяющих оперативно корректировать принимаемые решения; - Рекомендации по требуемым конструктивно-технологическим характеристикам ВСУ, обеспечивающим максимальную эффективность тушения лесных пожаров. полуэм лирическая зависимость 0"

Апробация работы:

Основные положения диссертационной работы докладывались на ученом совете Санкт-Петербургского НИИ лесного хозяйства. Публикации:

Материалы диссертации опубликованы в 5 статьях. Результаты исследований отражались в научно-технических отчетах [22],[23],[27]. Основные положения, выносимые на защиту:

- Возможность представления математической модели для получения закона распределения ширины полосы с заданной дозировкой в виде полуслучайного процесса с линейным или экспоненциальным законом скорости изменения дозировки;

- Возможность получения трансцендентного уравнения для определения (X с помощью комбинации методов Эйлера-ч

Лейбница и полученная при этом полуэмпирическая зависимость;

- Представление основных параметров полосы в виде нормальных законов распределения с полученными при эксперименте параметрами;

- Корректность представления корреляционных связей и выделения главных факторов;

- Корректность суждения о главном влиянии повышения напора и создания узко направленной струи на уменьшение потерь жидкости из-за влияния сомкнутости полога; 1

- Возможность сведения задачи стохастического программирования к задаче ЛП с детерминированными ограничениями, зависящими от аргументов функции Лапласа и квантилей распределения.

Выводы:

Оптимальное значение С.К.О. дозировки может быть определено аналитическим путем с использованием комбинации методов Эйлера и Лейбница;

Оптимальное значение С.К.О. при заданных значениях размеров полос и их вероятностных характеристик по длине и ширине зависит только от среднего значения дозировки- q, причем при увеличении q значение (Уч уменьшается;

3) Оптимальные значения С.К.О. могут быть использованы при оценке качества ВСУ с использованием графика (Рис.9.) или по полуэмпирическому уравнению.

Глава 4. Экспериментальные исследования. 4.1 .Цель и задачи эксперимента.

Целью проводимого эксперимента было проведение отработки технологических процессов прокладки противопожарных заградительных полос огнезадерживающим составом в различных лесорастительных условиях с применением СБУ на внешней подвеске вертолета МИ-8. В состав задач, которые необходимо было решить при проведении эксперимента входило:

Определение влияния режимов полета вертолета на параметры противопожарных полос, создаваемых на открытой местности при сливе жидкости из СВУ вертолета МИ-8.

Определение избыточного давления в СВУ и секундного расхода жидкости. Определение влияния различной степени сомкнутости полога леса на задержание, проникновение и равномерность распределения жидкости при сливе из СВУ вертолета МИ-8.

4.2.0бъекты исследований. Методика проведения эксперимента.

На основе результатов проведенных исследований был разработан и изготовлен Вырицким ОМЗ экспериментальный образец СВУ с принципиально отличающимся от прежних конструкций энергоузлом -газогенератором. На рис.И. Приведена принципиальная схема конструкции СВУ. СВУ представляет собой систему, состоящую из следующих основных узлов: емкости I, рамы-подставки II, коллектора передачи газов 4, газогенератора 5, площадки для установки газогенератора 6, контактного кабеля подачи электропитания 7, ствола 8 с крышкой-затвором 9, заборника огнетушащей жидкости с вентильным краном 10, предохранительного клапана 15, контрольного крана 14, узлов подвески СВУкЛАЗ. Емкость для огнетушащей жидкости представляет собой цилиндрический стальной сосуд с эллиптическими днищами, имеющий два технологических разъема по фланцам. Верхняя и нижняя крышки емкости соединены с

Рис.11 центральной частью - обечайкой - болтами. Герметичность по фланцам обеспечивается установкой резиновых прокладок.

На верхней крышке емкости установлен предохранительный клапан 15, который открывается при избыточном давлении в емкости 0,6 МПа. Ввод газов в емкость производится через устройство ввода, установленное в верхней части верхней крышки. Герметичность обеспечивается нипельным соединением с коллектором подачи газов.

Заправка емкости контролируется контрольным краном 14. Свободный объем в верхней части емкости составляет 80-100 л.

