Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности развития и тушения пожаров объектов, расположенных на воде
1.1. Статистика основных причин пожаров объектов, расположенных на воде и особенности их развития 9
1.2. Анализ средств и способов тушения пожаров на судах 15
1.3. Использование кораблей и катеров для тушения пожаров на судах различных типов 31
Вывода по главе 1 36
Глава 2. Математические модели движения пожарного судна
2.1. Детерминированные математические модели движения пожарного судна 38
2.2. Вероятностные математические модели движения пожарного судна 69
Выводы по главе 2 83
Глава 3. Исследование режимов управляемого движения пожарного судна
3.1 Методы численного интегрирования в задаче моделирования управляемого движения пожарного судна 84
3.2. Автоматическое управление пожарным катером в режиме сближения с объектом тушения 88
3.3. Управление движением пожарного судна в режиме обхода объекта тушения 113
3.4. Реализация математических моделей управляемого движения пожарного судна в системе MATLAB 116
3.5. Решение задачи автоматизированного управления движения пожарного судна по замкнутой территории заданного вида 123
Выводы по главе 3 131
Глава 4. Виртуальное динамическое моделирование основных функций пожарного судна
4.1. Особенности методики построения ЗБ-модели пожарного судна 132
4.2. Виртуальное моделирование движения пожарного судна
Выводы по главе 4 159
Заключение 160
Литература 164
Приложения 173
- Использование кораблей и катеров для тушения пожаров на судах различных типов
- Вероятностные математические модели движения пожарного судна
- Автоматическое управление пожарным катером в режиме сближения с объектом тушения
- Решение задачи автоматизированного управления движения пожарного судна по замкнутой территории заданного вида
Введение к работе
Актуальность работы - пожары на транспортных средствах и особенно на водных видах транспорта характеризуются быстротой развития и требуют использования всех возможных сил и средств для их локализации и ликвидации. Как правило, на речных и морских судах собственных сил и средств борьбы с возникшим пожаром недостаточно для его эффективного гашения. Одним из направлений повышения эффективности борьбы с пожарами на водных видах транспорта может служить использование специальных пожарных катеров и судов.
По сравнению с наземной пожарной техникой пожарные суда при выполнении своих функций обычно испытывают воздействия внешней среды: течения, ветер, волнение водной поверхности, которые существенно снижают эффективность использования имеющихся на них средств.
Для уменьшения негативного влияния перечисленных факторов необходимы согласованные действия сил и средств, управляющих движением пожарного судна, с силами и средствами пожарной техники.
Диссертационное исследование посвящено решению задач автоматизации управления движением пожарного судна в экстремальных ситуациях при выполнении им задач тушения пожара на различных видах водного транспорта.
Цель диссертационной работы - разработка математических моделей и исследование с их помощью режимов автоматического управления движением пожарных судов для повышения эффективности использования специальной пожарной техники ГПС МЧС России в условиях тушения пожаров на средствах водного транспорта.
Объект исследования - разновидности математических моделей управляемого движения пожарных судов, в том числе виртуальные
динамические модели, позволяющие организовать оптимальные траектории маневрирования пожарного судна для эффективного использование его пожарных сил и средств.
Предмет исследования - управляющие функции, обеспечивающие автоматическое управление маневрированием пожарного судна в экстремальных ситуациях и эффективное использование судовых пожарно-технических систем ГПС МЧС России.
Научная задача, решаемая в диссертационной работе, заключается в разработке математических моделей, в том числе и виртуальных динамических и методики их использования, направленных на повышение эффективности применения судовых пожарно-технических систем в экстремальных условиях тушения пожара на водных видах транспорта.
Научная новизна диссертационного исследования состоит в том, что впервые, применительно к современным требованиям эффективной борьбы с пожарами на водных видах транспорта, предложено использовать во взаимодействии виртуальные динамические и традиционные математические модели управляемого движения пожарного судна, обеспечивающие решение задачи автоматического маневрирования и эффективного использования его специальной пожарной техники.
