автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Системный анализ моделей описания процессов возникновения и развития пожара

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. СИСТЕМАТИЗАЦИЯ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ РАЗВИТИЯ ПОЖАРОВ.

1.1. Системный подход к построению моделей пожара.

1.2. Классификация современных методов оценки свойств пожарной опасности

1.3. Анализ математических моделей описания пожара.

1.4. Классификация недетерминированных методов моделирования.

Выводы.

ГЛАВА II. СИСТЕМРЫЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ВОЗНИКНОВЕНИЯ И РАЗВИТИЯ ПОЖАРОВ.

II.1. Классическое описание процесса возникновения и развития пожара.

II. 2. Кибернетическое описание процесса возникновения и развития пожара.

II. 3. Физическое моделирование процесса возникновения и развития пожара.

II. 4. Экспертная оценка параметров стохастических моделей.

Выводы.

ГЛАВА III. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА ПРОЦЕССА ВОЗНИКНОВЕНИЯ И РАЗВИТИЯ ПОЖАРА.

III. 1. Представление структуры пожарной нагрузки различными типами конечных решеток.

III. 2. Перколяционная модель описания процессов развития пожара.

II. 3. Описание процессов развития горения с помощью фракталов.

III. 4. Стохастическое моделирование пожара.

Выводы.

ГЛАВА IV. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СООТВЕТСВИЯ МАРКОВСКОЙ МОДЕЛИ РАСПРОСТРАНЕНИЮ ПОЖАРА ПО СТРУКТУРИРОВАННОЙ ПОЖАРНОЙ НАГРУЗКЕ.

IV. 1. Исследование развития горения в зависимости от структуры пожарной нагрузки.;.

IV. 2. Экспериментальное исследование динамики горения трех и четырёх соприкасающихся модулей.

IV. 3. Обоснование использования Марковской модели для анализа процесса горения.

Выводы.

ГЛАВА V. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАРКОВСКИХ МОДЕЛЕЙ ВОЗНИКНОВЕИЯ И РАЗВИТИЯ ГОРЕНИЯ.

V.I. Эргодические модели развития пожара.

V.2. Поглощающие модели развития пожара.

V.3. Модели возникновения горения.

Выводы.

Использование энергии горения явилось фундаментом социальной эволюции человечества. Поэтому с момента осознанного использования огня люди столкнулись с необходимостью предсказания развития процесса горения. Уже на самой ранней стадии цивилизации человек был вынужден определять горючесть и негорючесть окружающих его веществ и материалов, их способность к воспламенению, условия оптимального горения и оценивать различные опасности, связанные с пожарами. За многие тысячелетия интенсивной эксплуатации огня как источника энергии человек постоянно сталкивался с опасными факторами, возникающими в ходе развития горения или пожара. Это привело к формированию ряда технических дисциплин, изучающих вопросы возникновения пламени, развития горения, условия перехода его в катастрофические режимы или пожары и вопросы, связанные с их тушением и предупреждением. Постепенно возникла такая политехническая дисциплина, как пожарное дело. Данное направление сформировалось при достаточном развитии физико-химических знаний о процессах горения, современные представления о которых можно отсчитывать с момента публикации работ Хемфри Деви и Майкла Фарадея.

Основными направлениями пожарного дела являются тушение, профилактика и экспертиза пожаров. В любом из них специалисты, так или иначе, сталкиваются с необходимостью моделирования процессов горения при пожаре. Это нашло отражение и в нормативном формировании свода противопожарных норм и правил. На сегодняшний день задачи стоящие перед пожарной охраной, как правило, решаются путем все более глубокой детализации обстоятельств, приводящих к пожарам и к природным или техногенным катастрофам. Такая детализация и связанные с ней многочисленные ограничения усложняют и затрудняют процессы хозяйственной деятельности и промышленного развития. Соответственно возникают предпосылки к применению моделирования и гибкого нормативного регулирования противопожарного состояния промышленных и природных объектов. Это направление широко представлено за рубежом. В нашей стране оно интенсивно развивается московской школой исследователей.

