Содержание к диссертации
Введение
Гяава I. Попарная опасность в зданиях повышенной этажности и эффективность технических систем противопожарной защиты 19
1.1. Особенности пожарной опасности в зданиях повышенной этажности 19
1.2. Влияние эффективности функционирования технических систем противопожарной защиты на пожарную безопасность в зданиях повьшенной этажности 32
Выводы по главе I 44
Глава II. Математическое описание процесса функцио нирования технических систем противопожарной защи ты в зданиях повышенной этажности 46
2.1. Структура технических систем противопожарной защиты в зданиях повышенной этажности и опенка эффективности их функционирования 46
2.2. Разработка математической модели процесса функционирования технических систем противопожарной защиты в зданиях повышенной этажности 67
Выводы по главе П 90
Глава III;. Исследование статистических характеристик процесса возникновения пожаров и загораний в зданиях повышенной этажности и отказов в технических системах противопожарной защиты 93
3.1. Методика сбора статистических данных по пожарам и загоранитт в зданиях повышенной этажности и отказам в технических системах противопожарной защиты 93
3.2. Исследование потока пожаров и загораний в жилых зданиях повышенной этажности 98
3.3. Определение характеристик законов распределе ния наработок между отказами в системах подпора воз духа и дымоудаления 115
3.4. Определение доверительных Гранин для парамет ров потоков отказов систем подпора воздуха п дымоу даления 124
Выводы по главе III 126
Глава ІV. Разработка решений и математических моделей оценки эффективности технических систем противопожарной защиты в зданиях повышенной этажности 127
4.1. Принципы построения систем автоматического контроля работоспособности технических систем противопожарной защиты в зданиях повышенной этажности 127
4.2. Оценка эффективности применения временного резервирования как метода повышения надежности исследуемых систем 143
4.3. Модель оптимизации резервного состава элементов технических систем противопожарной защиты в зданиях повышенной этажности 154
4.4. Опенка социальной эффективности решений по повышению надежности технических систем противопожарной защиты в зданиях повышенной этажности 160
4.5. Рекомендации по повышению эффективности функци онирования технических систем противопожарной защиты в зданиях повышенной этажности 165
Выводы по главе 11 181
Заключение 182
Литература
- Влияние эффективности функционирования технических систем противопожарной защиты на пожарную безопасность в зданиях повьшенной этажности
- Разработка математической модели процесса функционирования технических систем противопожарной защиты в зданиях повышенной этажности
- Исследование потока пожаров и загораний в жилых зданиях повышенной этажности
- Оценка эффективности применения временного резервирования как метода повышения надежности исследуемых систем
Введение к работе
В"Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I981-1985 годы и на период до 1990 года", принятых на ХХУІ съезде КПСС, указывается на необходимость улучшения про-ектно-сметного дела и на усиление ответственности за обеспечение высокого технического и экономического уровня проектов [і]. Одним из важнейших критериев, оценивающих уровень проектов зданий, является степень обеспечения безопасности для людей, находящихся в этих зданиях. В 1977 г. Совет Министров СССР рассмотрел положение дел с обеспечением пожарной безопасности в стране и принял Постановление от 15 июля 1977 года № 654 "О мерах по повышению пожарной безопасности в населенных пунктах и на объектах народного хозяйства", где обратил внимание на серьезные недостатки в обеспечении пожарной безопасности городов и других населенных пунктов, в том числе и зданий с массовым пребыванием людей, к каким относятся и здания повышенной этажности.
В том же документе отмечено также, что причинами многих крупных пожаров явилась эксплуатация оборудования с низким уровнем противопожарной защиты.
А между тем, как отмечается в "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на І98І-І985 гг. и на период до 1990 г.", принятых на ХХУІ съезде КПСС, жизнь настоятельно требует "совершенствовать стандарты и технические условия на готовую продукцию, комплектующие изделия..." [ I].
Основными направлениями развития народного хозяйства СССР предусматривается также "повысить технический уровень и качество продукции машиностроения, средств автоматизации и приборов, значительно поднять экономичность и производительность выпускаемой техники, ее надежность и долговечность" [і].
А в докладе Председателя Совета Министров СССР товарища Н.А.Тихонова ХХУІ съезду КПСС прямо уїсазано, что "надо ужесточить систему оценки технического уровня машин и оборудования" [ i].
Особенно остро проблема обеспечения безопасности людей встает при проектировании и эксплуатации зданий повышенной этажности. Рост этажности застройки - это общепризнанная устойчивая тенденция развития крупных и средних городов во всем мире, обусловленная соображениями экономичности в строительстве и эксплуатации. Особенно наглядно это видно в крупных городских агломерациях и системах расселения, где возрастают затраты на освоение земли и инженерное оборудование зданий [ 5б].
XX век характеризуется быстрым увеличением числа городов с .миллионным населением. В 1920 г. их было 25, в 1950 г. - 90, в I960 г. - 140, в 1970 г. - свыше 150 [38]. В развитых странах на долю городов придется к концу XX века три четверти всего населения, а в развивающихся - около половины всего населения [57].
Тенденция роста этажности застройки городов особенно наглядно прослеживается на примере жилой застройки (по данным ЦСУ СССР % к итогу): площадь жилых домов 10 этажей и более возросла с 3% в 1971 г. до 10$ в 1978 г., т.е. увеличилась более чем в три раза [58].
