Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности моделирования развития пожаров и пожаротушения . 11
1.1. Существующие проблемы моделирования развития пожаров и пожаротушения 11
1.2. Анализ существующих математических моделей пожаров 13
1.3. Анализ существующих математических моделей боевых действий пожарных подразделений по тушению пожаров 46
1.4. Постановка задачи на исследование 48
Выводы по главе 1 48
Глава 2. Комплексная математическая модель процессов развития пожара и пожаротушения в условиях ограниченности сил и средств 50
2.1. Общее описание модели 50
2.2. Частные модели явлений 54
2.3. Взаимодействие между физическими и тактическими объектами 73
2.4. Величины, входящие в модель и статистика 74
Выводы по главе 2 76
Глава 3. Алгоритмы 78
3.1. Анализ существующих алгоритмов распространения фронта пожара 78
3.2. Алгоритм распространения фронта пожара и разрушения стен 80
3.3. Алгоритм тушения пожара 83
3.4. Описание остальных алгоритмов 93
Выводы по главе 3 105
Глава 4. Компьютерная программа для симуляции процессов развития пожара и пожаротушения в условиях ограниченности сил и средств 106
4.1. Анализ существующих программ 106
4.2. Назначение и принципы работы программы 110
4.3. Описание модулей программы 113
4.4. Пример работы с программой 127
Выводы по главе 4 129
Глава 5. Апробация научных результатов, полученных в диссертационном исследовании 131
5.1. Апробация модели 131
5.2. Апробация алгоритмов 133
5.3. Апробация программы 140
Выводы по главе 5 152
Заключение 154
Список использованных источников 156
Приложения
- Анализ существующих математических моделей пожаров
- Взаимодействие между физическими и тактическими объектами
- Алгоритм распространения фронта пожара и разрушения стен
- Назначение и принципы работы программы
Введение к работе
Актуальность диссертационного исследования. На фоне внедрения в обучающий процесс в пожарных учебных заведениях компьютерной техники, а также внедрения компьютерной техники в рабочий процесс в управленческих структурах и в оперативных подразделениях пожарной охраны, особую актуальность приобретает создание специализированного программного обеспечения, предназначенного для тренировки различных специалистов. Это программное обеспечение предназначено для развития навыков исполнителями и управленцами, для анализа и прогнозирования боевых действий по ликвидации пожара. Создание такого программного обеспечения должно базироваться на математических моделях, описывающих те явления, которые необходимо симулировать в программах-тренажерах. Речь идет о комплексных моделях, включающих в себя физические и химические явления горения, тушения, дымообразования и т. д. и тактические процессы по ликвидации пожара.
Методы математического моделирования широко используются в пожарном деле. Существует несколько классов математических моделей, описывающих изменение во времени и распространение опасных факторов пожара. Каждый из этих классов содержит десятки или сотни моделей, обладающих теми или иными (концептуальными или численными) преимуществами и недостатками. Существуют также модели, относящиеся к планированию боевых действий, учету сил и средств и определению возможности или невозможности решения заданных боевых задач. Однако количество моделей, учитывающих тактику боевых действий по ликвидации пожара значительно меньше.
Проблема становится еще более интересной, если принять во внимание существование на рынке компьютерных игр, симулирующих работу пожарных по ликвидации пожара и его последствий. Некоторые из этих игр, по
признанию практиков, являются правдоподобными имитациями происходящих в натуре событий. Конечно же, эти игры используют некоторые комплексные модели, которые, однако, не появляются на страницах научных журналов и не обсуждаются специалистами по пожарному делу.
Цель работы состоит в построении комплексной математической модели процессов развития пожара и пожаротушения в условиях ограниченности сил и средств и разработке на основе этой модели программного обеспечения для тренировки сотрудников ГПС МЧС России, анализа произошедших пожаров и прогнозирования необходимых действий по ликвидации предполагаемого пожара.
Научные задачи данной работы:
анализ существующих математических моделей, относящихся к распространению пожара, тушению пожара и боевым действиям по его ликвидации;
выбор подходящих частных моделей, отражающих конкретные процессы в создаваемой комплексной модели, определение области их применимости, их достоинств и недостатков;
создание новых частных моделей и определение области их применимости, их достоинств и недостатков;
разработка новой комплексной математической модели процессов развития пожара и пожаротушения в условиях ограниченности сил и средств, сочетающей в себе частные модели явлений;
анализ существующих алгоритмов, реализующих частные модели;
разработка новых алгоритмов, реализующих частные модели;
создание программного обеспечения - симулятора боевых действий по пожаротушению;
апробация модели, алгоритмов и программы.