Методы исследования. При разработке основных положений диссертационной работы используются методы математического моделирования, математического анализа, численные методы решения гетерогенных уравнений, методы виртуального динамического моделирования.
На защиту выносятся следующие основные результаты диссертационных исследований:
1. Математические модели управляемого движения пожарного судна для различных режимов его маневрирования.
2. Алгоритмические и программные реализации математических
моделей для исследования режимов автоматического маневрирования
пожарного судна при тушении пожара на водном транспорте.
3. Методика построения виртуальной динамической модели пожарного
судна и использование последней в специальном компьютерном тренажере.
Научно-практическая ценность полученных результатов диссертационного исследования заключается в использовании разработанных математических моделей и их программных реализаций для:
- оценки возможностей перехода существующих пожарных катеров и
судов на использование автоматических систем управления их
маневрированием в условиях тушения пожара на водных видах транспорта;
определения оптимальных по критерию быстродействия маневров пожарного судна, обеспечивающих максимально эффективное использование его пожарной техники;
создания компьютерных тренажеров, максимально приближенных к имитации тушения пожара на водных видах транспорта, благодаря использованию виртуальных динамических моделей.
Математические модели управляемого движения пожарного судна позволяют комплексно оценивать проектные решения на ранних стадиях разработки автоматических систем управления, обеспечивающих качественное маневрирование судна в процессе тушения пожара.
Использование программных реализаций математической модели позволяет на современном уровне организовать подготовку экипажа пожарного судна для выполнения им задач в экстремальных ситуациях, как в части управления маневрированием, так и в части эффективного использования специальной пожарной техники.
Результаты диссертационного исследования внедрены в Санкт-Петербургском институте ГПС МЧС России и Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете. Кроме того, отдельные
положения данной работы вошли в состав нормативно-методических документов Главного управления МЧС России по Ленинградской области и находятся в стадии реализации.
Апробация исследования. Научные результаты, полученные в исследовании, докладывались и обсуждались с 2003 по 2005 год на заседаниях кафедры пожарной тактики, а также на следующих научно-практических конференциях:
Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций», Москва, Всероссийский центр мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций «Антистихия», 23 октября 2002 г.;
межвузовском научно-практическом семинаре «Новые информационные технологии в управлении подразделениями Государственной противопожарной службы МЧС России», Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский институт Государственной противопожарной службы МЧС России, 29 апреля 2003 г.;
региональной научно-практической конференции «Защита транспортных систем от актов незаконного вмешательства и проведения спасательных работ в чрезвычайных ситуациях», Санкт-Петербург, Академия гражданской авиации, 14 мая 2003 г.;
международной научно-практической конференции «Проблемы обеспечения безопасности при чрезвычайных ситуациях», Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский институт Государственной противопожарной службы МЧС России, 14-15 октября 2003 г.;
Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций», Москва, Всероссийский центр мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций «Антистихия», 22-23 октября 2003 г.;
международной научно-практической конференции «Международный опыт подготовки специалистов пожарно-спасательного профиля», Санкт-Петербург, 20-21 января 2004 г.;
научно-практической конференции «Новые технологии в деятельности органов и подразделений МЧС России», Санкт-Петербург, 26 мая 2004 г.;
международной научно-практической конференции «Проблемы обеспечения безопасности при чрезвычайных ситуациях», Санкт-Петербург, 27-28 октября 2004 г.;
международном научно-практическом семинаре «Применение современных методов и форм методической работы в подготовке специалистов пожарно-спасательного профиля», Санкт-Петербург, 9 февраля 2005 г.;
10) 16-й Всероссийской научно-технической конференции
"Экстремальная робототехника", Санкт-Петербург, 11-13 апреля 2005 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ.
Использование кораблей и катеров для тушения пожаров на судах различных типов
Если стволы или пену подать в очаг через люки или вентиляционные каналы нельзя, вскрывают отверстия в местах наибольшего прогрева палубы и переборок.
К затоплению горящих трюмов прибегают лишь в крайних случаях, как к последней мере, когда не эффективны другие способы тушения или проникновение и подача огнетушащих веществ в очаг горения невозможны.