По данным ГУПО МВД СССР [з], в настоящее время в СССР насчитывается в общей сложности 8709 зданий повышенной этажности (10 этажей и выше), из них большая часть является жилыми ЗПЭ (8126) и лишь незначительная доля приходится на общественные (583 здания). Следует, кстати, отметить, что наибольший процент в массовом жилищном строительстве в крупных городах страны составляют 9-этажные дома. В Москве процент 9-этажных домов составляет 47-49$ [8І, в крупнейших городах с населением свыше I млн. жителей (кроме Москвы, Ленинграда и Киева) - 51-53$ и в крупных городах с населением от 500 тыс. до I млн. жителей - 38-40%. В ближайшие годы ожидается, что процент 12, 14 и 16-этажных ЗПЭ в общем объеме строительства составит 48-50%, а согласно данным ЦНИИПградостроительст-ва и ЦНИИЭПжилища удельный вес зданий повышенной этажности в ближайшее время достигнет 85-90%, в целом же по стране 16% [39]. По данным [59] в Москве здания в 16 и выше этажей по количеству общей площади, которая будет вводиться в одиннадцатой и двенадцатой пятилетках, составят 65-70%, в том числе здания свыше 16 этажей -10-15%.
Вывод о том, что жилые ЗПЭ составляют большую часть застройки городов можно сделать по данным, приведенным в приложении & I (по г. Москве).
Строительство многоэтажных (до 20 этажей) зданий оправдано и для больниц: протяженность пути движения медицинского персонала в 7-этажном корпусе составляет 14592 м, тогда как в 17-этажном -6200 м, т.е. в 2,3 раза короче, в том числе для врача - в 2,2 раза, постовой медицинской сестры - в 3 раза [60]. В 17-этажном корпусе значительно короче маршруты передвижения больных: от приемного отделения в 3,6 раза; от физиотерапевтического - в 7,1 раза и т.д.
По состоянию на I января 1981 г. по данным ІУП0 МВД СССР [з], в СССР за 1976-1980 гг. произошло 492 пожара в ЗПЭ и погибло при этом в общей сложности 87 человек, причем в последние годы наблюдается тенденция к увеличению числа жертв от пожаров в ЗПЭ. Так, по данным [73] число погибших при пожарах, в том числе и в ЗПЭ, неуклонно растет. Например, за период с 1968 по 1975 годы число погибших увеличилось: в Австралии - на 12%; Канаде - на 6%; Финляндии - на 23$; Бельгии - на 27$.
В Японии и Англии число жертв ежегодно увеличивается в среднем на 5$ [74j . По данным [79] в США ежегодно происходит около 600 крупных пожаров в многоэтажных зданиях, при которых создается опасность для жизни людей. В США [75] в среднем происходит 170 пожаров на 2000 высотных зданий, а по данным [7б] в США. ежегодно погибает 12000 человек и около I млн. получают сильные ожоги и отравления.
Как показывает мировая статистика, большинство людей погибает на пожарах в жилых зданиях. Например, в США в 1978 г. погибло 8621 человек, из них 78,5$ - в жилых домах [8l] . В штате Вирджиния (США) в 1979 г. пожары в жилых зданиях составили 72$ от общего числа пожаров [82] . В 1981 г. в США погибло 6700 человек, что на 195 человек (3$) больше, чем в 1980 г., причем 5540 человек погибли при пожарах в жилых зданиях, что составило 82,7$ от общего числа погибших [83]. В 1982 г. в США от пожаров в жилых домах погибло 5600 человек, что составляет 92$ погибших при пожарах в зданиях [84] .
Аналогичная тенденция наблюдается и в других странах. В Англии, по данным работы [85] , в 1977 г. при пожарах в жилых зданиях погибло 652 человека, т.е. 77$ от общего числа жертв.
В 1978 г. в Англии при пожарах погибло 946 человек, из них 75$ жертв приходится на пожары в жилых зданиях [86]. В целом же по стране при пожарах гибнет около 1000 человек, из них около 800 человек - в жилых зданиях [87] .
По статистическим данным во Франции в 1981 г. в жилых зданиях произошло 31,3$ пожаров. При этом 62% людей от всего числа погибших погибает в жилых зданиях [88].
Анализ отечественных статистических данных также подтверждает, что наибольшее число пожаров и жертв от них приходится на жилые здания. За 1966-1976 гг. на пожарах в жилых домах в РСФСР погибло 81,4!? людей от общего числа погибших, причем 981 погибло до прибытия пожарных подразделений [бі], по данным работы [б2] 50,71 яю-дей погибло в жилых домах (по СССР за 1974г.). В целом по стране за период с 1974 по 1980 гг. число погибших людей (по отношению к общему числу жертв на пожарах) представлено в таблице.
Таблица. Число погибших на пожарах в жилых домах по СССР (1974-1980 гг.)
Годы 1974 1975 1976 1977 1978 1979 1980
Число жертв,%% 79,2 80,4 80,1 81,2 80,9 81,4 78,0
Таким образом, количество пожаров в жилых домах составляет не менее 501 общего числа пожаров (по СССР за 1978,1979 гг.) [63,64], при этом на них погибает в среднем около 801 от всех погибших на пожарах.