Обечайка - средняя часть емкости - сварной цилиндр диаметром 0,8 м, длиной 1,2 м. На обечайке приварены фланцы для соединения с рамой-подставкой. Нижняя крышка емкости сварной лепестковой конструкции, имеет в нижней части установленный на резьбе сливной ствол 8. Ствол снабжен крышкой-затвором 9, которая открывается при давлении в емкости 0,13-0,14 МПа. На емкости установлен ряд штуцеров-приемников для измерения в период испытаний давления и температуры.

Подвеска к летательному аппарату обеспечивается штатной подвеской за скобы 3.

Рама-подставка предназначена для соединения емкости СВУ с опорой и обеспечивает всей системе устойчивое положение при эксплуатации на земле. Рама-подставка Н - сварная конструкция из стальных труб с внешним диаметром 50 мм и толщиной стенки трубы 5 мм. Состоит из двух полурам, которые соединяются между собой при помрщи болтов диаметром 6 мм в шести разъемах. Верхние части полурам представляют собой площадки, приваренные к верхним полукольцам. Площадки имеют отверстия для соединения с фланцами емкости болтами диаметром 20 мм. Для удобства работы на верхней части СВУ на раме установлена лестница-стремянка. На раме-подставке приварена площадка для установки газогенератора 6. Коллектор 4 представляет собой изогнутую трубу диаметром 50 мм и толщиной стенки 1,5 мм из нержавеющей стали. Концы трубы имеют нипельное соединение, обеспечивающее герметичность. Газогенератор предназначен для создания избыточного давления до0,4 МПа в емкости СВУ

V; л4 ^ \\ч ^

N v^^4^

Рис.12 при прокладке противопожарных (заградительных или опорных) полос путем вытеснения огнетушащей жидкости из СВУ.

Принципиальная схема конструкции газогенератора представлена на рис. 12. Корпус газогенератора I представляет собой полый цилиндр, в котором установлены решетки 4, регулировочное кольцо 14, прокладка 12 и втулка 3. Корпус газогенератора закрывается крышкой 2, которая крепится к корпусу двенадцатью болтами. В крышке установлена мембрана 5, которая закреплена ввернутым в крышку штуцером с соплом 6. В днище корпуса установлен стакан 7, который поджимается к днищу корпуса втулкой 9. Втулка закрепляется гайкой 10. Втулка оканчивается разъемом с резьбой М24х1,5, обеспечивающим подключение контактного кабеля от летательного аппарата. Герметичность по днищу газогенератора обеспечивается уплотнительным кольцом 12.Втулка 9 имеет гнездо под пиропатрон II и канал к воспламенителю 8.Элемент снаряжения 13 может быть выбран по форме, весу, объему, а также площади горения, только после стендовых испытаний газогенератора. Поэтому не исключается возможность установки в конструкцию дополнительных регулировочных колец и прокладок. Перечень материалов, из которых изготовлены детали газогенератора, приведен в табл.3.

Конструкция СВУ предусматривает возможность использовать газогенератор на емкости без установки коллектора. В этрм случае газогенератор своим фланцем устанавливается вертикально (перевернутым) на верхней крышке емкости. При работе газогенератора рабочий объем емкости заполняется газами без коллектора. Основные характеристики СВУ:

Масса снаряженного СВУ, кгс 2100-2200

Масса пустого СВУ, кгс 1100-1200

Объем заполнения огнетушащей жидкбстью, л 1000

Свободный объем, л 8СМ00

Рабочее давление в емкости СВУ, МПа 0,4

Давление срабатывания предохранительного клапана, МПа 0,6

1. Федеральная целевая программа "Охрана лесов от пожаров на 1999-2005гт."

2. Арцыбашев Е.С. Техническое решение лесопожарной проблемы// Борьба с лесными пожарами: Сб. науч. тр./СПбНИИЛХ,1998.-С.5-15.

3. Арцыбашев Е.С. Тушение лесных пожаров с воздуха в Канаде и США.-М.//ЦБНТИлесхоз, 1977.-27с.

4. Арцыбашев Е.С. Авиационные и космические методы в охране лесов от пожаров.В сб.,: Горение и пожары в лесу. Изд.Ил и Д, Красноярск, 1978, с.24-27.

