АКАДЕМІЯ ПОЖЕЖНОЇ БЕЗПЕКИ УКРАЇНИ

ДИГАЛО ОЛЕКСАНДР МИКОЛАЙОВИЧ

УДК 614.84

ІДЕНТИФІКАЦІЯ МОДЕЛЕЙ ШВИДКОСТІ

РОЗПОВСЮДЖЕННЯ ФРОНТУ ЛІСОВОЇ ПОЖЕЖІ ТА

ЇХ ПРАКТИЧНІ ЗАСТОСУВАННЯ

21.06.02 – Пожежна безпека

Автореферат

дисертації на здобуття

наукового ступеня кандидата технічних наук

Харків – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Академії пожежної безпеки України МНС України

Науковий керівник – | доктор технічних наук, професор Абрамов Юрій Олексійович, Академія пожежної безпеки України, проректор з наукової роботи.

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, доцент Комяк Валентина Михайлівна, Академія пожежної безпеки України, професор кафедри фундаментальних дисциплін;

кандидат технічних наук, доцент Тищенко Олександр Михайлович, Черкаський інститут пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля, проректор з наукової роботи.

Провідна установа – | Севастопольський військово-морський інститут ім. П.С. Нахімова, кафедра живучості, водолазних та судопідйомних робіт, Міністерство оборони України.

Захист відбудеться 09.10.2003 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 64.707.01 в Академії пожежної безпеки України за адресою: вул. Чернишевського, 94, м. Харків, 61023.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Академії пожежної безпеки України за адресою: вул. Чернишевського, 94, м. Харків, 61023.

Автореферат розісланий 08.09.2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.І. Кривцова

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Лісові пожежі є однією з основних природних небезпек, що характерні для України. При цьому, на долю пожеж, що виникають внаслідок розряду блискавки, приходиться (4 5)число лісових пожеж з-за виробничої діяльності складає близько 10 %, а основною причиною лісових пожеж є людський фактор – (75 85)

Для вияву основних закономірностей, що присутні лісовій пожежі, а також для обґрунтування рекомендацій як по профілактиці, так і по локалізації та гасінню таких пожеж, найбільш ефективним засобом є їх математичне моделювання.

На теперішній час існує достатньо велика кількість публікацій, у яких розглядаються математичні моделі, що описують лісові пожежі, а також засоби їх використання при формуванні управлінських рішень, спрямованих на боротьбу з ними. До числа таких робіт слід віднести труди В.Г. Нестерова, М.П. Курбатського, Г.П. Телицина, І.С. Мелехова, А.М. Гришина, Г.А. Доррера, Е.М. Валендика, Л.А. Суханова, Ю.А. Гостинцева, Е.В. Конєва, Р.Л. Покровського, С.М. Душа-Гудима, а також Г. Байрама, І. Ван-Вагнера, Р. Ротенмела, В. Франдсена, Д. Девіса, А. Ліндершута, В. Фонса та ін.

Самими поширеними є моделі швидкості розповсюдження фронту лісової пожежі, котрі дозволяють визначати ряд інтегральних характеристик таких пожеж. Всім відомим методам визначення таких моделей притаманий ряд недоліків, до числа яких слід віднести: з-за необхідності в використанні різноманітних емпіричних співвідношень знижується точність опису реальних процесів; внаслідок того, що практично всі моделі отримані експериментальним шляхом, вони не можуть бути використані поза умовами, при яких були отримані; відносна похибка таких моделей може сягати 580 %.

У зв’язку з цим актуальною задачею є обґрунтування методів визначення та ідентифікації як особисто математичних моделей швидкості розповсюдження лісової пожежі, так і їх оцінок, що забезпечують формування ефективних управлінських рішень по їх локалізації та гасінню.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася в рамках Державної програми забезпечення пожежної безпеки в Україні на 2000 2010 р.р., а також в рамках держбюджетної НДР № U005716 по замовленню Головного управління державної пожежної охорони МВС України.

Мета та задачі дослідження. Метою роботи є обґрунтування методів визначення та вибору моделей і (або) оцінок швидкості розповсюдження фронту лісової пожежі як на етапі, що передує пожежі, так і в ході його розвитку, а також вияв особливостей їх практичного використання.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

–

–

–

–

–

–

–

–

Об’єкт дослідження – процеси, що протікають у ході лісової пожежі.

Предмет дослідження – характеристики і параметри лісової пожежі.

