Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ специфики пожарнойобстановки в исследуемомрегионе 11
1.1. Исследование методов и средств формирования прогнозов возникновения и развития чрезвычайных ситуаций и планирования применения сил и средств 11
1.2. Анализ климатогеографической ситуации в Воронежской области 21
1.3. Формулировка проблемы совершенствования информационного обеспечения прогнозирования чрезвычайных ситуаций и планирования применения сил и средств 26
Выводы 32
ГЛАВА 2. Исследование возможности прогнозирования возникновения ираспространенияпожаров в пожароопасныйпериод 34
2.1. Анализ существующего положения дел в области пожаров в Воронежской области 34
2.2. Оценка динамики и прогнозирование возникновения пожаров в территориально-распределенной системе региона 40
2.3. Методы прогнозирования и моделирования аварийных ситуаций 57
2.4. Подход к прогнозированию пожарной обстановки в регионе на основе моделирования 69
Выводы з
ГЛАВА 3. Разработка методики размещения группировки сили средств гпсв пожароопасный период 76
3.1. Модели размещения группировки сил и средств ГПС в пожароопасный период 76
3.2. Методика размещения группировки сил и средств ГПС в пожароопасный период 87
3.3. Рекомендации по построению и применению многовариантных баз данных для планирования применения сил и средств в операциях по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций 86
Выводы 90
Заключение 91
Список использованных источников
- Анализ климатогеографической ситуации в Воронежской области
- Формулировка проблемы совершенствования информационного обеспечения прогнозирования чрезвычайных ситуаций и планирования применения сил и средств
- Методы прогнозирования и моделирования аварийных ситуаций
- Рекомендации по построению и применению многовариантных баз данных для планирования применения сил и средств в операциях по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций
Анализ климатогеографической ситуации в Воронежской области
В современных условиях выработка и принятие решений, обеспечивающих адекватное реагирование на предпосылки или проявление чрезвычайных ситуаций, невозможны без автоматизации процессов сбора, накопления и обработки информации, связанной с ЧС. В содержательном плане обработка информации предполагает, в том числе, формирование прогнозов возникновения и/или развития чрезвычайных ситуаций, а также разработку планов применения сил и средств для противодействия указанным ситуациям. Современные системы МЧС России, такие как автоматизированная информационно-управляющая система (АИУС) Единой государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций (РСЧС) и Автоматизированная система Национального центра управления в кризисных ситуациях (НЦУКС), реализуют функции прогнозирования и планирования.
АИУС РСЧС представляет собой иерархически организованную совокупность взаимоувязанных и взаимодействующих технических систем, средств связи и оповещения, автоматизации и информационных ресурсов, обеспечивающей обмен данными, подготовку, сбор, хранение, обработку, анализ и передачу информации (рисунок 1.1). Система предназначена для автоматизации деятельности органов управления РСЧС с целью повышения
Структура АИУС РСЧС Основные функции АИУС: - сбор от абонентов (пользователей) системы и обработка оперативной информации о состоянии потенциально опасных объектов экономики и инфраструктуры, природной среды, сил и средств РСЧС, о наличии и состоянии запасов и резервов; - подготовка рекомендаций и вариантов решений по прогнозу чрезвычайных ситуаций и действиям при их ликвидации; - сопряжение с информационными системами других федеральных органов исполнительной власти, входящих в РСЧС; - передача необходимой информации органам управления РСЧС всех уровней и обмен информацией между различными подсистемами и звеньями РСЧС.
В состав специального программного обеспечения (СПО) АИУС РСЧС входят функциональные комплексы (ФК) и функциональные задачи (ФЗ), обеспечивающие решение информационно-аналитических, прогностических, функциональных и специальных технологических задач.