Для сравнения заметим, что за период с 1975 по 1980 гг., согласно статистическим данным, приведенным в [65], в общественных зданиях ежегодно происходило от 4 до 4,81 пожаров, т.е. приблизительно в 10 раз меньше, чем в жилых домах. Характерны в этом плане данные, приведенные в приложения . 2 и 3 настоящей работы, из которых видно,что в административные ЗПЭ г.Москвы выезды составляют также лишь незначительную часть по сравнению с количеством выездов на пожары и загорания в жилые ЗПЭ за тот же период (1976-1980 годы).
Все это позволяет утверждать, что основное внимание в проводимых исследованиях следует уделять именно жилым ЗПЭ, тем более, что по данным [з] 21,8$, т.е. почти четверть всех имеющихся в стране систем противодымной защиты в ЗПЭ, не работоспособны.
Последствия пожаров в зданиях повышенной этажности оказали заметное влияние на разработку многих законодательных актов.
В то же время сейчас нет нормативов, определяющих как сам перечень показателей надежности технических систем противопожарной защиты в зданиях повышенной этажности, так и допустимые их значения. Это связано с отсутствием в настоящее время достаточно полно разработанных методов оценки эффективности применения систем противопожарной защиты в зданиях повышенной этажности, а также научно обоснованных путей ее повышения.
Кроме того существующие методы оценки эффективности применения систем противопожарной защиты в зданиях повышенной этажности, учитывая, с одной стороны, вероятностную природу процесса их функционирования, не выделяют из всего многообразия параметров, влияющих на уровень их эффективности, наиболее существенные. Причиной этого является практически полное отсутствие исследований структурных взаимосвязей элементов в составе комплекса средств по защите людей от опасных факторов пожара.
Вместе с тем уместно отметить, что главным направлением в развитии экономики СССР, намеченным ХХУІ съездом КПСС, ноябрьским (1982г.), июньским (1983г.), а также последним апрельским (1984г.) Пленумами ЦК КПСС является решительный перевод всего общественного производства на путь интенсивного развития. Причем, анализируя широкий спектр показателей эффективности социалистического производства [2 , необходимо иметь в виду, что эта эффективность не сводится исключительно к экономическому итогу. Она включает и эффект социальный, тесно связанный с экономической эффективностью. Поэтому в настоящей работе проведена опенка социальной эффективности решений по повышению надежности исследуемых систем.
Учитывая сказанное выше можно следующим образом сформулировать цель и задачи настоящего исследования.
Целью диссертационной работы является разработка методов оценки эффективности технических систем противопожарной защиты в зданиях повышенной этажности и организационно-технических решений по их совершенствованию.
Для достижения поставленной цели определены следующие задачи диссертационного исследования:
1. Сформулировать основные особенности пожарной опасности в зданиях повышенной этажности.
2. Разработать структурную модель технических систем противопожарной защиты в зданиях повышенной этажности и провести анализ эффективности их функционирования.
3. Разработать методы оценки эффективности функционирования технических систем противопожарной защиты в зданиях повышенной этажности.
4. Исследовать закономерности потоков вызовов на пожары и загорания в здания повышенной этажности и потоков отісазов в технических системах противопожарной защиты в этих зданиях.
5. Разработать модель оптимального выбора резервного состава элементов для рассматриваемых систем.
6. Разработать принципы построения систем автоматического контроля работоспособности технических систем противопожарной защиты в зданиях повышенной этажности и математической модели эффективности взаимодействия обеих систем.
7. Разработать рекомендации по совершенствованию технических решений по противопожарной защите в зданиях повышенной этажности. Научная новизна.СФоташплюваны особенности пожарной опасности в зданиях повышенной этажности. На основании структурного анализа систем противопожарной защиты данных объектов построены граф и матрицы связей взаимного влияния элементов исследуемых систем.
Показано доминирующее влияние технических систем противопожарной защиты на безопасность людей при пожарах в этих зданиях, что положено в основу разработки организационно-технических решений по дальнейшему совершенствованию противопожарной защиты зданий повышенной этажности.
Разработанная формализованная модель технических систем противопожарной защиты в зданиях повышенной этажности и математическая модель процесса их функционирования, а также исследованные закономерности потоков пожаров в ЗПЭ и потоков отказов в реальных системах позволили установить наиболее уязвимые звенья в системах, получить количественные данные по надежности исследуемых систем, сформулировать требования к их надежности и определить направления по совершенствованию эффективности противопожарной защиты в зданиях повышенной этажности.
Предложена модель повышения эффективности исследуемых систем, основанная на использовании временного резервирования.
Разработан принцип построения систем автоматического контроля работоспособности технических систем противопожарной защиты зданий повышенной этажности, обеспечивающий комплексное решение проблемы повышения надежности и эффективности исследуемых систем.
Разработана модель оценки эффективности системы автоматического контроля работоспособности и модель эффективности воздействия ее на уровень противопожарной защиты в зданиях повышенной этажности.
Предложена модель оценки социальной эффективности решений по повышению надежности технических систем противопожарной защиты в зданиях повышенной этажности.
Разработана методика расчета эффективности функционирования технических систем противопожарной защиты в зданиях повышенной этажности.
Практическая ценность полученных результатов состоит в следующем:
1. Проведенный структурный анализ взаимных связей элементов в системах противопожарной защиты в зданиях повышенной этажности позволил сделать вывод о доминирующем влиянии технических систем противопожарной защиты, в частности, автоматического пожаротушения, систем пожарной сигнализации, дымоудаления и подпора воздуха на безопасность людей при пожарах в зданиях повышенной этажности.