Методи дослідження: теорія тепломасопереносу; методи розв’язання рівнянь математичної фізики; теорія лінійних динамічних систем; методи геометричного, аналітичного та чисельного моделювання; методи математичної статистики, теорія ідентифікації та оптимізації.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному:

–

–

–

–

Практичне значення отриманих результатів. Результати дослідження в вигляді моделей (оцінок) швидкості розповсюдження фронту лісової пожежі, алгоритмів (процедур) їх визначення і (або) ідентифікації є похідним матеріалом для формування управлінських рішень при локалізації і гасінні лісових пожеж. Формування управлінських рішень засновано на результатах аналізу оцінки ефективності використання таких моделей, в основі якої лежить врахування збитку, що наноситься лісовою пожежею.

Методика експериментального визначення залежності швидкості розповсюдження фронту лісової пожежі від щільності ЛГМ, вологовмісту та рельєфу місцевості, алгоритми побудови моделей для формування бази даних, а також рекомендації керівнику гасіння пожежі впроваджені при розробці організаційно-технічних заходів по боротьбі з лісовими пожежами в Бахчисарайському держлісгоспі (акт від 17.11.02 р.) та в Старокримському державному лісомисливському господарстві (акт від 24.12.02 р.). Використання цих результатів дозволило обґрунтовано сформувати можливі варіанти сил та засобів, що залучаються для локалізації та гасіння лісових пожеж, внаслідок чого вдалося забезпечити скорочення часу для їх повного розгортання до 20

Особистий внесок здобувача. В роботах, які опубліковані в співавторстві, особистий внесок здобувача полягає в вивченні особливостей розповсюдження фронту лісової пожежі та їх математичного опису [1, , 6], в визначенні інтегральних характеристик (моделей, оцінок) лісових пожеж [3, – 7, , ], в розробці методів отримання моделей (оцінок) швидкості розповсюдження фронту лісової пожежі [5, ], в використанні таких моделей на практиці [5, , ], а також в оцінці ефективності при формуванні управлінських рішень [2].

Апробація результатів роботи. Основні результати роботи доповідалися та обговорювалися на: 5-й Всеукраїнській науково-практичній конференції “Пожежна безпека – 2001” (м. Львів, 2001), XVI науково-технічній конференції “Крупные пожары: предупреждение и тушение” (м. Москва, 2001), Міжнародній науково-практичній конференції “Проблемы пожарной безопасности. Ликвидация аварий и их последствий” (м. Донецьк, 2002), а також на постійнодіючому науково-технічному семінарі АПБУ (м. Харків, 2000  ).

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 8 наукових статей, з котрих 7 – в виданнях, що входять до переліку ВАК України, та в двох тезах доповідей на наукових конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків та додатку. Загальний обсяг дисертації складає 182 сторінки, вона містить 41 рисунок, 22 таблиці і 140 використаних літературних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В першому розділі проведений аналіз лісових пожеж та їх моделей.

Лісова пожежа розглядається в термінах кібернетичного підходу, котрий органічно включає врахування діючих факторів, спрямованих на припинення процесу горіння.

Розглянуті різні підходи до класифікації лісових пожеж, включаючи традиційні, зокрема, по М.П. Курбатському. Вказується, що перевагу слід віддати підходу, заснованому на інформації про швидкість розповсюдження фронту лісової пожежі. Стосовно такого варіанту розглядаються особливості та основні характеристики (показники) лісових пожеж.

Відмічається, що математичне моделювання лісових пожеж є найбільш ефективним засобом для вияву закономірностей цього явища, а також для обґрунтування рекомендацій по профілактиці, локалізації та гасінню пожеж. По своєму призначенню математичні моделі лісових пожеж розподіляються на фундаментальні, тактичні і стратегічні, а до числа самих розповсюджених моделей відносяться математичні моделі швидкості розповсюдження пожежі. Остання обставина зумовлена універсальністю цих моделей. Зокрема, моделі такого класу дозволяють достатньо просто здійснювати перехід до інтегральних характеристик лісових пожеж – площі, периметру і контуру пожежі. Такий перехід можливий, наприклад, за допомогою рівняння Гамільтона – Якобі, розв’язання якого стосовно процесів, що мають місце при лісових пожежах, можливе, як правило, чисельними методами.

Слід відмітити, що при побудові математичних моделей швидкості розповсюдження фронту лісової пожежі питання о точності опису цього процесу не акцентувалося, а величина похибки опису лежить в діапазоні (15 580) %.