Статистические данные за последние более чем 25 лет показывают устойчивый рост природных и техногенных пожаров и катастроф. Это означает, что применение современных методов регулирования устойчивого состояния промышленных систем недостаточно эффективно. Причина данных обстоятельств чаше всего заключается в отсутствии исследования системных связей противопожарного состояния объекта и обстоятельств, влияющих на него косвенно либо в результате воздействия самого комплекса противокатастрофных мероприятий или мер, возникших из-за ограниченного модельного описания интересующих процессов.

Таким образом, системные исследования моделирования описания процессов возникновения и развития пожара лежат в основе формирования эффективного комплекса противопожарных мер на любом объекте.

Важная проблема, применительно к пожарному делу, состоит в отсутствии классификации различных способов прогнозирования возникновения и развития процессов горения. В данной работе предложена классификация различных типов модельных описаний пожарной опасности. Детально она рассмотрена в последующих главах работы. Основные направления могут быть классифицированы следующим образом:

- Эмпирическое направление. Возникновение опасных факторов пожара анализируется исключительно из опытных данных и не подвергается какому-либо теоретическому обоснованию.

- Нормативное регулирование безопасности при неконтролируемом развитии горения. Данное направление изначально сформировалось стихийно. Это свод правил и обычаев, регулирующий распределение в населенных пунктах домов с очагами, складов горючих и не горючих материалов, устройств по предупреждению и ликвидации возникновения и развития пожаров и т.д.

- Экспертная оценка пожарной опасности. Она вытекает из первых двух направлений, но обладает той особенностью, что требует коллективного заключения о пожарной опасности объекта или процесса наиболее опытных и знающих людей, впоследствии названных экспертами.

- Математическое моделирование возникновения и развития пожара. Математическое моделирование динамики пожаров, на сегодняшний день, опирается на классическое описание процессов, протекающих при горении, и сводится к решению системы дифференциальных уравнений, содержащих большое количество параметров.

- Стохастическое описание процессов развития горения. Данный подход использует в своих моделях минимально возможное количество параметров и опирается на раздел математики, основанный русским математиком A.A. Марковым. Этот раздел является мощным направлением в исследованиях различных естественных и технических наук и в настоящее время переживает состояние своего второго рождения в связи с такими новыми разделами математического моделирования и системного анализа как детерминированный хаос, фрактальная геометрия, перколяционная теория, теория катастроф, сети Петри и так далее.

Модельные описания развития пожаров необходимы не только в практических целях, например, для оптимизации путей эвакуации, при расчете мощности систем вентиляции или при выборе способов пожарной защиты. Возникновение и развитие пожара - это проявление определенных закономерностей естественно-технического характера, моделирование которых может быть использовано при исследовании и расследовании пожаров. Современная методика расследования причин возникновения пожаров основана на изучении состояния объекта после ликвидации пожара. Рекомендуемая при этом реконструкция пожаров основана на опыте, интуиции, внутреннем убеждении специалиста или эксперта. Поэтому часто в суде рассматриваются дела, в которых имеются экспертизы, противоречащие друг другу. При неоднозначности выводов о технической причине пожара необходимо иметь методику, позволяющую количественно оценить вероятность той или иной причины.

Очевидно, что процесс возникновения и развития пожара является многопараметрическим и зависит от большого количества факторов и граничных условий. В силу этих обстоятельств, любое детальное математическое описание сталкивается с проблемой неоднозначности различных рассчитываемых физико-химических характеристик. По сути, это основной недостаток детерминированного математического описания развития пожаров. Еще один недостаток классического подхода заключается в том, что результаты моделирования достаточно масштабных объектов практически не могут быть проверены экспериментально.