2. Полученные количественные данные по эффективности функционирования технических систем противопожарной защиты в зданиях повышенной этажности, а также установленные закономерности изменения параметров функционирования этих систем позволяют разрабатывать конкретные технические решения, направленные на повышение эффективности исследуемых систем.
3. Выведенные аналитические зависимости позволяют оценивать фактические уровни эффективности существующих технических систем противопожарной защиты в зданиях повышенной этажности.
4. Принимая во внимание нормативную вероятность воздействия опасных факторов пожара на людей, равную не более 0,000001 в год в расчете на отдельного человека [89], с учетом этажности зданий и числа находящихся в нем людей, были получены приемлемые с практической точки зрения аналитические выражения для такого выбора характеристик функционирования исследуемых систем, позволяющие обеспечить нормативный уровень эффективности. 5. С целью применения полученных зависимостей в широкой инженерной практике все результаты доведены до расчетных формул, удобных для использования в практических расчетах.
6. Предложенный принцип построения систем автоматического контроля работоспособности, действующих совместно с техническими системами противопожарной защиты в зданиях повышенной этажности, позволяет в значительной степени повысить общую эффективность функционирования всего комплекса.
7. Для всестороннего обоснования принимаемых технических решений по повышению эффективности функционирования исследуемых систем сделана оценка их социальной эффективности с использованием статистических данных, полученных в данной работе.
8. С целью конкретизации и объединения всех результатов проделанной работы они сформулированы в виде рекомендаций по повышению эффективности функционирования технических систем противопожарной защиты в зданиях повышенной этажности.
Реализация результатов работы: Управление по проектированию жалищно-гражцанского и коммунального строительства ( Моспроект-1) ГлавАПУ г. Москвы при Мосгорисполкоме внедрило вразработанную "Инструкцию по проектированию систем электросвязи, передачи информации и диспетчеризации инженерного оборудования в жилых и общественных зданиях" следующие результаты настоящих исследований:
методика оценки влияния технических систем противопожарной защиты на безопасность людей при пожарах в зданиях повышенной этажности;
модель технической системы противопожарной защиты и математическое описание процесса ее функционирования;
количественные соотношения по надежности исследуемых систем.
Кроме того, в отчет ВНИИПО МВД СССР, выполненный 28 -м отделом по теме ЇЇ.28.Н.І2.8І "Поисковые исследования вероятностных характеристик процессов функционирования систем противодымной защиты зданий" (январь 1982г.,г.Москва), вошли количественные данные по надежности реальных технических систем противопожарной защиты, результаты исследования потока пожаров в жилых зданиях повышенной этажности г.Москвы, а также формализованная модель технических систем противопожарной защиты в зданиях повышенной этажности и математическая модель процесса их функционирования. На основе этого получена зависимость уровня надежности исследуемых систем от срока их эксплуатации.
Институтом Мосжилниипроект при проектировании экспериментального образца комплексной автоматизированной системы охранно-пожарной сигнализации и диспетчеризации инженерного оборудования жилого микрорайона использованы принципы построения систем автоматического контроля работоспособности технических систем противопожарной защиты в зданиях повышенной этажности (шифр работ АВТ-20/82 и АВТ-20/83).
Автор защищает:
научно обоснованные положения, определяющие особенности пожарной опасности в зданиях повышенной этажности, связанные с оценкой влияния технических систем противопожарной защиты на безопасность людей при пожарах в зданиях повышенной этажности;
модель структуры технических систем противопожарной защиты в зданиях повышенной этажности и математическую модель процесса их функционирования;
модель оценки эффективности и совершенствования технических систем противопожарной защиты в зданиях повышенной этажности и сформулированные требования к параметрам процесса их функционирования; принцип построения системы автоматического контроля работоспособности технических систем противопожарной защиты в зданиях повышенной этажности, а также модель оптимизации ее характеристик с учетом требуемого уровня эффективности.
Апробация работы. Основные результаты проделанной работы докладывались и обсуждались:
на Междуведомственном техническом совете по системам автоматического пожаротушения, пожарной и охранной сигнализации (декабрь 1982 г., г.Москва);
на служебной подготовке в ГУПО МВД СССР (февраль 1983 г., г. Москва);
на межкафедральном семинаре тактико-технических кафедр ВЙПТШ МВД СССР (май 1983 г., г.Москва);
в секторе В 2 28-го отдела ВШИЛО МВД СССР (декабрь, 1981г., г.Балашиха);
в отделе автоматики Управления по проектированию жилищно-граж-данского и коммунального строительства СМоспроект-1) Главного архитектурно-планировочного управления г.Москвы при Мосгорисполкоме (февраль 1983г., г.Москва);
на заседаниях кафедры пожарной автоматики, кафедры высшей математики и кафедры спецэлектротехники и связи ВИПГШ МБД СССР.
Публикации:,
1. Брагин М.А., Бубырь Н.Ф. Вычисление доверительных оценок для показателей надежности систем пожарной защиты. В сб. Трудов ВЙПТШ МВД СССР: Обнаружение, тактика и техника тушения пожаров. М.: ВЙПТШ МВД СССР, 1983, с.Ю-14.