ФК и ФЗ АИУС РСЧС предоставляют возможность: - сбора и хранения информации о ЧС, предпосылках к ЧС, состоянии территорий и объектов экономики, состоянии сил, средств и резервов РСЧС от органов управления ГОЧС субъектов РФ, а также от региональных органов министерств и ведомств РСЧС; - аналитической обработки полученной информации; - передачи информации в соответствии с табелем срочных донесений МЧС России, а также другие сведения по запросам МЧС России; - мониторинга природной, техногенной и социальной сред в интересах предупреждения и ликвидации ЧС; - прогнозирования ЧС; - обеспечения поддержки процесса подготовки управленческих решений по предупреждению и ликвидации ЧС; - оперативного доведения (с использованием различных телекоммуникационных сетей) необходимой управляющей информации и команд (сигналов) оповещения в интересах управления силами и средствами РСЧС.
В рамках системы идет создание функциональных комплексов поддержки и принятия решений по конкретным ЧС, которые включают в себя набор задач от оперативного прогноза развития ЧС до подготовки вариантов планов действий по их ликвидации (планирование сил, средств, ресурсов).
Информационное обеспечение (ИО) АИУС РСЧС в виде совокупности документов и машинных структурированных наборов данных предназначено для повышения эффективности управленческой деятельности всех органов управления РСЧС на основе обеспечения их полной, достоверной информацией по проблемам ЧС, состоянию и функционированию звеньев и объектов РСЧС для всех режимов функционирования системы. ИО разрабатывается с учетом руководящих документов, а также сводного перечня информационных показателей системы, унифицированной системы документов (входные и выходные формы) и единой системы классификации и кодирования информации.
Формулировка проблемы совершенствования информационного обеспечения прогнозирования чрезвычайных ситуаций и планирования применения сил и средств
Динамика изменения общего количества пожаров, как основного фактора возникновения техногенных ЧС, по Воронежской области, городу Воронежу и в среднем по районам области представлена на рисунке 2.28, из которого видно, что на протяжении восьми лет наблюдается устойчивая динамики к снижению количества пожаров, как по области, так и по городу Воронежу и в среднем по районам. \
Динамики изменения количества погибших и травмированных людей во время пожаров по области, городу Воронежу и по районам области представлены на рисунках 2.9 и 2.10, а сведения о темпах изменения приведены в таблицах 2.3 и 2.4.
Из представленной информации по анализу динамики количества погибших и травмированных людей во время пожаров, можно сделать вывод об уменьшении количества погибающих людей во время пожаров, так например, количество погибающих людей по области за восемь лет сократилось на 16,62
Город Воронеж -17,57 -8,19 +30,36 -26,03 +16,67 -7,94 -5,17 -25,68 РайоныВоронежскойобласти +3,98 +1,53 -10,94 +7,20 -4,74 -0,42 -4,58 -8,76 Воронежская область -0,92 -0,31 -3,74 -0,65 -0,65 -2,29 -4,69 -16,62 Рисунок 2.8 – Динамика количества травмированных людей во время пожаров Таблица 2.4 – Темпы изменения количества травмированных людей во время пожаров
Хохольский 38,66 -10,57 -11,82 -14,63 -20 0 1,79 24,00 Эртильский -5,79 -1,53 -17,18 -7,54 12,24 -11,63 -2,63 46,38 Анализ динамики количества пожаров по районам Воронежской области показал, что в 25 районах области отмечается уменьшение количества пожаров, а в 6 районах (Аннинском, Верхнемамонском, Калачеевском, Каменском, Лискинском, Терновском) – увеличение количества пожаров за последние восемь лет, а в Нижнедевицком районе ситуация за восемь лет не претерпела особого изменения. Особо стоит выделить Кантемировский район, в которым отмечено наибольшее снижение количества пожаров за последние восемь лет – 46,74 %. Динамика изменения количества пожаров по Кантемировскому району представлена на рисунке 2.9, из которого видно, что в данном районе наблюдается устойчивая динамика снижения количества пожаров из года в год. Рисунок 2.9 – Динамика изменения количества пожаров в Кантемировском районе
Сведения об изменении количества пожаров по районам города Воронежа представлены в таблице 2.6.