Аналіз показує, що у переважній більшості випадків моделі швидкості розповсюдження лісової пожежі є емпіричними функціями однієї – двох перемінних. Ця обставина зменшує область застосування таких моделей умовами проведення експериментів. Відома лише одна модель швидкості розповсюдження лісової пожежі, котра враховує одночасно вплив вітру і рельєфу місцевості (крім ряду інших факторів). Ця модель враховує не тільки монотонний характер впливу вітру, але й його пульсації. Остання обставина внаслідок наявності турбулентності в потоці повітря призводить до більш інтенсивного масообміну у фронті пожежі, що призводить до більш інтенсивного поступу кисню в зону горіння і, як наслідок, призводить до збільшення швидкості розповсюдження пожежі.

Авіаційна охорона лісів в Україні відновлена з 1996 р. і вона передбачає використання авіаційних методів і засобів для попередження, вияву і гасіння лісових пожеж. Аналіз свідчить про те, що основним шляхом підвищення ефективності у боротьбі з лісовими пожежами є використання методів дистанційного зондування. Однак всі відомі варіанти авіаційних засобів охорони лісів не передбачають створення або використання моделей, що описують процеси розповсюдження лісових пожеж.

На підставі аналізу стану питання сформульована основна задача дослідження, яка представлена у вигляді сукупності локальних підзадач.

В другому розділі строяться математичні моделі та оцінки швидкості розповсюдження фронту лісової пожежі.

При умові, що затрати енергії на підпалення горючої речовини перед фронтом розповсюдження низової лісової пожежі дорівнюють тепловому потоку, який поступає з зони горіння за рахунок усіх видів теплопереносу, переймається новими порціями горючої речовини і приводить до його спалахування, можна записати

(1)

де VГ – швидкість розповсюдження фронту лісової низової пожежі; – ефективна щільність горючої речовини; с1, с2 – тепломісткість сухої деревини та води відповідно; w – вологовміст; QИ – теплота випаровування вологи;  – перепад температур від початкової до температури спалахування та кипіння відповідно; K1, K2 – коефіцієнт послаблення швидкості зміни маси горючої речовини по вологовмісту та по вмісту мінеральних речовин відповідно; S, – удільна поверхня та коефіцієнт заповнення горючої речовини відповідно.

Залежність має вигляд, зображений на рис. 1, а найбільшій швидкості згорання горючої речовини відповідає , причому цей коефіцієнт практично по гіперболічному закону змінюється в залежності від S.

Рис. 1 – Залежність

З урахуванням цієї залежності, а також після узагальнення експериментальних даних одержано вираз для VГ.

При умові, що має місце мале відхилення процесу розповсюдження фронту лісової низової пожежі відносно квазістаціонарного процесу, яке зумовлене наявністю імпульсу енергії, що апроксимується функцією Дірака , можна відповідно закону збереження енергії для усереднених змінних записати

(2)

де ; – коефіцієнт турбулентної теплопровідності газового середовища; – щільність, об’ємна доля та коефіцієнт теплоємності i-ї фази відповідно (i – суха органічна речовина; i – вода; i – коксик; i  – зола); – щільність та коефіцієнт теплоємності газового середовища; U0 – швидкість вітру; – коефіцієнт внутрішнього теплообміну;  – різниця температур; К – коефіцієнт пропорційності; h0 – висота слою горючого матеріалу.

Модель (2) дозволяє одержати вираз для швидкості у вигляді

(3)

де – температура навколишнього середовища, а друге слагаєме має зміст псевдошвидкості переміщення повітряної маси у напрямку, який є протилежним напрямку вітру.

Використання критерію стійкості Гурвіца приводить до оцінки швидкості розповсюдження фронту лісової пожежі

(4)

де – коефіцієнт повноти згорання; q – теплотворна здібність; g – прискорення сили тяжіння.

Цей вираз є більш жорстким у порівнянні з (3). Оцінки показують, що використання (4) для опаду хвої дає , що добре узгоджується з експериментальними даними інших авторів (похибка неузгодження не перевищує 20 %).

Для лісової верхової пожежі за умови, що має місце мале відхилення відносно квазістаціонарного процесу горіння, модель, що описує розподіл відхилень температури відносно незбуреного стану, має вигляд, який співпадає з (2). Різниця полягає в тому, що замість h0 необхідно використовувати , а праву частину рівняння – записати у вигляді де h2, h1 – висота верхньої та нижньої границі пологу лісу відповідно; c10 – концентрація кисню; s1 – удільна поверхня коксика; q – щільність сумарного теплового потоку; – функція Хевісайду; – тривалість теплового імпульсу.