При затоплении трюмов необходимо учитывать плавучесть грузов, которые процессе затопления могут подниматься и продолжать гореть, в результате возможны прогрев, деформация палубы и переход горения в твиндеки, а также разбухание груза и, как следствие, нарушение целостности и прочности переборок и палуб.
Во время пожаров в трюмах необходимо организовать наблюдение или периодически проверять состояние соседних трюмов и помещений с тем, чтобы своевременно организовать выгрузку их или охлаждение переборок и палуб. Палубы в твиндеках при отсутствии крена можно защищать путем создания на них слоя воды.
Тушение пожаров на нефтеналивных судах является наиболее трудоемким и сложным процессом. Объемное тушение стационарными средствами применимо в тех случаях, когда танки не разрушены и площадь отверстий, связывающих поверхность жидкости с атмосферой, незначительна (не более 10% площади танка). Если танки разрушены значительно, то прибегают к поверхностному тушению пенами от передвижных средств.
Приемы и средства тушения факелов аналогичны тушению их в резер-вуарных парках. При наличии большого количества факелов необходимо подавать пар или газы внутрь горящих и соседних танков, а также интенсивно охлаждать палубу и коммуникации над танками, где наблюдается выход паров.
Первоначальные действия пожарных подразделений по локализации пожара заключаются в обеспечении достаточного охлаждения горящего и смежных танков, их герметизации и, главное, в предотвращении взрывов и распространения пожара. Чтобы предотвратить взрывы и распространение пожара, задраивают наглухо все отверстия; соседние танки заполняют водой, пеной, нефтепродуктами или негорючими газами; отключают газо-, паропроводы от аварийного отсека; подают струи на охлаждение палубы, надстроек и коммуникации трубопроводов. Для охлаждения различных поверхностей и коммуникаций лучше использовать распыленные струи из стволов НРТ и стволов А со свернутыми насадками. Охлаждению должны подвергаться все обогреваемые поверхности танков. Интенсивность подач воды для охлаждения металлических конструкций, находящихся в зоне действия пламени, должна быть 0,18-0,22 л/(м2с), или 1 л на 1 м борта танкера. При значительном повреждении палубы горящих танков стационарные установки газового тушения используют для заполнения газами соседних танков. Основными средствами поверхностного тушения при значительной площади вскрытия палубы являются воздушно-механические пены. Для подачи пены в танки используют стационарные закидные пеносливы и пенные стволы. При проведении пенной атаки весь личный состав, работающий с пе-носливами и стволами, должен находиться под защитой распыленных струй. При низком уровне жидкости и наличии внутри танка деформированных или обрушившихся конструкций переборок, палуб и оборудования, когда тушение пенами затруднено, прибегают к заполнению танка нефтепродуктами или водой, чтобы поднять уровень и освободить зеркало жидкости. Если корпус поврежден и судно находится в плавающей и горящей на поверхности воды жидкости, то необходимо его вывести из зоны горения, развернуть и поставить на якорь так, чтобы вытекающий нефтепродукт уходил по течению или по ветру. При этом охлаждают борт танкера и удаляют нефтепродукт от танкера с помощью мощных водяных струй. Если вывести судно из разлившихся нефтепродуктов невозможно, то горение пленки нефтепродукта на поверхности воды ликвидируют, перемешивая его мощными компактными струями воды. Для ограничения распространения растекания нефти по акватории используют бонные заграждения. При этом устанавливают их так, чтобы воздействию пламени подвергалась как можно меньшая часть борта танкера. Оцепление танкера заграждениями по всему периметру ликвидирует растекание нефтепродукта по акватории, но создает более тяжелые условиях тушения, так как судно будет гореть по всему периметру. При пожарах в МКО вследствие плотного задымления и быстрого роста температуры попытки проникнуть внутрь помещения сверху по трапам даже под прикрытием распыленных струй в большинстве случаев бывают безрезультатными. Для проникновения в эти помещения необходимо, в первую очередь, использовать входы через коридор гребного вала или с палубы. При этом необходимо иметь в виду, что если вентиляционные шахты и люки котельной или машинного отделения закрыты, то при открывании дверей дым пойдет навстречу. Поэтому предварительно необходимо открыть люки шахт или на некоторое время включить вентиляцию.