2. Брагин М.А., Бубырь Н.Ф. Обеспечение технических систем пожарной защиты в зданиях повышенной этажности запасными элементами, 1983, -17с. Рукопись представлена ВИПГШ МВД СССР. Деп. во Все 17
союзном научно-исследовательском институте информации по строительству и архитектуре Госстроя СССР, РЖ серия 13, вып.12, 1983, .№ 4166-83. 3. Брагин М.А.,Бубырь Н.Ф. Исследование уровней надежности технических систем пожарной защиты в зданиях повышенной этажности. 1983, -32с. Рукопись представлена ШІШІІ МВД СССР. Деп. во Всесоюзном научно-исследовательском институте информации по строительству и архитектуре Госстроя СССР, РЖ серия 13, вып.12, 1983, ib 4167-83. Объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из III наименований и содержит Zhh страниц машинописного текста, включая Ю страниц с рисунками, 3 страниц с таблицами, II страниц списка литературы, 47 страниц приложения.
В первой главе даны сведения по особенностям пожарной опасности в зданиях повышенной этажности и оценке влияния эффективности технических систем противопожарной защиты на пожарную опасность в этих зданиях.
Во второй главе приводится математическое описание процесса функционирования исследуемых систем, даны аналитические выражения для расчета эффективности их функционирования.
В третьей главе, приведены результаты исследования статистических характеристик потоков пожаров и загораний в зданиях повышенной этажности и потоков отказов в системах подпора воздуха и дымоудаления.
В четвертой главе дается оценка эффективности использования временного резервирования как метода повышения надежности исследуемых систем, приведена методика расчета эффективности их функционирования, модель оптимизации резервного состава элементов, дан принцип построения систем автоматического контроля работоспособности данных систем, а также сделана оценка социальной эффективности предлагаемых технических решений.
В выводах по работе приведены основные результаты, достигнутые в ходе исследований. приведены сведения о количестве зданий повышенной этажности в г.Москве, количестве выездов на пожары в жилые и административные здания повышенной этажности, а также высотные гостиницы. Кроме того, приведены упорядоченные сведения по регистрации неисправностей в технических системах противопожарной защиты зданий повышенной этажности.
Автор выражает искреннюю благодарность доктору технических наук профессору Ф.И.Шаровару, кандидату физико-математических наук доценту Г.Я.Амосову, преподавателю кафедры пожарной автоматики В.В.Бабурину, кандидату технических наук В.П.Бабурову, кандидату технических наук старшему научному сотруднику сектора Jfc 2 28-го отдела ВНИИПО ШД СССР И.И.Ильминскому за доброжелательную критику и ценные замечания. Автор признателен также начальнику отдела автоматики Моспроект-1 т. В.Д.Шапошникову, руководителю отдела автоматизации, диспетчеризации и вычислительной техники института Мосжил-ниипроект Ретину Л.Е., начальнику производственно-технического отдела специализированного управления по ремонту и наладке систем дымоудаления и пожарной автоматики объединения " Мосинжремонт" ГМЖУ Мосгорисполкома т. В.П.Еркину, главному инженеру управления В.Н.Филиппову за большую помощь в работе и целый ряд полезных замечаний.
Влияние эффективности функционирования технических систем противопожарной защиты на пожарную безопасность в зданиях повьшенной этажности
Из сказанного выше становится очевидна сложность и многоплановость решаемой проблемы. Наличие большого количества взаимно связанных между собой элементов, сложность функций, выполняемых ТСПЗ в ЗПЭ приводит нас к необходимости рассматривать процесс функционирования ТСПЗ в ЗПЭ с точки зрения сложных систем.
Отнесение той или иной реальной технической системы к классу "сложных" или "простых" весьма условно и во многом определяется задачами исследования. В настоящее время не существует общепринятого определения сложной системы. Тем не менее ряд авторов [4,44,45 и др. ] считают систему сложной в том случае, когда она обладает следующими основными признаками: 1) наличие большого количества взаимно связанных элементов; 2) сложность функций, выполняемых системой; 3) возможность разбиения системы на подсистемы, цели функционирования которых подчинены общей цели функционирования всей системы; 4) наличие интенсивных потоков информации, в частности, потоков отказов ТСПЗ; 5) наличие взаимодействия с внешней средой и функционирования в условиях воздействия случайных факторов. Поэтому исследуемые системы с полным правом можно отнести к классу сложных,применяя к ним соответствующие математические методы.
Теперь с целью выявления элементов, оказывающих наибольшее влияние на безопасность людей при пожарах в зданиях повышенной этажности, проведем структурный анализ схемы рис.1.1.
Структурная схема позволяет изучать объект, каковым в данном случае является система противопожарной защиты в ЗПЭ,в наиболее общем и чистом виде.Уделяя внимание выявлению взаимных связей между элементами системы и тем самым выдвигая на первое место структуру системы, а не состав ее отдельных компонентов, получаем возможность исследовать различные по своей природе системы и элементы.
Для выявления наиболее значимых элементов структурной схемы представляем ее в виде графа (рис.1.6),а затем определим значимость того или иного элемента графа в виде ранга. Это, конечно, не полная характеристика главенства, поскольку не учитываются точностные, информационные и другие характеристики элемента, определяющие не только надежность, но эффективность системы в целом. Однако, характеризуя значимость элемента рангом, следует при этом иметь в виду, что ранг - относительный показатель значимости и нельзя ничего сказать, имея лишь одно число,соответствующее рангу какого-либо элемента. Значимость элемента определяется путем сравнения рангов всех элементов. В самом общем случае можно сказать, что чем больше ранг данного элемента, тем большим числом путей он связан с другими элементами, тем большее число элементов прекратит получать информацию при выходе его из строя.