З використанням двохстороннього інтегрального перетворення Лапласу розв’язання такого диференційного рівняння зводиться до вигляду

(5)

де – корні характеристичного рівняння, які, зокрема, є функцією швидкості вітру U.

Швидкість вітру U визначається з розв’язання рівняння

(6)

де

або

Тут z0 – висота шороховатості; h3 – висота приземного слою атмосфери; с0 – коефіцієнт аеродинамічного опору

(7)

Для найбільш характерних значень параметрів лісового масиву величина не перебільшує одиниці при , якщо .

Використання критерію стійкості Гурвіца приводить до оцінки швидкості VГ, яка співпадає з першою складовою виразу (3).

Рис. 2 – Функція впливу по напрямку вітру: – параметр | Рис. 3 – Функція впливу по рельєфу місцевості: – коефіцієнт заповнення

Для урахування впливу напрямку вітру та рельєфу місцевості використовуються відповідні функції впливу та , які можуть бути як мультиплікативними, так і адитивними. На рис. 2 та рис. 3 наведені приклади таких функцій, причому на рис. 2 наведена залежність для радіальної функції впливу , яка пов’язана з нормальною (яка враховує вплив рельєфу місцевості у фронті пожежі) наступним чином

(8)

В третьому розділі здійснюється ідентифікація математичних моделей швидкості розповсюдження фронту лісової пожежі.

Вибір моделі з банку даних здійснюється у відповідності зі схемою, наведеною на рис. 4.

Рис. 4 – Структурна схема алгоритму вибору моделі швидкості розповсюдження фронту лісової пожежі

Вияв неузгодження проводиться з використанням критерію Стьюдента або з використанням модифікованого критерію Пейджа – Хінклі. Другий варіант має перевагу у порівнянні з першим, котре полягає в тому, що виключається необхідність у формуванні масиву даних, а прийняття рішення здійснюється за останнім значенням вибірки.

Інший варіант розв’язання задачі ідентифікації моделі швидкості розповсюдження лісової пожежі зводиться до формування моделі вигляду

(9)

де с = (c1, c2, …, cq)T – вектор вагових коефіцієнтів, що визначають наближення моделі до реального процесу y(t).

Критерієм оптимізації є

(10)

де E – () – вектор, що складається з одиниць; – штрафний коефіцієнт.

В цьому випадку для вектора с має місце

(11)

де – стандартна оцінка найменших квадратів.

Якщо ввести до розгляду

(12)

а також лагранжиан

;

(13)

,

де – невизначений множник Лагранжа, та розв’язати систему рівнянь Куна – Таккера, то отримаємо

(14)

Аналіз (14) свідчить про те, що перше співвідношення та (11) є еквівалентними.

В реальному масштабі часу процедура ідентифікації зводиться до рекурентного алгоритму

(15)

Чисельна реалізація цього алгоритму може бути ускладнена, якщо сигнали мають високий рівень кореляції, що призводить до плохої обумовленості матриці R(t). В цьому випадку для визначення коефіцієнтів с доцільно використання градієнтної процедури пошуку сідлової точки. Для цього лагранжиан (13) необхідно записати у вигляді

(16)

що дозволяє звести процедуру ідентифікації до вигляду

(17)

де – параметр шагу пошуку.

При ця процедура ідентична алгоритму ідентифікації Качмажа – оптимальному за швидкодією.

Елементам cj можна придати зміст ймовірностей відповідних гіпотез, якщо забезпечити невід’ємність усіх коефіцієнтів. З цією метою в лагранжиан (13) вводяться обмеження на невід’ємність ваг, тобто

, (18)

що після використання градієнтної процедури пошуку сідлової точки приводить до алгоритму ідентифікації

(19)

де , – параметр шагу пошуку та проектор на позитивний ортант відповідно; – вектор невід’ємних множників Лагранжа, що відповідають умовам додаткової нежорсткості.