Объектом исследования в данной работе являются программы-симуляторы процессов пожаротушения и программы-тренажеры, предназначенные для развития навыков у руководителей тушения пожаров (РТП).
Предметом исследования являются математические модели и алгоритмы, применимые для создания программ-симуляторов процессов пожаротушения и программ-тренажеров для РТП.
Методы исследования:
изучение литературных источников по моделированию пожаров и тактике боевых действий по ликвидации пожаров;
анализ существующих частных моделей физических и химических явлений распространения пожара и пожаротушения и тактики боевых действий;
применение общих принципов методов математического моделирования для создания частных моделей;
применение общих принципов методов математического моделирования для построения комплексной модели;
изучение литературных источников по алгоритмам, реализующим математические модели;
разработка алгоритмов с применением общих принципов разработки алгоритмов.
стандартные методы разработки программного обеспечения на платформе Java;
стандартные методы тестирования программного обеспечения;
методы верификации моделей и программного обеспечения с помощью сравнения результатов прохождения тестовых задач с результатами полученными другими методами, принятыми в науке и технике.
Основные результаты, выносимые на защиту:
1) комплексная математическая модель процессов развития пожара и пожаротушения в условиях ограниченности сил и средств, включающая мо-
дель распространения фронта пожара по принципу Гюйгенса, учитывающую разрушение строительных конструкций и модель тушения концентрическими кольцами;
алгоритм распространения фронта пожара и разрушения стен, реализующий предлагаемую модель распространения пожара и разрушения стен;
алгоритм тушения пожара, реализующий предлагаемую модель тушения концентрическими кольцами;
компьютерная программа для симуляции процессов развития пожара и пожаротушения в условиях ограниченности сил и средств.
Новизна диссертационного исследования заключается в следующем:
комплексная математическая модель объединяет в себе физические процессы развития пожара и пожаротушения, а также тактические действия по ликвидации пожара;
принцип Гюйгенса, обычно применяемый при моделировании лесных пожаров, был применен для моделирования распространения пожара в по-
. мещении;
создана модель тушения концентрическими кольцами;
создан алгоритм распространения фронта пожара и разрушения стен, реализующий предлагаемую модель распространения пожара и разрушения стен;
создан алгоритм тушения пожара, реализующий предлагаемую модель тушения концентрическими кольцами;
создана компьютерная программа для симуляции процессов развития пожара и пожаротушения в условиях ограниченности сил и средств.
Достоверность научных результатов обеспечивается верификацией предлагаемой математической модели посредством сравнения результатов прохождения тестовых задач с результатами полученными другими методами, принятыми в науке и технике.
Теоретическая значимость диссертационной работы обуславливается потребностью науки о пожаротушении в создании комплексных моделей для имитации физических, химических и тактических процессов развития пожара и пожаротушения.
Практическая значимость состоит в возможности использования предлагаемой модели для создания программ-симуляторов процессов развития и тушения пожара, учитывающих тактику боевых действий пожарных подразделений, программ-тренажеров для обучения тактическим навыкам руководителей тушения пожара и иных руководящих работников и исполнителей. Программы, построенные на основе данной модели, могут быть использованы для анализа проведенных боевых действий по ликвидации реального пожара.
Созданная в рамках диссертационного исследования на основе предлагаемой математической модели программа XFireBrigade используется в образовательном процессе в Санкт-Петербургском университете Государственной противопожарной службы МЧС России.
Апробация исследования. Научные результаты, полученные в диссертационном исследовании, докладывались, обсуждались и были одобрены на заседании кафедры организации пожаротушения и проведения аварийно-спасательных работ Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России, а также на научно-практических конференциях:
III Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы обеспечения взрывобезопасности и противодействия терроризму», Санкт-Петербург, 20-21 мая 2008 года;
VIII Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций», 8-10 октября 2008 года;
Международной научно-практической конференции «Подготовка кадров в системе предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций», 6 ноября 2008 года.