Для практических целей при вычислении рангов элементов наиболее приемлем способ,предложенный в работе Ї28І . Коротко он сводится к следующему: матрица непосредственных путей (рис. 1.7) возводится в невысокую степень - вторую, четвертую (рис.1.8 и 1.9), затем суммы элементов срок полученной матрицы делятся на сумму всех элементов этой матрицы. И поскольку степень влияния элементов друг на друга точно количественно неизвестна, в матрице непосредственных путей на месте Ц -го элемента ставится единица. Это означает лишь только то,что 1-й элемент влияет на 1-й. В том случае, когда степень влияния можно было бы определить некоторым числом или набором чисел,в соответствующей клетке матрицы непосредственных путей стоял бы этот весовой коэффициент.
В результате рассмотрения свободной таблицы рангов элементов (табл.1.1), можно сделать вывод, что наибольшие ранги имеют элементы 9 и 19, т.е. средства пожарной сигнализации и автоматические пожарные извещатели на путях эвакуации. Также высокий ранг имеют элементы 16,17,18 (пожарные извещатели всевозможного назначения) и элемент 7 (средства автоматического пожаротушения).
Если подсчитать ранги профилактической,технической и организационной подсистем противопожарной защиты в отдельности, то окажется, что наибольшее влияние на безопасность людей при пожаре оказывает техническая подсистема (ранг 0,6062), а затем профилактическая (ранг 0,3316) и, наконец, организационная (ранг 0,0622).
Естественно, что полученные в итоге структурного анализа ранги элементов отнюдь не полностью охватывают все имеющиеся взаимосвязи и носят в известной мере формальный характер.
Однако несмотря на это будет весьма полезно построить,
основываясь на полученных результатах некоторую гипотетическую зависимость условного показателя эффективности (В) системы противопожарной защиты в ЗПЭ от этажности зданий (Пэт ). Эта зависимость будет иллюстрацией к полученным результатам. На рис. 1.10 представлена эта зависимость условного показателя эффективности (В) от этажности (Пэт) для всех одиннадцати элементов СЇЇЗ в ЗПЭ, обусловленных в ГОСТе 12.1.004-76.
Из этого графика ясно видно, что наибольшее влияние на безопасность людей оказывает именно техническая система противопожарной защиты в ЗПЭ, откуда и следует актуальность исследования эффективности именно ТСПЗ в ЗПЭ.
На рис. I.II указанная зависимость (В) от (Пэт.) дополнена другими элементами структурной схемы (рис.1.1).
Перейдем теперь к анализу полученных результатов. Прежде всего заметим, что просматривается тенденция использовать для оценки эффективности функционирования сложных систем,к каковым относятся ТСПЗ в ЗПЭ, показатели, заимствованные из теории надежности более простых систем, такие, скажем, как параметр потока отказов и некоторые другие. Стремление к использованию этих показателей вполне объяснимо с позиций упрощения моделей и доведения их до вида, пригодного к использованию в широкой инженерной практике. Однако эти показатели, вводимые без всяких оговорок, учитывают лишь сам факт появления или отсутствия отказов в элементах систем и не дают никакого представления о влиянии отказов на конечный эффект функционирования ТСПЗ в ЗПЭ.
Разработка математической модели процесса функционирования технических систем противопожарной защиты в зданиях повышенной этажности
При решении такой сложной задачи, какой является построение математической модели процесса функционирования ТСПЗ в ЗПЭ, стремление максимально приблизить модель к изучаемому процессу может привести к чрезмерному ее усложнению и невозможности получения результатов, пригодных для использования в инженерной практике. В этих условиях представляет практический интерес получение относительно простых приближенных формул при некоторых допущениях.
Этот путь является одним из эффективных путей, способных устранить разрыв между теорией, давшей решение многих задач, и практикой, которая не может использовать эти решения.
Основным критерием эффективности функционирования систем с временным резервированием является вероятность безотказной работы, которая в самом общем случае будет функцией трех аргументов: минимального времени "Ьз выполнения задания, резерва времени tg и некоторой совокупности Z технических характеристик системы. Причем на параметры ьз і ij с технической точки зрения влиять не представляется возможным, поскольку в процессе функционирования как самих ЗПЭ, так и ТСПЗ в них, объективно ограничены параметры процесса эвакуации, и параметры процесса возникновения пожаров и загораний в ЗПЭ, определяющие величины ъь 1 -fcq. Поэтому изменения уровня эффективности функционирования исследуемых систем можно осуществлять практически лишь оптимальным подбором технических характеристик систем Z .
С другой стороны, изменение состояния любого технического устройства, в том числе и ТСШ в ЗПЭ, всегда задается во времени некоторым процессом ЪС(-Ъ) , а поскольку почти всегда на рассматриваемые системы действуют случайные факторы, то и процесс 6C J также будет случайным. При изучении эффективности систем целесообразно рассматривать процесс так, чтобы в каждый момент времени по состоянию процесса Ж&) мы могли бы однозначно сказать, исправна система или нет, кроме того, важно отобрать такие компоненты процесса, не влияющие существенно на надежность и эффективность системы. Напомним, что в процессе функционирования ТСШ в ЗПЭ существует временной резерв - возникшая неисправность сама по себе не приводит к отказу системы, ее отказ возникает тогда и только тогда, когда время устранения неисправности превосходит некоторое критическое значение ид . С этих позиций рассмотрим схему процесса функционирования ТСПЗ в ЗПЭ, изображенной на рис.2.6, но прежде чем описать ее, представим процесс Ж.&) как процесс специального вида [50], состоящим из двух независимых частей: где I - случайная величина, имеющая, как будет показано і ниже, показательное распределение; it - случайная величина с произвольным распределением.