Вероятностные математические модели движения пожарного судна
Пожары на воде имеют свои особенности, хотя и происходят в окружении водной стихии .Технический прогресс привел к тому , что наряду с пожарами на судах и военных кораблях , как правило оканчивавшихся гибелью последних , стали возникать пожары и на морских нефте и газодобывающих платформах.
Как и при любом пожаре, успех тушения пожара на воде зависит от времени начала его тушения, а это требует быстрого оповещения о возникновении пожара и высокой скорости пожарного судна. Кроме этого существенное значение для быстрой локализации пожара на воде имеет маневренность пожарного судна, его способность предельно быстро подойти к основному очагу пожара и эффективно применить все имеющиеся на борту противопожарные средства.
На рис. 2.24 показан пожарный катер, выполняющий свои функции в идеальных условиях отсутствия волнения на поверхности воды , слабого ветра и незначительного течения . В реальных условиях перечисленные факторы могут значительно осложнить эффективное применение противопожарных средств.
Данный раздел диссертации посвящен созданию математических моделей для исследования маневренных свойств пожарного судна, минимизирующих время его подхода к горящему объекту на воде и время маневрирования, необходимых для эффективного тушения пожара на кораблях и судах , с учетом внешних возмущений в виде течений, волновых и ветровых воздействий, препятствующих пожарному кораблю при выполнении им своих основных функций..
Внешние факторы, действующие на пожарный корабль, носят, как правило, случайный характер . Для их задания в математической модели требуется не только знание общих характеристик случайных возмущений, но и использование оценок значений их параметров, что возможно при анализе статистических данных натурных экспериментов, связанных с результатами возденйствия на корабль таких случайных факторов, как: - направление и величина течения в районе выполнения пожарным кораблем его функций; - направление и сила ветра в районе ликвидации пожара на горящем объекте; - величина и характер волнения на акватории и др.
Процесс получения перечисленной информации во время действий корабля, связанных с ликвидацией пожара на горящем судне, а также процесс использования этой информации для корректировки маневров пожарного судна с целью эффективного использования его противопожарных средств может быть темой отдельного научного исследования ввиду его сложности. В данном разделе диссертации сформулированы подходы к способам учета случайных факторов, действующих на пожарный корабль, в математической модели, описывающей различные режимы его движения.
По отношению к математическим моделям морских объектов различают внешние возмущения и возмущения, генерируемые системами самого объекта или пожарного судна. Природа внешних возмущений связана с воздействием на пожарный корабль среды (воздушной, водной) и компонентами этих сред, а именно ветра , волн, течения. Параметры внешних воздействий носят случайный характер, учет которого в ряде случаев затруднен.
Для учета внешних случайных возмущений в математической модели пожарного судна , в первом приближении, достаточно знание априорной информации о характере этих возмущений.
Если природа случайных воздействий на корабль не известна, но возможна оценка диапазона изменения определяющих параметров явления , например, волнение в районе пожара колеблется от 2-х до 4-х баллов, то для математической модели может быть принята гипотеза о равновероятном распределении бальности волнения моря в указанном диапазоне.
В случае, когда имеются среднестатистические данные о случайном процессе в районе тушения пожара, например, средняя скорость течения составляет 1,5 узла, то возможно использование гипотезы о нормальном законе распределения такой случайной величины, как скорость течения и соответствующим описанием этого явления в математической модели.
Рассматривается пожарный корабль традиционной архитектуры, оснащенный специальными мониторами, генерирующими водяные струи управляемой длины для тушения пожара объектов, расположенных на воде.
Управление движением пожарного судна осуществляется как в операторном ( с участием человека ), так и в автоматическом режиме с использованием авторулевого.
Автоматическое управление пожарным катером в режиме сближения с объектом тушения
Оптимизм в этой области усиливает тот факт, что динамика разработки специальных средств построения виртуальных динамических моделей опережает другие направления развития современного программного обеспечения.