Публикации. По материалам диссертационной работы имеется пять печатных публикаций, в том числе статья в журнале, рекомендованном ВАК РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из списка аббревиатур, введения, пяти глав, заключения, перечня использованных источников (101 наименование) и приложений, содержит 185 страниц текста, в том числе 88 рисунков и 20 таблиц.
Анализ существующих математических моделей пожаров
Объединенная модель развития пожара и распространения дыма Модель Consolidated Model of Fire Growth and Smoke Transport (CFAST) [83] учитывает распространение дыма и газов и распределение температуры в помещениях здания, в котором происходит пожар.
Математически модель представляет собой задачу Коши (начальную задачу) для системы обыкновенных дифференциальных уравнений. Ограничения, накладываемые на модель, связаны с соотношением размеров помещений. Если соотношение L/W 5, Ь/Н Ъ или W/H 0A — применим обычный подход, если L/W 5, L/N 6 или JV/H 0.2 применим специальный «коридорный» алгоритм. В промежуточных случаях требуется детальное изучение. (L - длина, W ширина, Н- высота.)
Огонь в этой модели - это причина потери массы топлива и источник энергии. В каждом помещении горение задается отдельно. Пиролиз не включен в данную модель, и его параметры задаются пользователем для каждого случая отдельно. Влияние теплового излучения на пиролиз непосредственно не учитывается. Учитывается влияние понижения концентрации кислорода, вызванное горением, на само горение. Высота пламени моделируется согласно уравнению Хескестада.
В качестве исходных данных модель требует задания термодинамических свойств и теплоты сгорания всех материалов (стены/пол/потолок, пожарная нагрузка), сообщения между помещениями (двери, окна), вертикальных потоков воздуха (отверстия в потолке, вентиляция) и др. Все материалы рассматриваются как гомогенные.
В результате применения модели получаем следующие данные: температуры верхнего и нижнего слоев, температуры стен/пола/потолка, концентрации дыма и газов в верхнем и нижнем слоях, температуры интересующих нас объектов и время срабатывания системы пожаротушения. Все данные получаются для каждого из помещений, участвующих в расчете.
Эта модель развивается с 1990 года. Версия 1 была объединением модели Fire Growth and Smoke Transport Model (FAST) и модели Consolidated Compartment Fire Model (CCFM). Вторая версия появилась в 1994 году. Эти первые версии были относительно просты. Только начиная с версии 3 (1995 год) стали учитываться такие явления как: вертикальное распространение пламени, припотолочный поток газов, неоднородная потеря тепла на потолке, нагревание и возгорание сложных объектов. В течение следующих пяти лет были добавлены в модель детекторы дыма и тепла, улучшено моделирование потоков через двери и окна, учтен поток тепла через потолок/пол, стало возможным изучение помещений с формой отличающейся от параллелепипеда. В 2000 году в версии 4 была учтена горизонтальная проводимость тепла через стены и горизонтальный поток в коридорах. В версии 5 было улучшено моделирование химии горения. Версия 6, появившаяся в 2005 году, включила в себя более последовательный учет вентиляции, объектов пожара и улучшенную обработку событий. В шестой версии программы CFAST впервые появился графический интерфейс пользователя, который существенно упростил работу.
Апробация модели была проведена с помощью больших серий натурных экспериментов и показала точность порядка 10-25%.
В работе [90] доказывается неприменимость зонных моделей для больших помещений (спортивные залы, театры и т. д.). Отдается предпочтение полевым моделям при работе с такими помещениями.
В работе [46] предлагается модель распространения пожара, основанная на конечных цепях Маркова. Помещение разбивается на n-зон, вводится понятие состояния системы, и задаются вероятности переходов между этими состояниями. Как подчеркивается в работе, данная модель является стохастической в противовес детерминистическим подходам к моделированию развития пожара.
Если пожар в данный момент происходит в какой-то зоне, то существует некоторая вероятность прекращения пожара, зависящая от находящейся в этой зоне пожарной нагрузки. Также с некоторой вероятностью пожар может распространиться в смежную область (которая еще не была подвержена горению). Все возможные способы переходов из одного состояния системы в другое описываются квадратной матрицей, состоящей из вероятностей этих переходов. С помощью такой модели мы можем получить вероятность выгорания зон, среднее время выгорания всего помещения и другие характеристики.