Анализ динамики количества пожаров по районам города Воронежа показал, что во всех 6 районах города Воронежа, отмечается уменьшение количества пожаров, особо стоит выделить Центральный район, в котором отмечено наиболее значительное снижение количества пожаров за последние восемь лет – 38,55 %. Таблица 2.6 – Темпы изменения количества пожаров по районам города Воронежа
Любой метод построения систематических функций для описания наблюдений основывается на критерии наименьших квадратов, в соответствии с которым все наблюдения имеют равный вес. Однако недавним точкам следует придавать в некотором смысле больший вес, а наблюдения, относящиеся к "далекому прошлому", должны иметь по сравнению с ними меньшую ценность (их следует дисконтировать). Для некоторой степени это учитывается в методе скользящих средних с конечной длиной отрезка усреднения, где значения весов, приписываемых последней группе (2т+1) значений, не зависит от предыдущих значений. Рассмотрим идею метода выделения "свежих" наблюдений -экспоненциального сглаживания. Если а известна, оценку y(t) можно получить из оценки в момент времени (t-І) плюс фактически наблюденное значение x(t) в момент времени t умноженного на а. При составлении прогнозов оперируют интервальной оценкой, определяя так называемые доверительные интервалы прогноза:
Вычислительный процесс устроен как адаптивная процедура, в которой коэффициенты полинома пересчитываются по старым коэффициентам и новым данным. Процесс вычислений управляется двумя параметрами: порядком аппроксимирующего полинома и параметром сглаживания. Чем ближе параметр сглаживания к единице, тем больше влияние последних наблюдений [19, 48, 53].
Математическая основа метода - локальная аппроксимация ряда полиномом, коэффициенты которого находятся по методу наименьших квадратов с экспоненциально убывающими весами. Наибольший вес приписывается последнему наблюдению, скорость убывания весов определяется параметром сглаживания. Подогнанный полином используется далее для прогнозирования. В ходе вычислений строится сглаженный ряд, представляющий собой в каждый момент времени t прогноз по данным до момента t - 1 включительно. Выбор параметра сглаживания представляет собой достаточно сложную проблему. Общие соображения таковы: метод хорош для прогнозирования достаточно гладких рядов. В этом случае можно выбрать сглаживающую константу путем минимизации ошибки прогноза на один шаг вперед, оцененной по последней трети ряда [48, 53]. Для исследования чрезвычайных ситуаций было проведено краткосрочное прогнозирование возникновения различных ЧС. Прогнозирование осуществлялось при помощи пакета Statistica 5.0. Рисунок 2.10 – Результат краткосрочного прогнозирования общего количества чрезвычайных ситуаций по Воронежской области На рисунке 2.10 представлен результат краткосрочного прогнозирования общего количества чрезвычайных ситуаций по Воронежской области, из которого видно, что в целом по области прогнозируется уменьшение количества ЧС.
В настоящее время особую актуальность приобретают системы, предназначенные для поддержки процессов принятия решений, в частности, информационные. С этой целью наиболее перспективным является применение математических методов и автоматизированных систем прогнозирования, классификации и принятия управленческих решений.
Большинство задач, для которых требуется информационная поддержка принятия решений, являются многокритериальными, где по каждому критерию существуют ограничения, накладываемые внешней средой (ресурсные и временные ограничения, экологические требования, социально-экономическая обстановка и т.п.), поэтому сложность задач по принятию рациональных управленческих решений при распределении ресурсов, выбору и корректировке стратегии различных мероприятий с учетом большого числа независимых и коррелируемых показателей обусловливают необходимость применения компьютерных систем информационной поддержки принятия решений (СИППР).
Методы прогнозирования и моделирования аварийных ситуаций
Пожары разделяют на два класса (группы): пожары в ограждениях и пожары на открытых пространствах. Классы пожаров классифицируются по виду горючих веществ: распространяющиеся и не распространяющиеся, которые, в свою очередь, подразделяются на наземные, подземные и воздушные. К прочим классам пожаров относятся лесные, в резервуарах, фонтанов и другие пожары. Характерными признаками пожаров являются вещества и материалы (и их агрегатное состояние), которые могут гореть как на открытых пространствах (при неограниченном притоке кислорода воздуха к зоне горения), так и в ограждениях [42].