Предположим, что отказ ТСПЗ в ЗПЭ с вероятностью 0, может возникнуть только на второй части периода функционирования а на первой части периода і все элементы системы исправны.
В моделях функционирования системы с временным резервированием I2 - это интервал, на котором в системе не только возникают отказы элементов, но и осуществляется их восстановление. Используя терминологию теории массового обслуживания, можно назвать первую часть периода f свободным периодом, а вторую часть 4- у г, периодом занятости.
Теперь можно описать процесс функционирования ТСПЗ следующим образом. Будем полагать ради простоты, что в начальный момент времени система работоспособна.
Затем система, проработав случайное время Tut , отказывает и ожидает случайное время 4 обнаружения отказа. После обнаружения отказа начинается восстановление в течение случайного времени Тб , Потом процесс повторяется.
Для нахождения вероятности безотказной работы ТСПЗ в ЗПЭ, которая является основным критерием эффективности, используем предельную теорему, доказанную в работе [50]: РЛ) UP Wr. r}-e-X, (2.18) где P OO - вероятность безотказной работы; frjy. - параметр потока отказов системы; (L - вероятность поступления задания (в данном случае возникновения пожара в ЗПЭ) до того как закончится восстановление системы; То - среднее время до первого отказа системы. Выражение (2.18) означает, что для оценки вероятности безотказ ной работы систем с временным резервированием можно пользоваться выражением: С-Ь)»Є . (2.19)
Условие flV? - о означает,что отношение средней длины второй части к средней длине первой части периода регенерации стремится к нулю. Иными словами длительность той части периода фуніщионирования, где происходят отказы элементов и их восстановление, во много раз меньше длительности свободного периода, где система полностью исправна. Однако распределение периода занятости, как правило, неизвестно, о чем шла речь выше. Поэтому в работе [48] доказана теорема сходимости к экспоненциальному закону при более простом условии: ОДЧ — 0, (2.20) где - математическое ожидание времени восстановления работоспособности системы.
Таким образом, при выполнении условия б /Те- О Для расчета вероятности безотказной работы ітг С"Ь) и времени до первого отказа Те может быть использована приближенная формула (2.19).
Для того, чтобы пользоваться приближенным выражением (2.19), необходимо, конечно, оценить их погрешность, то есть другими словами надо уметь оценивать скорость сходимости в предельных теоремах. В работе [49] указывается, что в общем случае ошибка не превосходит 60/FB . Более подробно об этом будет сказано ниже.
Для нахождения коэффициента готовности системы с временным резервированием также необходимо знание вероятности того, что отказ системы приведет к срыву выполнения задания ею во время пожара.
Исследование потока пожаров и загораний в жилых зданиях повышенной этажности
Поскольку в разработанную математическую модель процесса функционирования ТСПЗ в ЗПЭ входит именно величина "tn представляет интерес выяснение закона распределения времени пожарами. Для этого по данным о пожарах в жилых ЗПЭ высотой 10-17 этажей в г. Москве за 1976-1980 гг., т.е. за 5 лет, были вычислены средние промежутки времени между пожарами по месяцам каждого года и затем исследован закон их распределения.
Как известно из ГОСТ 17510-79 [эз], статистические наблюдения за техническими объектами могут быть постоянными и периодическими. Б то же время тот же стандарт устанавливает, что наблюдения за отказами объектов, в данном случае за системами противо-дымной защиты в зданиях повышенной этажности, где отказы связаны с опасностью для человека, должны быть только постоянными.
Однако применительно к исследуемым системам проводить постоянные статистические наблюдения за их отказами практически невозможно в силу целого ряда причин, связанных с организацией технического обслуживания указанных систем, когда в эксплуатационной документации почти полностью отсутствуют необходимые сведения. В связи с этим и был разработан специальный"Журнал учета неисправностей систем дымоудаления, подпора воздуха и пожарной автоматики" (приложение $ 4).На отмеченные особенности сбора статистической информации применительно к системам пожарной сигнализации указывалось, в частности, и в работе [іОЗ].
Таким образом, можно сказать, что статистическим испытаниям подвергается Ыов объектов - систем противодымной защиты в зданиях повышенной этажности, после каждого их отказа работоспособность систем восстанавливается, а испытания прекращаются при возникновении в системах Е отказов за время наблюдения Т. Указанные условия сбора статистической информации характерны для плана наблюдения типа П МДь] , [94].
Минимальное число объектов наблюдений принималось в соответствии с ГОСТ 17510-79 [93J для экспоненциального распределения наработки системы на отказ. Согласно этому стандарту порядок определения минимального числа Мое объектов наблюдения следующий: задаются относительной ошибкой о среднего значения Тнс наработки на отказ с доверительной вероятностью ft и далее при коэффициенте вариации "V =1 по [93] находят соответствующее число
При относительной ошибке о =0,10, доверительной вероятности ft =0,90 и V =1 минимальное число объектов наблюдения М0Б= 200. В связи с этим и был выбран Бабушкинский.район г.Москвы, где по данным специализированного управления по ремонту и наладке систем дымоудаления и пожарной автоматики (г.Москва) находится 245 систем противодымной защиты.