Методика Computational Fluid Dynamics (CFD) [91] позволяет рассчитать потоки газов и жидкостей, а также распределение температуры и давления и другие величины. Эта методика основана на постановке и решении краевых и начальных задач для систем дифференциальных уравнений, выражающих законы сохранения массы, моментов и энергии. Такие задачи решаются с помощью численных методов на компьютере (например, методом конечных элементов).
Многие из программных продуктов, использующих методику CFD, не содержат в себе средства CAD (средства для черчения и обработки векторной графики: строительные, конструкторские чертежи и т. д.) и требуют приобретения таких средств у сторонних разработчиков.
В работе [96] выполнялся анализ экспериментальных данных, полученных в натурном эксперименте по развитию пожара в спальне отеля и данных компьютерной симуляции этого пожара. Натурный эксперимент был выполнен Национальным Институтом Стандартов и технологии США (US National Institute of Standards and Technology (NIST)) в 1985 году. Компьютерная симуляция осуществлялась с использованием модели CFD с помощью программы Flovent 3.2 (2001). На рис. 1.3 изображена схема помещения спальни отеля, которая участвовала в натурном и компьютерном экспериментах. Полная масса пожарной нагрузки составила 53.7 кг и состояла из: двуспальной кровати, ночного столика и мусорной корзины (в которой находился очаг возгорания).
Было получено очень хорошее согласие результатов моделирования с экспериментальными данными для температуры в центре комнаты, температуры в различных слоях воздуха (на разных расстояниях от потолка) и удовлетворительное согласие для скоростей потоков воздуха и массопереноса (что важно для расчета распространения дыма).
Взаимодействие между физическими и тактическими объектами
Физические объекты: пожар, строительные конструкции (которые подвержены разрушению в результате воздействия огня), огнетушащее вещество (подаваемое из стволов и тушащее пламя), взаимодействуют в предлагаемой модели с тактическими объектами (см. рис. 2.11).
Пожарная автоцистерна, гидрант и патрубок АЦ с физическими объектами непосредственно не взаимодействуют. Магистральная рукавная линия не может быть проложена сквозь стены и разрушается под воздействием пламени, если площадь пожара пересечется с ней. Со стволом работают три газодымозащитника (в исключительных случаях два, согласно правилам охраны труда). Ствол является источником подачи огнетушащего вещества, являющегося причиной уменьшения площади пожара. В случае касания площадью пожара точки, в которой находится ствол, следует считать, что ствол и рабочая линия разрушены, а три бойца-газодымозащитника погибли. Объект «боец-газодымозащитник» непосредственно не фигурирует как геометрический объект на плане. Этот объект учитывается только как движущая сила, необходимая для выполнения тактических операций. Такая ситуация соответствует предположению о том что боец-газодымозащитник без труда достигает любой точки помещения, избегает непосредственного воздействия пламени и т. д.
В значениях величин, входящих в предлагаемую модель в качестве начальных данных, даваемых в справочниках, присутствует достаточно большой разброс. Этот разброс вызван огромной сложностью изучаемых явлений и трудностью учета всех факторов, влияющих на эти величины. Так например: линейная скорость распространения пожара для административных зданий находится в диапазоне 1,0-1,5 м/мин (см. Прил. 2). В Прил. 4 приведена интенсивность подачи воды при тушении пожаров для административных зданий IV степени огнестойкости - 0,10 л/(м с). Эта указанная в таблице интенсивность является некой предельной гарантированной интенсивностью, в реальности для тушения может оказаться достаточной несколько меньшая интенсивность. И так далее. Практически все величины, входящие в модель представляют собой диапазоны значений. При этом с одной стороны диапазонов находятся некие минимальные значения этих величин - минимально необходимые, а с другой максимальные — гарантированно достаточные. Также мы можем говорить о средних значениях этих параметров.
При задании параметров в качестве начальных данных при применении предлагаемой модели у нас всегда имеется произвол в том, какое значение из имеющегося диапазона использовать. Речь идет об использовании максимального, минимального, среднего или какого-то иного значения из диапазона. По-видимому, это должно определяться целью, ради которой осуществляется данная симуляция пожаротушения. Если речь идет о том, чтобы доказать теоретическую невозможность ликвидации модельного пожара с помощью данного набора сил и средств, следует использовать значения параметров, наиболее выгодные с точки зрения борьбы с огнем: минимальную скорость распространения, минимальный требуемый расход огнетушащего вещества и т. д. Если же целью является обоснование достаточности данного набора сил и средств для борьбы с условным пожаром в заданном помещении, то следует использовать значения параметров, наиболее невыгодные для ликвидации пожара: максимальную скорость распространения пожара, максимальный требуемый расход огнетушащего вещества и т. д.