Существующие эмпирические методы для определения показателей пожарной опасности, как правило, учитывают физико-химические и термодинамические свойства веществ, но они не являются точными, поэтому их корректность устанавливается путем сопоставления результатов расчета с данными прямых экспериментов [42]. Эти методы применимы при определении, например, концентрационных пределов воспламенения, температуры самовоспламенения, вспышки и т.д. В [42] для оценки пожароопасных свойств веществ все показатели условно разделятся на группы, характеризующие разные этапы и стороны развития и прекращения горения.
К первой группе относится такой параметр как горючесть: негорючее, трудно горючее или горючее вещество. Вторая группа показателей характеризует способность вещества к самовоспламенению и зажиганию от внешних источников: температура самовоспламенения, вспышки, энергия зажигания, температурные условия самовозгорания, кислородный индекс, взрывоопасное минимальное содержание кислорода, значения концентрационных и температурных пределов горения (воспламенения), критический гасящий диаметр и т.д. В третью группу входят показатели, характеризующие способность вещества к распространению пламени: скорость выгорания и скорость распространения пламени и показатели, косвенно характеризующие процесс горения; коэффициент дымообразования, удельная скорость дымообразования, токсичность продуктов горения. К четвертой группе показателей относятся средства тушения: концентрация флегматизатора, минимальная концентрация средств: объемного тушения, характер взаимодействия с водопенными средствами тушения [42]. Категорирование показателей пожарной опасности объясняется необходимостью пользования комплексом параметров при определении более строгой и научно обоснованной оценке пожарной опасности веществ и материалов [42].
Загрязняющие вещества на пожарах являются токсичными компонентами продуктов горения. Качественный и количественный состав продуктов горения зависит от свойств строительных материалов и ограждающих конструкций зданий, в частности, от горючих компонентов, выделяющихся из них на пожарах. От выхода летучих горючих компонентов зависит и интенсивность горения, температура в эпицентре горения и время выгорания строительных материалов. На среднестатистическом пожаре потенциально опасными продуктами разложения и горения строительных материалов и конструкций являются оксиды углерода, азота, хлористый водород, сернистый ангидрид, хлор, альдегиды, цианистый водород [42].
Особенно опасны токсичные вещества пожаров при их комбинированном действии. Особенно это характерно для веществ, обладающих идентичным действием, например, смесь этилена, пропилена и бутилена, сероводорода и фенола, и т.д. Токсиканты присутствуют в воздухе горящих помещений в количествах, значительно превышающих допустимые средне-суточные и максимальные разовые нормативы качества атмосферы.
Таким образом, в результате пожаров зданий и сооружений от горения строительных материалов выделяется большое количество токсичных веществ, которые наносят большой экономический ущерб[42].
К экологическим характеристикам пожаров следует отнести время прогрева горючих компонентов, концентрацию окислителя и горючих веществ, скорость распространения факела, поля температур, концентраций продуктов горения и, в частности, загрязняющих веществ, содержавшихся в них. Кроме того, на содержание и количество вредных выбросов пожаров в окружающую влияет состав горящего материала [42].
Перечисленные реакции горения подчиняются основному закону химии – закону действующих масс, в соответствии с которым можно записать кинетические уравнения горения, характеризующие скорость течения каждого вида реакций.
Рекомендации по построению и применению многовариантных баз данных для планирования применения сил и средств в операциях по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций
Из (3.1) следует с учетом уравнения состояния, что скорость протекания химической реакции зависит от давления в зоне реакции, а также от состава смеси. В условиях нерегулируемых пожаров наибольший интерес представляют, как правило, процессы горения, происходящие при нормальном, атмосферном давлении. Известно влияние давления на протекание химических реакций: скорость химических реакций пропорциональна давлению в степени порядка реакции [42].
На интенсивность пожаров, то есть на скорость химических реакций окисления, в степени влияют процессы тепло- и массообмена, выход летучих веществ. Поэтому в зоне возникновения пожаров горение обусловлено процессами диффузии и тепло- и массопередачи. В зоне реакции выделяется тепловая энергия, которая создает высокую температуру продуктов горения, и начинает распространятся в окружающее пространство на еще не прореагировавшую горючую смесь [42].