В качестве исходного материала были взяты данные о пожарах и загораниях в жилых ЗПЭ г.Москвы за 10 лет (I97I-I980 гг.). В общей сложности обработано 1067 пожаров в зданиях высотой от 10 до 17 этажей. В жилых ЗПЭ высотой более 17 этажей, а также в административных ЗПЭ г.Москвы возникновение пожаров и загораний, как показала статистика, настолько редко, что не позволяет получить достаточно полную картину потока их возникновения. Это и вполне понятно, так как по данным УПО г.Москвы количество жилых ЗПЭ высотой от 10 до 17 этажей составляет приблизительно 96,3$ от общего количества всех ЗПЭ (жилых, административных и высотных гостиниц), о чем уже говорилось выше.
Были собраны также данные о пожарах и загораниях в гг. Киеве и Харькове. Собранная статистическая информация содержит следующие сведения: 1) этажность ЗПЭ; 2) назначение здания (жилое, административное, высотная гостиница); 3) число возникших пожаров и загораний по месяцам года.
При сборе информации о вызовах подразделений пожарной охраны на пожары и загорания в ЗПЭ использовались статистические карточки о пожарах.
После занесения данных о всех пожарах и загораниях в журнал (вплоть до указания даты, адреса дома и номера квартиры), сведения были упорядочены в виде таблиц (приложения Гэ 2 и 3).
Как показано в [27], число вызовов пожарных подразделений в единицу времени является дискретной случайной величиной и подчиняется закону Пуассона.
Покажем далее, что для рассматриваемых в настоящем исследовании жилых ЗПЭ высотой от 10 до 17 этажей количество возникающих в них пожаров также подчиняется закону Пуассона.
В таблицах 3.2-3.6 приведены результаты расчетов, обозначения указаны там же в таблицах. Проверка согласия принятой гипотезы о принадлежности потоков выездов на пожары в ЗПЭ закону Пуассона производилась с помощью критерия ХИ-квадрат Пирсона и критерия Романовского. Табличные значения Р(У ) находились по таблицам, приведенным в [9], критерий Романовского вычислялся по общеизвестной формуле, например,[9].
Оценка эффективности применения временного резервирования как метода повышения надежности исследуемых систем
Как видно из ]J2,9lJ резервирование трактуется как применение дополнительных средств или возможностей с целью сохранения работоспособного состояния объекта при отказе одного или нескольких его элементов.
Легко можно заметить аналогию между структурным и временным резервированием.
Как отмечалось выше (см. 2.1), для восстановления работоспособности ТСЕЗ в ЗПЭ после отказа любого элемента выделяется одно и то же время, не зависящее от количества предшествующих отказов и времени, затраченного на их устранение. В отличие от кумулятивных [ІЗJ систем с временным резервированием, где ограничивается суммарное значение потерь рабочего времени, в ТСПВ в ЗПЭ существует лишь ограничение времени каждого ремонта. Резерв же времени "fco , напомним, равен половине среднего интервала времени между покарами в ЗПЭ. Напомним также, что в самом общем случае резерв времени - есть величина случайная, тлеющая определенное распределение и что в момент окончания ремонта резерв времени немедленно пополняется до первоначального уровня "tj = " — .
Следует отметить, что улучшение показателей эффективности функционирования ТСПЗ в ЗПЭ за счет использования резерва времени сопровождается усложнением алгоритмов их фушщионирования, предъявлением более жестких требований к квалификации обслуживающего персонала и ремонтопригодности аппаратуры. Как видно из предыдущего изложения требуется усложнение аппаратуры контроля работоспособности систем. Кроме того всегда необходшло помнить, что применение временного резервирования для повышения эффективности вообще возможно лишь в тех системах, в которых объективно существуют перечисленные выше источники резерва времени. К таким системам относятся и ТСЕЗ в ЗПЭ, о чем также шла речь выше. Следовательно, временное резервирование может конкурировать с наиболее распространенным видом резервирования - структурным и иметь перед ним преимущество только в системах определенного класса.
Рассмотрим более детально процесс пополнения резерва в данном случае. Из того факта, что отказ ТСЕЗ не приводит к срыву выполнения задания по обеспечению безопасности людей при пожаре следует, что восстановление работоспособности должно происходить за время, не превышающее упомянутого выше резерва времени Va -% . И хотя к концу ремонта резерв времени уменьшается до величины (і -Ть) , где Pg - среднее время восстановления, к моменту следующего отказа резерв времени снова равен "Ь , независимо от количества предыдущих отказов. Поэтому, кстати, ТСПЗ можно с полным правом назвать системами с мгновенно пополняемым резервом времени.
По приведенным в 2.2 зависимостям (2.41-2.47) можно оценить абсолютные величины параметров предлагаемой модели. Однако оценку эффективности временного резервирования по сравнению с другими методами повышения надежности целесообразнее производить с помощью функций выигрыша в надежности и эквивалентов [із]. Функция выигрыша в надежности по вероятности срыва функционирования составляется как отношение вероятности срыва функционирования при отсутствии резерва времени С - ) к вероятности срыва функционирования для системы с резервом времени. Естественно, что, если в исследуемой системе резерв времени не учитывать, полагая "Ц - = 0 , то и выигрыш в надежности будет равен единице. С увеличениеьл резерва времени выигрыш в надежности по вероятности срыва функционирования растет. Таким образом, тлеет право записать с учетом (2.30):