В некоторых случаях, возможно, может понадобиться использовать значения начальных величин, не принадлежащие диапазонам, указанным в справочниках. Это может быть вызвано необходимостью учесть дополнительные факторы, достоверно имеющие место на заданном объекте, которые смогут противодействовать или способствовать тем или иным процессам. Например, можно завысить временные затраты на прокладку магистральной рукавной линии и рабочей рукавной линии, а также увеличить необходимый расход воды на тушение из стволов, для того чтобы отразить низкий уровень подготовленности данного пожарного подразделения или отягчающие внешние условия (работа ночью, при неблагоприятных климатических условиях и т. д.).
Все параметры, входящие в модель, могут протоколироваться и использоваться для обработки после окончания работы модели. Площадь пожара (Sn(t)) и фронт пожара (Фп(0) могут вычисляться и фиксироваться для каждого шага по времени. Поддается учету количество пролитой из стволов воды (Qfp(t)), количество работающих бойцов и суммарное время, отработанное бойцами для каждого момента времени. Помимо времени, затраченного на ликвидацию пожара, все эти величины могут служить для принятия решения о правильности действий, предпринятых РТП. Возможно создание некоторого комплексного показателя, являющегося функцией от регистрируемых величин. Максимизация этого показателя может рассматриваться как цель тренировки с помощью данной модели. При выборе набора рассчитываемых величин и способов построения графиков в качестве руководства использовались «Методические рекомендации по изучению пожаров» принятые в МЧС [5].
В этой главе описывается созданная в данной диссертационной работе комплексная математическая модель, каждая из составляющих ее частных моделей, взаимодействие этих частных моделей, а также допустимые входные и рассчитываемые с помощью модели выходные величины. В общем описании модели дается схема комплексной модели, в которой выделены ее основные части и описаны основные требования, предъявляемые к этим частям. В частной модели распространения фронта пожара было решено применить принцип Гюйгенса. Этот принцип особенно часто применяется при моделировании лесных пожаров. В данной работе принцип Гюйгенса применен для моделирования распространения пожара в помещении. Такой подход позволил удовлетворить классическим нормам пожарной тактики, принятым в Российской Федерации. Далее водятся частные модели: прогорания (обрушения) стен, тушения пожара, образования и распространения дыма на пожаре.
Особенное внимание в данной работе уделялось частной модели боевых действий по тушению пожара. Основой создания такой модели является удачная формализация тактических явлений, имеющих место на пожаре. В данной работе выделяются шесть тактических объектов: Пожарная автоцистерна, Гидрант, Патрубок АЦ, Магистральная рукавная линия, Ствол и Боец-газодымозащитник. Для этих объектов описываются их состояния, действия и задаваемые для них параметры.
Алгоритм распространения фронта пожара и разрушения стен
Прямоугольник, охватывающий объект пожара разбивается квадратной сеткой на ячейки со стороной h. Величина h и шаг по времени At выбираются в зависимости от заданной линейной скорости распространения пожара. Каждая ячейка содержит два параметра, принимающих значения от 0 до 255. Первый параметр isBurning - состояние горения ячейки. Если isBurning = 0 — ячейка не горит. Если isBurning 0 — ячейка горит. Второй параметр isWall определяет, является ли эта ячейка стеной (или другой строительной конструкцией). Если isWall 0 - имеем стену, непроницаемую для пламени, но, возможно, подверженную прогоранию.
Подбор значения коэффициента coefficient На рис. 3.4 видно, что вариант в) coefficient = 0,2 обеспечивает правильное распространение фронта пожара по принципу Гюйгенса. Вариант б) coefficient = 0,02 вызывает распространение низких значений isBurning на большие расстояния, а вариант г) coefficient = 1 дает неправильное (изломанное) распространение фронта пожара.