Для оцінки адекватності моделей швидкості розповсюдження лісової низової пожежі, отриманих за допомогою розглянутих процедур ідентифікації, проводилися експерименти. На першому етапі визначалася модель швидкості розповсюдження фронту лісової пожежі в залежності від рельєфу місцевості, причому . Була отримана модель (для опаду хвої сосни)

, (20)

де – функція впливу, причому

. (21)

На другому етапі проводилася ідентифікація моделей з використанням критерію Пейджа – Хінклі. Обидві ці групи експериментів проводилися за допомогою спеціальної платформи, на якій розташовувався лісовий горючий матеріал. На рис. 5 наведений приклад, який ілюструє процедуру ідентифікації для моделей з різним рельєфом місцевості, тобто при .

Рис. 5 – Залежність швидкості розповсюдження фронту пожежі від часу при  (0 t 140 с);  0 (t > 140 с)

Теоретичні значення математичного очікування швидкості VГ визначалися з урахуванням (21). Результати цих експериментів свідчать про те, що зміна рельєфу місцевості визначається за допомогою критерію Пейджа-Хінклі не пізніше, ніж через с. Аналогічні експерименти проводилися для . Для використання такого критерію забезпечувало ідентифікацію моделі VГ не пізніше, ніж через 50 с.

Третя група експериментів проводилася в реальних умовах, в ході яких розв’язувалась задача ідентифікації моделі типу (9), де – локальні моделі. Розв’язання такої задачі зведено до вигляду

. (22)

причому похибка ідентифікації не перебільшує 16 %.

В четвертому розділі розглядаються особливості практичного використання моделей швидкості розповсюдження лісової пожежі.

Використання моделей, що описують процес розповсюдження лісової пожежі, пов’язано з необхідністю отримання інформації про параметри цих моделей. Така інформація може бути отримана або завчасно, або під час пожежі. В першому випадку інформація використовується для формування баз даних про моделі швидкості розповсюдження лісової пожежі. В другому випадку інформація, котра отримується у реальному масштабі часу, сумісно з інформацією з баз даних використовується або для ідентифікації моделі швидкості розповсюдження лісової пожежі, або для формування моделі в вигляді суперпозиції локальних моделей. Крім того, в другому випадку відкривається можливість для уточнення моделей баз даних.

Врахування рельєфу місцевості та швидкості вітру зумовлює необхідність включення в модель функцій впливу, достатньо велика кількість яких призводить до необхідності їх ідентифікації. Для вирішення цієї задачі перевагу слід надати процедурі експрес – аналізу інтегральних параметрів лісових пожеж – периметра L(t), площі S(t) та швидкості VГ(t), що визначаються, наприклад, за допомогою авіаційних засобів. Внаслідок того, що має місце

(23)

то для t0 обчислюються значення квадратної дужки ( – функція впливу) для різних функцій з бази даних. Ці результати використовуються для вибору відповідної функції впливу (по критерію мінімуму неузгодження між результатами розрахунків та даними з (23)).

Стосовно до всіх відомих засобів боротьби з лісовими пожежами – фізико-механічним, хімічним та з використанням ударних та вибухових хвиль – розглянуті особливості їх організаційно-технічного забезпечення.

В першому випадку найбільший ефект досягається при використанні збірних трубопроводів – мобільних протипожежних трубопровідних систем (МПТС). Для таких систем одержані гідравлічні характеристики, а також побудовані номограми, що забезпечують вибір структури та характеристик таких систем. На рис. 6 наведено приклад номограми, за допомогою якої визначаються основні технічні характеристики одного з варіантів МПТС (пристрій, що перекачує – ПСГ-160, насос – 6НГМ-, пожежні стволи – РС-70).

Рис. 6 – Залежність числа пожежних стволів (n), подачі води по МПТС (Q) та втрат напору (H1) від довжини трубопроводу

Стосовно до таких систем розроблений алгоритм організаційного забезпечення, що включає процедуру використання інформації щодо моделі швидкості розповсюдження лісової пожежі. Реалізація такого алгоритму дозволяє прийняти рішення щодо доцільності використання МПТС та визначити його конфігурацію в разі позитивного рішення.

Для відстаней до 1 км визначений перелік технічних засобів гасіння лісових пожеж, а також аналітично розв’язана задача щодо вибору засобу доставки води до місця пожежі. Підґрунтям розв’язання цієї задачі є використання критичного значення подачі води (яке є функцією швидкості ). З метою попередження та оперативної локалізації лісових пожеж можуть створюватися лісопожежні розриви або заслони. За умови, що час на виконання таких робіт для набору заходів та засобів, що використовується, обмежений, тобто

, (24)

де – початкове значення периметру пожежі; – допустиме значення відстані від кромки пожежі до лісопожежної стрічки (заслону); – час, що затрачується на проведення підготовчих робіт; pi – виробнича здібність засобів, що використовуються i-го типу, процедура вибору номенклатури засобів для виконання таких робіт може бути формалізована.