С точки зрения процессов массообмена особую роль в процессах горения, особенно диффузионного горения, играют явления конвекции. Конвективные потоки над зоной горения являются механизмом уноса горячих продуктов горения из зоны реакции, они обуславливают приток свежего, богатого кислородом воздуха из окружающего пространства в зону горения, определяют интенсивность процессов диффузионного горения и экологическое воздействие на окружающую среду.
Одной из важных задач при ликвидации пожаров на обширной территории является задача размещения группировки сил и средств на местности. Она может быть сформулирована в рамках исследования операций как задача планировки и размещения объектов. В качестве показателей, описывающих эти задачи, обычно используют характеристики новых объектов и размещение существующих, пространство решений и его метрика, взаимодействие существующих и новых объектов, критерии оценки вариантов решения.
Применительно к решаемой научной задаче перечисленные показатели приобретают следующую трактовку. Потенциальные очаги пожаров могут рассматриваться как существующие объекты: точечные или площадные. В свою очередь, места расположения подразделений, привлекаемых к тушению пожаров, выступают как новые объекты, для которых и решается задача размещения.
Пространство решений представляется двумерным. Оно может быть непрерывным, если существует бесконечное число мест для размещения подразделений (например, в полевых условиях), или дискретным, когда число мест ограничено (например, при размещении в населенных пунктах).
В качестве критерия эффективности для оценки решений целесообразно принять минимум транспортных затрат на перевозку личного состава и техники подразделений к местам пожаров.
Общая постановка задачи размещения группировки сил и средств с непрерывным пространством решений формулируется следующим образом. Исходные данные. Существующие объекты X = {xt), (і = їт) (очаги пожара) находятся в некоторых точках плоскости А[,А2,...,Ат. Новые объекты 7 = {уу}, [j=lji) (подразделения, привлекаемые к ликвидации пожаров) расположены в точках В1,В2,...,Вп. Расстояние между точками расположения объекта уj и объекта xj определяется как d(BJ,Ai), (j =\п\ і = \т). Расстояние между точками расположения объектов у- и yk, в свою очередь, может быть выражено как Удельные затраты на перевозку между объектами у и х. составляют ajt, а между объектами у
С практической точки зрения больший интерес представляет постановка задачи размещения объектов в измененной интерпретации. Суть модификации такова, что транспортные затраты на перевозку между объектами множества отсутствуют, поскольку основная цель состоит в обеспечении доставки подразделений к местам пожаров, а не их передислокация. Таким образом, коэффициенты (5jk = О, (j\к = \ji).
Ограничениями при такой постановке задачи выступают следующие. Любой из объектов множестваХможет взаимодействовать лишь с одним объектом множества 7, т.е. на ликвидацию очага пожара выделяется одно подразделение. Кроме того, предполагается, что производительность всех объектов множества Y одинакова и достаточна для взаимодействия с любым объектом множества X (подразделение способно ликвидировать пожар собственными силами). Также aXi=a2i= ... = ani, что предполагает идентичность подразделений в плане их подготовки и оснащенности.
Определенное сдерживание применения указанного алгоритма может быть обусловлено при решении задач большой размерности, поскольку увеличение значений тип ведет к квадратичному росту количества связей, определяемых величиной {zjtl Вторым фактором является то, что задача рассматривается в предположении об идентичности объектов множества Y = \уj у:
В ряде случаев не представляется возможным решение задачи размещения в непрерывном пространстве, поскольку на места размещения подразделений могут накладываться ограничения.
Исходными данными для такой задачи являются следующие. Имеется т объектов множества X = {х.}. Известно п возможных размещений объектов Y = {yj\. г-- - доля участия объекта у в ликвидации пожара xt. stj обобщенные затраты на ликвидацию пожара в очаге і-м подразделением, расположенным в месте размещения j. Кроме того, известны обобщенные затраты с на размещение подразделения в месте/