Если при традиционном подходе для создания виртуальной динамической модели использовались , в основном, средства автоматизированного конструирования ( CAD-системы ) и средства разработки трехмерных моделей типа 3DSMAX , то появление специальных программных средств для виртуального моделирования сложных машин и механизмов, таких как MSC.Adams дозволило значительно повысить эффективность создания и использования виртуальных динамических моделей, в том числе и для решения задач пожарной тактики.
Виртуальное динамическое моделирование заменяет дорогостоящие и длительные натурные эксперименты быстрым и подробным компьютерным моделированием, обеспечивая экономию значительных средств и выход на рынок с всесторонне оптимизированными изделиями сложной пожарной техники.
С помощью MSC.Adams быстро создается полностью параметризиро-ванная модель образца сложной пожарной техники. Виртуальная динамическая модель строится непосредственно в предпроцессоре или импортируется из используемых CAD-систем. Задав связи компонентов модели, приложив нагрузки, определив параметры кинематического воздействия и запустив режим расчета, можно получить данные, полностью идентичные результатам натурных испытаний пожарной системы. Таким образом, представление о работе сложной пожарной техники складывается еще до начала процесса изготовления опытного образца.
Однако, стоимость специализированных систем виртуального динамического моделирования достаточно высока, а опыт их использования в отечественной практике еще не достаточен, поэтому рассмотрим методику использования доступных средств: AutoCAD и 3DSMAX на примере создания трехмерной динамической модели такого сложного объекта, каким является пожарный катер.
Программы для графического моделирования AutoCAD и 3DSMAX -это очень сложные программы, обладающие тысячами опций. В экранном окне интерфейса программы AutoCAD присутствует встроенная командная консоль. Пользователь может выбирать инструменты моделирования как визуально, так и вводя соответствующие команды в консоли. Консоль обладает также рядом функций, недоступных при использовании визуального интерфейса, например, при задании точек фигуры в пространстве через консоль можно вызвать калькулятор, который позволит точно рассчитать необходимые координаты, позволяя использовать при этом координаты других точек. Эффективное использование программы предполагает как использование такой консоли, так и использование визуального пользовательского интерфейса.
В программный пакет AutoCAD входят также все необходимые разработчику рамки и шрифты, соответствующие требованиям ГОСТов.
В главном экранном окне программы 3DSMAX кроме визуальных компонент для создания объектов присутствуют настройки анимации. Временная шкала расположена внизу главного окна. Программа 3DSMAX обладает гибкой системой настройки пользовательского интерфейса, который позволяет настроить положение и количество панелей инструментов, а также сохранить эти настройки в специальном файле или загрузить их из уже сохраненного файла настроек. Но в отличие от программы AutoCAD программа 3DSMAX не имеет встроенной командной консоли.
Обе эти программы предназначены для создания трехмерных моделей, но они различаются тем, что программа 3DSMAX использует сеточное построение объектов, а программа AutoCAD использует принцип твердотельного построения объектов. Другими словами, если разрезать модель, построенную в программе 3DSMAX, то она окажется внутри полой, а модель в программе AutoCAD будет цельной.
Свойство твердотельности является очень важным, так как позволяет изучить внутреннее устройство построенной модели. С помощью специального инструмента задаются плоскости, по которым необходимо рассечь модель, далее программа сама прорисовывает внутреннее устройство модели, попавшее в разрез.
Модели, построенные в программе AutoCAD, являются более точными, чем модели, созданные в программе 3DSMAX , поэтому рекомендуется первоначально строить модели сложных объектов в программе AutoCAD, а потом импортировать полученные модели в программу 3DSMAX и добавлять к ней анимацию и другие эффекты.
Методика моделирования при использовании программы 3DSMAX заключается в том, что в окно проекции 3DSMAX помещаются чертежи видов моделируемого объекта. Затем по этим чертежам с помощью инструментов для работы с сеткой создается каркас пожарного судна. Сначала в соответствии со всеми видами создается одна плоскость, модифицируя которую и присоединяя к ней новые плоскости, в дальнейшем поэтапно создается трехмерная модель пожарного судна.