Стосовно до хімічних засобів боротьби з лісовими пожежам, визначені залежності, використання яких дозволяє вирішувати комплекс організаційно-технічних задач для формування управлінських рішень. Наприклад, при реалізації засобу відпалення типу гребінки розрахунок заходів та засобів для локалізації і гасіння низової лісової пожежі виконується у відповідності з виразом

, (25)

де – виробнича здібність i-го засобу створення опорної стрічки та j-го апарату пуску відпалення відповідно; – число i-х засобів та j-х апаратів відповідно.

Ефективність застосування різних заходів боротьби з лісовими пожежами зумовлена похибкою прийняття управлінського рішення, яка залежить від похибки визначення швидкості розповсюдження лісової пожежі. Зокрема, похибка приводить до появи похибки засобів пожежегасіння. Наприклад, для та при використанні автоцистерни типу АЦ-40 має місце збільшення таких засобів пожежегасіння на дві одиниці.

Рис. 7 – Залежність Э Э(х, у)

На рис. 7 наведена залежність Э(х, у), де

,

яка характеризує збільшення збитку від лісової пожежі внаслідок некоректного вибору засобів гасіння, зумовленого наявністю похибки визначення швидкості розповсюдження пожежі. Тут СП – вартість експлуатації пожежної техніки за один час; t3 – час роботи пожежної техніки на пожежі; S – площа пожежі; C0 – вартість однієї умовної одиниці лісу; t1 – час вигорання умовної одиниці лісу.

Аналіз експериментальних даних свідчить, що , внаслідок чого при х  ,1 (див. рис. 7) збільшення збитку від лісової пожежі не перевищує двох відсотків.

ВИСНОВКИ

У роботі отримані нові науково обґрунтовані результати, які в сукупності забезпечують розв’язання науково-практичної задачі щодо створення методів визначення та вибору моделей та (або) оцінок швидкості розповсюдження фронту лісової пожежі, а також щодо вияву особливостей їх практичного використання.

1 Показано, що швидкість розповсюдження фронту лісової пожежі є універсальною характеристикою, яка дозволяє визначити такі її інтегральні характеристики, як периметр, площа та ін., а процедура отримання оцінок швидкості може бути зведена до розв’язання задачі у рамках кібернетичного підходу до опису процесу горіння.

2 Для малих відхилень відносно стаціонарного режиму горіння лісова пожежа як низова, так і верхова уявляє собою кібернетичну систему, яку у першому наближенні можна інтерпретувати у вигляді одномірної динамічної системи з вхідним сигналом, що описується функцією Хевісайду або Діраку, а вихідним сигналом якої є перевищення температури у фронті лісової пожежі відносно її стаціонарного значення.

3 Задача отримання оцінок швидкості розповсюдження фронту низової та верхової пожежі зведена до задачі аналізу стійкості процесу горіння, в результаті розв’язання якої з використанням критерію Гурвіцу отримані аналітичні вирази для таких оцінок з урахуванням фізичних характеристик лісових горючих матеріалів, а також аеродинамічних та метеорологічних параметрів лісового масиву.

4 Для урахування впливу вітру та рельєфу місцевості на швидкість розповсюдження фронту лісової пожежі в модель введені мультиплікативні або адитивні функції впливу та показано, що останні є бажаними, бо в цьому випадку знижується чутливість швидкості розповсюдження фронту лісової пожежі до похибок факторів, що впливають.

5 Запропоновано метод визначення моделі швидкості розповсюдження фронту лісової пожежі, заснований на аналізі величини неузгодження між експрес-даними та модельними значеннями за допомогою модифікованого критерію Пейджа – Хінклі, що виключає необхідність використання масиву статистичних даних та дозволяє визначати моделі за останнім значенням вибірки. Експериментальним шляхом показано, що при зміні запасу ЛГМ в діапазоні (2,4  ,5) кг/м2 та рельєфу місцевості – (0 15)0, ідентифікація моделі швидкості розповсюдження фронту низової лісової пожежі здійснюється за час, котрий не перевищує 60 с.