Предлагаемый алгоритм не приводит к топологическим сингулярно-стям, как это имеет место в алгоритмах использующих построение смещенных ломаных или кривых с последующим удалением само- и взаимопересечений. Также в предлагаемом алгоритме не возникает сложностей со вторым (обратным) фронтом, который может появляться в алгоритмах, реализующих распространение по принципу Гюйгенса. Данный алгоритм использует менее чем 48 п обращений к матрице ячеек (Где n = width height — общее число ячеек в матрице) и позволяет одновременно учесть процесс распространения огня и прогорание (разрушение) строительных конструкций. Алгоритм устойчив и обеспечивает необходимую точность расчетов.
Предполагается, что тушение из ствола производится концентрическим образом с наращиванием радиуса тушения (см. главу 2 п. 2.2.3. Модель тушения пожара.) Т. е. сначала тушится круг радиусом Аг, затем кольцо с внутренним радиусом Аг и толщиной Аг и т. д. На г -м шаге (начиная с шага номер 0) тушится кольцо с внутренним радиусом (і Аг) и внешним радиусом ((і + 1) Аг). При этом огнетушащее вещество расходуется только на тушение части фактической площади пожара. Э
Следующим шагом в построении алгоритма тушения является учет наличия непрогоревших стен, являющихся препятствием для подачи огнету-шащего вещества из ствола. Для каждой ячейки, найденной с помощью описанного выше алгоритма, необходимо проверить факт достижимости ее при движении по прямой из точки, в которой расположен ствол без пересечения с непрогоревшими элементами строительных конструкций. На рис. 3.8 в качестве примера изображены две точки 1 и 2. Отрезок, соединяющий точку О (место расположения работающего ствола) и точку 1 не пересекается с элементами строительных конструкций, а отрезок, соединяющий точку 0 с точкой 2 — пересекается (пересечение обозначено на рисунке утолщенным отрезком).
Схема проверки наличия стены на пути тушения Для построения отрезков из точки размещения ствола в изучаемые точки был использован алгоритм Брезенхема для построения 8-ми связного отрезка (см. [61]). Приводим один из вариантов реализации этого алгоритма размещенный на сайте http://alglib.sources.ru/graphics/section8connected.php С. Бочканова и В. Быстрицкого на языке C++, переписанный на языке Java: void drawline8connected (int xl, int yl, int x2, int y2).
Ячейки, принадлежащие отрезку, соединяющему ячейку, в которой расположен ствол и изучаемую ячейку, в которой предполагается тушить пожар, последовательно проверяются на неравенство нулю свойства isWall. Если для текущей ячейки выполняется isWall 0, то проход ячеек отрезка прерывается, делается вывод о том, что изучаемую ячейку данным стволом тушить нельзя и осуществляется переход к следующей ячейке согласно алгоритму тушения.
Рис. 3.9. Отрезки, построенные с помощью 8-ми связной развертки по Брезенхему Проверка ячейки на достижимость вынесена в отдельную функцию boolean line_intersects_wall (хс, ус, i, j), возвращающую true в случае, если отрезок пересекается со стеной и false в противном случае. Вызов этой функции вставляется в описанный выше алгоритм тушения в функцию dostep следующим образом: if«i 0)(i W-l) j 0) j h-l)) return; if (Iine_intersects_wall (хс, ус, і, j)) return; //inserted if(isBurning(i]Jl 0){...
Результат работы модифицированного алгоритма можно видеть на рис. 3.10. На этом рисунке видно, что тушение производится в пределах прямой видимости из точки, где расположен ствол вплоть до некоторого радиуса -максимальной дальности подачи огнетушащего вещества.
Далее алгоритмы развития пожара и тушения развиваются за счет учета затруднения для развития пожара по областям, на которые было подано огнетушащее вещество. Для этого вводится дополнительное третье свойство ячейки isLimited. Это свойство равно нулю в случае, если огнетушащее вещество не подавалось на данную ячейку и равно 255 в случае, если преграда для распространения пожара непреодолима. Установив это свойство в 255 для некоторых ячеек до начала работы программы можно тем самым задать области, на которые пожар распространяться не может по каким бы то ни было причинам.