После создания основного каркаса с помощью примитивов, таких как, параллелепипед, сфера, цилиндр и т.д., создаются остальные детали пожарного судна путем комбинирования этих объектов и редактирования их сеток. Полученные объекты располагаются в нужных местах модели пожарного судна. После этого сетка подвергается сглаживанию. В программе 3DSMAXсуществует множество способов сделать сетку более гладкой, например, для этого используются специальные модификаторы, группы сглаживания и т.д.
Решение задачи автоматизированного управления движения пожарного судна по замкнутой территории заданного вида
Анимация является ключевым понятием для пакета ЗББМАХ.Эффект движения в компьютерной анимации создается за счет использования принципа инертности восприятия. Каждое отмеченное глазом изображение остается в нашем восприятии, как статическая картинка до тех пор, пока ее не сменит новая. За счет очень частой смены подобных картинок мы видим практически непрерывное движение.
Согласно профессиональной терминологии эти изображения называются кадрами. Естественно, чем выше частота смены кадров (то есть меньше временной промежуток между соседними кадрами), тем более плавным будет казаться полученное движение. В пакете 3DSMAX плавные переходы между ключевыми кадрами создаются автоматически с помощью так называемых контроллеров анимации. Задачей пользователя остается только правильно разместить ключевые кадры на временной шкале.
Анимацию в программе 3DSMAX можно создавать не только для движения объектов, но и для различных параметров объекта таких как: цвет, высота, ширина, длина, количество полигонов, для параметров модификаторов, параметров материалов объекта и т.д. Все вышеупомянутые виды анимаций можно создать с помощью ключевых кадров.
В случае сложной анимации, требующей ручной настройки, необходимо будет воспользоваться редактором треков, который позволяет изменять промежуточные кадры анимации. Несмотря на то, что визуализировать можно любой вид в программе 3DSMAX, включая любое окно проекции, как ортогональное, так и аксоно-метрическое, окончательную обработку (визуализацию) рекомендуется проводить с помощью камер.
Камеры имеют несложную, гибкую систему настройки и перемещения в пространстве. Как и у реальных камер, камеры в 3DSMAX имеют фокусное расстояние, что позволяет уменьшать и увеличивать объекты. Кроме этого, они поддерживают замену линз и другие немаловажные возможности.
Камеры имеют также две плоскости отсечения. Если какой - либо объект находиться ближе, чем первая плоскость, либо дальше, чем вторая, он не виден из камеры, которой эти плоскости назначены.
Если необходимо, чтобы объект не просто был не виден из камеры, как при использовании плоскостей отсечения, а как бы исчезал в тумане, то применяют стандартный туман.
Все эти настройки позволяют быстро и просто получить нужный результат, но самой трудной задачей является определение точки съемки. Обычная точка съемки, когда камера установлена на уровне глаз и направлена по горизонтали, привычна для человека по большинству фильмов. При использовании такой камеры у зрителя создается ощущение присутствия в сцене.
Для задания сложного и точного движения камеры программа поддерживает применение сплайнов в качестве ограничителей движения камеры. Таким образом, пользователь в начале создает сплайн, который точно повторяет требуемую траекторию движения камеры, а затем назначает этот сплайн в качестве ограничителя движения камере. Кроме этого, имеются еще и специальные настройки поведения камеры при перемещении на сплайне. С их помощью можно, например, создавать имитацию облета предмета или имитацию полета.
В пакете 3DSMAX имеется возможность производить видео монтаж непосредственно в программе. Функциями видео монтажа, поддерживаемого по умолчанию 3DSMAX, являются следующие: определение временного отрезка работы каждой камеры, что позволяет получить конечную анимацию, отснятоую с неограниченного числа камер, наложение различных видов бликов, свечений, зернистости изображения, размытости изображения и так далее. Все эти функции очень полезны при создании сложных реалистичных сцен . На рис. 4.13 представлен результат визуализации взаимного расположения сухогруза и идущего ему на встречу пожарного судна с использованием камеры.