6 Розроблений метод ідентифікації моделі швидкості розповсюдження фронту лісової пожежі, який уявляє собою суперпозицію приватних (локальних) моделей, а її вагові коефіцієнти визначаються з використанням методу штрафних функцій або за допомогою невизначених множників Лагранжу, що забезпечує оптимальність процедури ідентифікації за швидкодією.

Експериментальним шляхом показано, що для моделі швидкості розповсюдження фронту низової лісової пожежі, у якій незалежними змінними є запас горючої речовини та рельєф місцевості (кут нахилу), величина відносної похибки не перевищує 16 %.

7 Вибір функцій впливу для урахування рельєфу місцевості та вітру може здійснюватися або завчасно – з використанням масиву статистичних даних, або на підставі експрес-аналізу інтегральних характеристик лісової пожежі – з використанням, наприклад, авіаційних засобів. В другому випадку процедурі експрес визначення інтегральних характеристик повинен передувати моніторинг, визначення та ідентифікація лісової пожежі, причому поєднання останнього з експрес-аналізом його інтегральних характеристик приводить до підвищення точності ідентифікації моделі швидкості розповсюдження лісової пожежі.

8 Стосовно до протипожежних трубопровідних установок розроблена система організаційно-технічного забезпечення боротьби з лісовими пожежами, яка забезпечує прийняття рішення щодо доцільності їх використання, виборі конфігурації та технічних характеристик. Розроблені рекомендації щодо вибору мінімально можливої відстані трубопроводу таких установок в залежності від величини швидкості розповсюдженн лісової пожежі.

9 У випадку використання води для локалізації та гасіння лісової пожежі за допомогою автоцистерн отримані умови, що визначають різноманітні варіанти прийняття управлінського рішення на її доставку, для кожного з яких обґрунтовано вибір числа засобів доставки.

10 Стосовно до хімічних засобів боротьби з лісовими пожежами наведено перелік можливих варіантів формування управлінських рішень, підґрунтям яких є використання інформації про швидкість розповсюдження пожежі.

11 Розроблена модель для оцінки ефективності використання моделей швидкості розповсюдження фронту лісової пожежі, яка визначає величину можливого збитку від цієї пожежі в залежності від величини похибки моделі. Показано, що для випадку, коли затрати на локалізацію та гасіння лісової пожежі не перебільшують (10 15) % від вартості дільниці лісу, котра вигоріла, величина додаткового збитку не буде перевищувати (3  ) %, якщо величина відносної похибки визначення моделі швидкості розповсюдження фронту лісової пожежі не перевищує 30 %.

12 Методика експериментального визначення залежності швидкості розповсюдження фронту лісової пожежі від щільності лісового горючого матеріалу, вологовмісту та рельєфу місцевості, алгоритми побудови моделі для формування бази даних, а також рекомендації керівнику гасіння пожежі впроваджені при розробці організаційно-технічних заходів по боротьбі з лісовими пожежами в Бахчисарайському державному лісовому господарстві (акт від 17.11.02 р.) та в Старокримському державному лісомисливському господарстві (акт від 24.12.02 р.), що забезпечує скорочення часу повного розгортання сил та засобів, що використовуються для локалізації та гасіння пожежі, приблизно на 20 %.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

АНОТАЦІЯ

Дигало О.М. Ідентифікація моделей швидкості розповсюдження фронту лісової пожежі та їх практичні застосування. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.02 – Пожежна безпека. – Академія пожежної безпеки України, Харків, 2003.

Запропоновано розповсюдити кібернетичний підхід до процесів лісової пожежі, що дозволяє описати їх на феноменологічному рівні.

Згідно з законом збереження енергії, а також при умові, що мають місце малі відхилення від стаціонарного режиму горіння, одержана модель, яка описує розповсюдження температури у фронті лісової пожежі. З використанням критерію стійкості Гурвіца одержано вирази для оцінок швидкості розповсюдження фронту лісових низових та верхових пожеж. Вплив вітру та рельєфу місцевості на швидкість розповсюдження лісової пожежі враховується введенням мультиплікативної або адитивної функцій впливу.

В загальному випадку використовується багатомодельний підхід, в основі якого лежить лінійна комбінація локальних моделей. Вектор вагових коефіцієнтів такої моделі визначається за допомогою методу штрафних функцій або за допомогою невизначених множників Лагранжа. Синтезована модель швидкості розповсюдження лісової пожежі та експериментально показано, що похибка для цього випадку не перевищує 16 %.