5. Арцыбашев Е.С., В.И.Васильев. Временная инструкция по применению вертолета Ми-8Т при борьбе с лесными пожарами.Изд., ЛенНИИЛХ, 1979,14с.

6. Арцыбашев Е.С. Охрана лесных пожаров в США.Изд.,ЦБНТИ лесхоз,М., 1979,28с.

7. Simard S.I. Air tanner simulation model devoleped.-Fire manag.Notes, 1977,38, № 1,6.

8. Rainey Thomas Milton,Schwartz Martin.Fire extinguishing method.Пат.США, кл. 169-2 R, (A 62 с 3/00), № 3759330, заявл. 07.08.69, опубл. 18.09.73.

9. Eason Ward R. Airborne tire supression uni Evergreen Helicopters, Ins. Пат.США, кл. 169-53,(A 62 с. 27/30),№ 3897829, заявл.31.05.73, опубл.05.08.75.

10. Tomlinson Francis Е. Fire tighting helicopter. Пат.США,кл. 169-53,(A 62 с 27/30), № 4090567, заявл,26.10.76, № 735736,опубл.23.05.78.

11. Stomer Н. Die Einsatz von Luftfahrzeugen zur Waldbraudbe kampfung. Allg. Forstzeitschrift, 1978, №27,778-781.

12. Prager H.G. Loschflugzeuge, Rettungshubschrauber, Smoke Jumpers. Mag. Feuerwehrmann, 1978,3,№ 9,260-264.

13. Millischer P. Utilisation des helicopters. Rev.forest frane., 1975,27 num. spec.2,466-472.

14. Favilli P. Barberis G. L uso dell elicottero nella campagna antincendi 1975 in provincia di Nuoro.Monti 1 boschi,1976,27,№ 2,3-22.

15. Применение вертолетов для борьбы с лесными пожарами.Secur.civ.et ind.,1982,№320,c.48-49.

16. Hakaraba Т. Test on dropping of extingushing agents from helicopter.Сабо кагаку кэнюосё xo, Rept Fire Sci.Lab.l976,№ 13,127-134.П.Молчанов В.П., Прошкин И.А. Вертолёт Ми-4 в борьбе с лесными пожарам и.-Л.// ЛенНИИЛХ, 1956.-15с.

17. Ерёмин В Н., Пуздриченко В.Д. Математическая модель процесса тушения лесного пожара.-В кн.: Пути повышения производительности лесов и их рациональное использование.Рига,1976,-72с.

18. Отработать способы тушения лесных пожаров. перспективными химическими веществами с помощью наземной аппаратуры и с воздуха. :Отчет/ЛенНИИЛХ;руководитель темы Арцыбашев Е.С.Тема 053.01.04.03,- Л., 1978,- 160с.

19. Разработать эффективные способы и средства борьбы с лесными пожарами в зоне авиационной охраны лесов.:Отчет/ЛенНИИЛХ;руководитель темы Арцыбашев Е.С.Тема 053.01.02.01.-Л., 1985.-89с.

20. Разработать авиационные лесопожарные технические средства.:Отчет/СПбНИИЛХ;руководитель темы Пуздриченко В.Д.Тема "Авиационное оборудование",1992.-73с.

21. Модин В.И. Повышение эффективности процесса прокладки опорных и заградительных полос антипиренами.// Механизация лесохозяйственных работ в Северо-Западной таежной зоне: Сб. науч. тр.; ЛенНИИЛХ, 1987. -С. 73-76. •ь

22. Модин В.И. Методика расчета основных параметров противопожарных полос, создааваемых антипиренами.// Лесные пожары и борьба с ними: Сб. науч. тр.; ЛенНИИЛХ, 1989. - С. 93-99.

23. Дружинин Г.В.Надежность автоматизированных производственных систем.-М.: Энергоатомиздат, 1986.-480 с.

24. Разработать технику и тактику тушения лесных пожаров перспективными высокоэффективными химическими веществами с помощью наземной аппаратуры и с воздуха.: Отчет/ЛенНИИЛХ; руководитель темы Арцыбашев Е С. Тема 053.0104.03.-Л.,1980.-228с.