Так как математические описания развития процесса горения в рамках классических представлений требовали большого количества экспериментальных данных, это привело к избыточности исследуемых параметров в эмпирическом подходе и соответственно отразилось на нормативном регулировании пожарной безопасности. В результате, в настоящее время нормативные документы используют устаревшие данные, несколько оторваны от практики и не могут быть истолкованы однозначно. Таким образом, классическое моделирование не может быть проверено полномасштабным экспериментом, и остается, как считается за рубежом, достаточно объективной только экспертная оценка.

На особом положении находится практически не применяемое до настоящего момента стохастическое моделирование. Стохастические описания развития пожаров изначально опираются на эмпирические и экспертные данные. Это их основное достоинство. Применение их к таким сложным процессам, как возникновение горения и развитие пожаров, является наиболее эффективным направлением моделирования.

Поскольку пожары относятся к сложным системам, то из сказанного выше следует, что адекватное моделирование этих процессов возможно только с использованием всех направлений моделирования, то есть с помощью системного подхода. При разработке моделей сложных систем возникают проблемы, относящиеся не только к природным свойствам составляющих их элементов и подсистем, но и к закономерностям функционирования системы в целом. Системный подход к исследованию возникновения и развития горения заключается в том, что разрабатываемая модель должна рассматриваться с позиции более высокого уровня, сочетать все возможные направления моделирования и использовать при модельном описании оптимальное количество параметров. Целью любого моделирования является принятие решения.

Слишком большое количество модельных параметров не позволяет сделать его оптимальным.

Актуальность данного исследования обусловлена тем, что для создания современной высокотехнологичной среды обитания цивилизованного общества требуются адекватные способы оценки ее опасности. В работе показано, что это связано со стохастическим направлением моделирования возникновения и развития пожара. Это, в основном, и составляет актуальность данного исследования.

Решаемая в диссертации научная проблема, вытекающая из предложенного системного анализа современных модельных описаний, заключается в разработке стохастических моделей процессов возникновения и развития пожара.

Цель диссертационного исследования состоит в системном анализе математических моделей пожара, их практическом использовании для повышения промышленной безопасности и реконструкции возникновения и развития пожаров при их расследовании.

Задачи исследования:

1. Систематизация основных методов моделирования возникновения и развития пожаров.

2. Разработка классификации марковских моделей описаний процессов развития горения по структурированной пожарной нагрузке.

3. Экспериментальное исследование распространения пламени по структурированной пожарной нагрузке.

4. Оценка эффективности применения недетерминированных математических описаний к развитию процесса горения.

5. Разработка моделей исследования и реконструкции пожара на основе конечных цепей Маркова.

Объект исследования: физико-химические закономерности процессов горения, системные связи и закономерности возникновения, развития и прекращения пожара.

Предмет исследования: модели описания возникновения, развития и прекращения горения.

Методы исследования: теория вероятностей, стохастический анализ, теория случайных процессов, общая теория систем, теория пер-коляции и фракталов, системный анализ. При этом преимущественно используется теория конечных цепей Маркова.

Научная новизна.

1. В диссертации впервые систематизированы существующие методы моделирования возникновения и развития пожаров.

2. Разработана классификация марковских модельных описаний процессов развития горения по структурированной пожарной нагрузке.

3. Впервые проведено экспериментальное исследование распространения пламени по структурированной пожарной нагрузке.

4. Оценена эффективность недетерминированных математических описаний возникновения и развития горения, в том числе фрактальных и перколяционных моделей распространения пламени.

5. Разработаны модели исследования и реконструкции пожара на основе конечных цепей Маркова.

Практическая значимость. Сформулированные в работе предложения определяют круг проблем, связанных с построением моделей, позволяющих оценить пожарную опасность на различных объектах. Математические модели, разработанные в диссертации, могут быть использованы для реконструкции, исследования и расследования пожаров.