Розроблені рекомендації по формуванню управлінських рішень при локалізації та гасінні лісових пожеж. Одержані оцінки для збитків, що наносяться лісовими пожежами, в залежності від похибки визначення швидкості їх розповсюдження.

Ключові слова: лісова пожежа, модель, швидкість розповсюдження, способи боротьби з лісовими пожежами.

ABSTRACT

Dyhalo O.M. Identification of the patterns of velocity of front forest fire expansion.- Manuscript.

A dissertation for the degree of candidate of engineering sciences on specialty 21.06.02. – Fire safety. – Fire Safety Academy of Ukraine, Kharkiv, 2003.

It is suggested to spread cybernetic approach to the processes of forest fire, that let describe them on their phenomenological level.

According to the law of conservation of energy and under the conditions, that there are little deflection from the state rate burning. It is obtained the pattern describing the temperature expansion in the front forest fire. While using the Hurvits’s resistance criterion it is obtained the expression for the access of the velocity of expansion of the crown and lower forest fire . Impact of the wind and relief on the velocity of expansion of forest fire is calculated by introducing multiply and addictive function. In general it is used multi-model approach based on the line combination of local patterns. Vector of weight factor of this pattern is determined with the method of penalty function or with the help of LaGrange’s indefinite multipliers. The pattern of the velocity of expansion of forest fire is synthesized and it is experimentally showed that the error for this case does not exceed 16 %.

The recommendations for formation of management decision when localizing and extinguishing forest fires are elaborated. It is obtained the damage access caused by forest fires depending on the error of determination of their expansion velocity .

Key words: forest fire, pattern, expansion velocity, forest fire fighting facilities.

АННОТАЦИЯ

Дыгало А.Н. Идентификация моделей скорости распространения фронта лесного пожара и их практические приложения. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.02 – пожарная безопасность – Академия пожарной безопасности Украины, Харьков, 2003.

В работе обоснованы методы определения моделей и оценок скорости распространения фронта лесного пожара, а также выявлены особенности их практического использования.

Предложено распространить кибернетический подход на процесс лесного пожара с целью его феноменологического описания. Показано, что наиболее часто используемые на практике модели скорости распространения лесного пожара включают не более четырех независимых переменных, получены экспериментально и поэтому область их применения ограничена условиями проведения этих экспериментов.

На основании закона сохранения энергии, а также при условии малых отклонений относительно стационарного режима горения получены модели, описывающие распределение температуры во фронте низового и верхового лесных пожаров. С использованием критерия устойчивости Гурвица получены оценки для скорости распространения фронта лесного пожара. Для учета влияния ветра и рельефа местности используются мультипликативные и аддитивные функции влияния.

Выбор модели скорости распространения фронта лесного пожара производится по результатам сравнения экспресс данных и информации из базы данных, для чего используется модифицированный критерий Пейджа-Хинкли. В общем случае используется многомодельный подход, в основе которого лежит представление модели скорости распространения лесного пожара в виде линейной комбинации локальных моделей. Вектор весовых коэффициентов такой модели определяется с помощью метода штрафных функций или с помощью неопределенных множителей Лагранжа. Синтезирована модель скорости распространения фронта лесного пожара, учитывающая влияние рельефа местности и запаса горючего материала, погрешность которой не превышает 16 %.

Показано, что решение задачи по организационно-техническому обеспечению способов борьбы с лесными пожарами предполагает получение информации о скорости распространения таких пожаров. Применительно к физико-механическим способам борьбы с лесными пожарами разработаны рекомендации по выбору конфигурации и техническим характеристикам мобильных противопожарных трубопроводных систем, а также разработаны предложения по выбору способа доставки воды к месту пожара. Для химических способов борьбы с лесными пожарами решены задачи организационно-технического обеспечения. Определены целесообразные варианты применения ударных и взрывных волн для локализации тушения лесных пожаров. Для условий, когда такие пожары сопровождаются радиоактивным загрязнением местности, получены оценки для радиационного риска применительно для лиц, участвующих в локализации и тушении пожаров.

Получены оценки для ущерба, наносимого в результате лесного пожара, который обусловлен погрешностями определения скорости его распространения.

Ключевые слова: лесной пожар, модель, скорость распространения, способы борьбы с лесными пожарами.

Підп. до друку 02.06.03 р. Формат 6084 1/16

Друк ризограф. Умовно-друкар. арк. 1,25

Тираж 100 прим. Вид. № 27 Зам. № 27/03

АПБУ, 61023, Харків, вул. Чернишевського, 94