По своему смыслу это есть открытая часть границы области пожара, определяющая области подачи огнетушащего вещества (см. рис. 3.12). Для расчета протяженности фронта пожара подсчитывается количество негорящих ячеек, не являющихся стенкой (isBurning = 0 и isWall = 0), которые имеют смежные горящие ячейки (isBurning 0) и не имеют смежных ячеек стенок (isWall 0). Это количество умножается на длину стороны одной ячейки. В качестве смежных ячеек рассматриваются четыре ячейки, имеющие общую сторону с изучаемой (см. рис. 3.13). Если изучаемая ячейка имеет координаты в матрице ячеек (i, j), то смежными ячейками являются (і l,j),(i,j-l),(i + l,j)H(i,j + l).
Назначение и принципы работы программы
Как практическая реализация предлагаемой модели была создана программа XFireBrigade [58]. Программа реализована с использованием технологии Java . Все программное обеспечение, использованное при производстве программы, является бесплатным. Использование технологии Java делает программу XFireBrigade кроссплатформенной, т. е. программа будет запускаться с равным успехом и под управлением операционной системы Microsoft Windows и под управлением операционных систем FreeBSD, Linux, Mac OS X и т. д. Для работы программы необходима Java машина.
Программа предназначена для развития навыков принятия правильных управленческих решений должностными лицами при организации пожаротушения. Главным образом для проведения практических занятий с курсантами, студентами и слушателями университета по дисциплинам: «Пожарная тактика», «Пожаротушение», «Организация пожаротушения и проведения аварийно-спасательных работ». Возможно использование программы в учебном процессе повышения квалификации работников МЧС, а также для тестирования управленческих качеств должностных лиц. При использовании в качестве начальных данных ситуации, имевшей место на конкретном пожаре, имеется возможность проанализировать допущенные должностными лицами ошибки и промахи. Использовав в качестве начальных данных предполагаемые пути развития пожара на объектах имеющих стратегическую, культурную и иную значимость, можно проводить тренировку должностных лиц данного объекта.
В основе работы программы лежит комплексная математическая модель процессов развития пожара и пожаротушения. За плановую основу принимаются поэтажные планы выбранного помещения в одном из векторных форматов (MIF или DXF). Предполагается, что точное расположение пожарной нагрузки неизвестно. В программе моделируется следующие процессы: процесс распространения фронта пожара (скорость задается в исходных данных программы); разрушение строительных конструкций (потеря их несущих свойств и целостности, а так же теплоизоляционной способности определяется степенью огнестойкости здания). процесс тушения пожара огнетушащими веществами; расходование огнетушащих средств; расходование воздуха в аппарате защиты дыхания; занятость в данной боевой операции определенного количества бойцов из личного состава; наличие водоисточников, позволяющих пополнять запас воды.
Особенностью данной программы является одновременный учет физических и тактических процессов. Ищется ответ на вопрос о возможности или невозможности решения поставленной боевой задачи имеющимися в распоряжении руководителя тушения пожара (РТП) силами и средствами. Руководителем учебного процесса задается: план помещения; очаги пожара; план недоступных для пожара площадей; наличие и удаленность водоисточников; количество и характеристики имеющихся в распоряжении РТП сил и средств; скорость распространения огня; необходимый расход огнетушащего вещества; временные нормативы выполнения тактических операций.
Визуализация в программе выполняется в виде 2D графики. В качестве изображений тактических объектов используются стандартные значки, применяемые при черчении пожарно-тактических схем.
Предполагается, что использование данной программы для обучения курсантов позволит выявить и изучить особенности использования сил и средств. Например, некоторые варианты действий, не являющиеся очевидными, могут привести к менее затратному решению боевой задачи. Варианты действий в данной программе могут без труда подвергнуться сравнению по объективным показателям, в отличие от реальных боевых действий по ликвидации пожара.
Модуль предназначен для выбора языка программы и задания скорости течения условного времени программы (см. рис. 4.1). Работу с данным модулем осуществляет только руководитель учебного процесса. Смена языка программы обеспечивается использованием одного из текстовых файлов, в котором на соответствующем языке записаны имена команд, состояния объектов и пр. В данный момент имеются три языка программы: русский, английский и немецкий. Количество языков может быть увеличено добавлением тестовых файлов с переведенными фразами. Скорость течения времени задается в миллисекундах условной секунды. Минимально может быть задано 100 миллисекунд, что будет соответствовать ускоренному в 10 раз течению условного времени. Максимально может быть задано 10 000 миллисекунд, что соответствует в 10 раз замедленному течению условного времени программы.