Реализация результатов исследования. Результаты работы применяются в практической деятельности экспертных организаций МЧС России. Основные положения работы используются в учебном процессе Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России при проведении занятий по дисциплинам «Расследование и экспертиза пожаров», «Прогнозирование опасных факторов пожара» и включены в программу переподготовки и повышения квалификации сотрудников судебно-экспертных учреждений МЧС России. Представленные в диссертационной работе результаты исследований нашли практическое применение в следующих организациях: ООО «Техатомстрой», «ЧОП Люгас», ООО «Дизель инструмент», ООО «НПО «Санкт-Петербургская Электротехническая Компания», ООО «Аналитическая лаборатория экологического мониторинга».

Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, базируется на значительном объеме экспериментального материала по изучению процессов возникновения, развития и прекращения пожара, методах математического анализа и практической апробации результатов исследования.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Формализованная структура методов моделирования процессов развития пожаров.

2. Классификация Марковских моделей применительно к описанию и исследованию процессов возникновения и развития горения структурированной пожарной нагрузки.

3. Результаты экспериментальных исследований процессов распространения пламени по структурированной пожарной нагрузке.

4. Недетерминированные модели описания распространения горения с помощью математического аппарата фракталов и теории перколя-ции.

5. Марковские модели возникновения и развития горения для исследования и реконструкции пожара.

Апробация работы. Результаты исследований и разработок, представленных в диссертации, докладывались на 22 международных и всероссийских совещаниях и конференциях. В их числе 1 -ая Дальневосточная научно-практическая конференция «Совершенствование электрооборудования и средств автоматизации технологических процессов промышленных предприятий» (Комсомольск-на-Амуре, 1986), научно-практическая конференция «Автоматизированный вентильный электропривод» (Пермь, 1986), научно-практическая конференция «Автоматизация электроприводов и оптимизация режимов» (Красноярск, 1985), научно-практическая конференция «Развитие гибких производственных систем в машиностроении» (Пермь, 1986), научно-практическая конференция «Применение в промышленности электроприводов на перспективной базе» (Москва, 1992), Международная конференция «Новые информационные технологии в практике работы правоохранительных органов» (СПб., 1998), Всероссийекая научно-практическая конференция «Теоретические и прикладные проблемы экспертно-криминалистической деятельности» (СПб., 1999), Международная научно-практическая конференция «Компьютерная преступность: состояние, тенденции, меры» (СПб., 1999), Международная научно-практическая конференция «Проблемы обеспечения безопасности при чрезвычайных ситуациях» (СПб., 2001), Всероссийская научно-практическая конференция «Новые технологии в деятельности органов и подразделений МЧС России» (СПб., 2004), Международная научно-практическая конференция «Проблемы взаимодействия МВД и МЧС России в сфере обеспечения безопасности дорожного движения» (СПб., 2006), Международная научно-практическая конференция «Теория и практика судебной экспертизы в современных условиях» (Москва 2007), Международная научно-практическая конференция «Перспективы развития пожарно-технической экспертизы и расследования пожаров» (Москва 2007), Международный научно-практический семинар «День «СИМЕНС» в Санкт-Петербургском университете ГПС МЧС России» (СПб., 2007), Международная научно-практическая конференция «Сервис безопасности в России» (СПб., 2009), V Международная научно-практическая конференция «Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация» (Минск, 2009), научно-практическая конференция «Совершенствование работы в области обеспечения безопасности людей на водных объектах» (СПб., 2010 n safety engineering fire, environment, work environment, integrated risk. (Novi Sad, 2010), 12 th International conference fire and explosion protection. (Novi Sad, 2010), Международная научно-практическая конференция «Сервис безопасности при подготовке и проведении XXII зимних олимпийских игр в 2014 году в г. Сочи» (СПб., 2010), Научно-практическая конференция «О правовом регулировании судебно-экспертной деятельности в Российской Федерации» (СПб., 2011), Международная конференция «Полимерные материалы пониженной горючести» (Вологда, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 74 работы, в том числе 1 монография, 23 методических пособия, 4 авторских свидетельства на изобретение, 22 статьи в научных журналах и сборниках научных трудов (в том числе 16 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях из перечня ВАК), 24 сообщения в материалах научных конференций.