CC BY
506
Нв4(18) 2008
С.В. Субачев, А.А. Субачева
Имитационное моделирование развития и тушения пожаров в системе подготовки специалистов противопожарной службы
В статье описана компьютерная имитационная модель распространения пожара в помещении по площади, которая в комбинации с интегральной математической моделью пожара является основой разработки тренажера — имитатора по тушению пожаров в зданиях. Приведены основные возможности и принципы работы модели. Обозначены направления применения тренажеров и актуальность их внедрения в процесс подготовки профессиональных кадров противопожарной службы.
1. Анализ проблемы моделирования пожаров в режиме реального времени
Одной из дисциплин подготовки инженера пожарной безопасности является «Прогнозирование опасных факторов пожара», которая обобщает теорию и практику многих специальных дисциплин. К ним относятся: теория горения, химия, поведение строительных конструкций при пожаре, влияние опасных факторов пожара на человека, закономерности развития пожара в условиях естественной и принудительной вентиляции и др.
Задачу формирования у курсантов комплексного, системного, структурного понимания всех происходящих при пожаре динамических процессов не решить без использования эффективных приемов и методов современной педагогики, в том числе без внедрения в процесс обучения научно обоснованных математических моделей пожаров и разработанных на их основе компьютерных обучающих и моделирующих программ. Это обусловлено тем, что подобные процессы невозможно воспроизвести другими способами в связи с их социальной опасностью, масштабом или большими материальными затратами на натурное моделирование.
Кроме того, благодаря применению программных средств существенно повыша-
ется качество подготовки специалиста за счет индивидуализации и дифференцирования процесса обучения, системного контроля с диагностикой ошибок и возможностью осуществления самоконтроля и самокоррекции учебной деятельности курсантом. Весьма важна визуализация учебной информации в условиях имитации на компьютере реального опыта или эксперимента [4, 7].
Все это позволит развить системное мышление и выработать умение принимать оптимальные решения в различных, часто сопряженных с риском, производственных ситуациях.
Однако анализ существующих на сегодняшний день имитационных систем и моделей пожаров свидетельствует о наличии различных недостатков, значительно ограничивающих их применение в процессе подготовки специалистов Государственной противопожарной службы.
Так, в одной группе моделей используется псевдоимитационный подход, при котором обстановка на пожаре отображается дискретно в определенной последовательности в виде фрагментов, имитирующих форму площади пожара в плане здания или помещения, разделенного на сектора различной формы, которые подсвечиваются, отображая ту или иную площадь пожара (рис. 1).
27
Nя4(16) 2008
I и
I
|
8
8 в
I
1
Й §
со
I
I
со
31
1
2
I
си
1 1
Рис. 1. Конструкция простейшего светового табло (а), отображающего различные формы площади пожара (б, в, г)
Технические возможности таких моделей очень ограничены, что не позволяет увидеть увеличение площади пожара (или уменьшение — в процессе тушения) в режиме реального времени. В связи с этим занятия проектируются таким образом, что обучаемым сразу предлагаются определенная форма площади пожара и размеры помещения, по которым следует рассчитать необходимое количество сил и средств и определить решающее направление действий по тушению пожара. В случае ошибки площадь пожара увеличивают (включением дополнительных секторов), и расчет производится снова.
Другая группа моделей включает более современные мультимедийные имитационные системы в форме компьютерных игр с трехмерной графикой и стереозвуком, которые не имеют логико-математического процессора и сколько-нибудь реальной модели распространения пожара (например [3]). Изменения оперативной обстановки в таких имитаторах запрограммированы заранее как некий сценарий игры, что существенно искажает оценку происходящих на пожаре процессов и делает невозможным их применение при подготовке инженеров пожарной безопасности.
Третья группа моделей представляет собой совокупность дифференциальных, интегральных и зонных моделей пожаров, которые максимально приближены к реальности [2]. Рассмотрим их более подробно
с точки зрения перспектив применения в учебном процессе.
В математическом отношении эти виды моделей характеризуются разным уровнем сложности, обусловленным степенью детализации физико-математической картины пожара.
Наиболее сложными являются полевые (дифференциальные) модели [6], так как они состоят из системы трех- или двумерных нестационарных дифференциальных уравнений в частных производных. Поэтому из-за большого объема вычислений и требуемого для этого машинного времени (иногда для моделирования некоторых условий требуется более месяца) такие модели пока малоприменимы для использования в системе обучения специалистов.
В зонных моделях [1] помещение разбивается на отдельные зоны, в которых для описания тепломассообмена используются соответствующие уравнения законов сохранения. Размеры и количество зон выбираются таким образом, чтобы в пределах каждой из них неоднородности температурных и других полей параметров газовой среды были минимальными, или из каких-нибудь других предположений, определяемых задачей исследования и расположением горючего материала.
Такой подход не может быть реализован на тренажере в условиях неопределенности конфигурации объекта: заранее не известны ни планировка помещений, ни расположение горючей нагрузки, проемов и источников зажигания. Особенно если принять во внимание, что эти условия могут изменяться в процессе моделирования (открываться-закрываться проемы, появляться новые источники зажигания и т.п.).
Наиболее подходящим для использования в тренажерах и имитационных системах представляется метод интегрального моделирования. Интегральная математическая модель пожара представлена системой обыкновенных дифференциальных уравнений, которые впервые были сформулированы в 1976 году профессором
28
№4(16) 2008
Ю. А. Кошмаровым. Они описывают изменение среднеобъемных параметров состояния газовой среды в помещении в процессе развития пожара, вытекают из фундаментальных законов природы — первого закона термодинамики для открытой термодинамической системы и закона сохранения массы [5].
Основным достоинством интегральных моделей является возможность проведения на ЭВМ относительно быстрого и нетрудоемкого многофакторного комплексного исследования динамики развития опасных факторов пожара в помещении. Интегральная математическая модель пожара по сравнению с другими менее требовательна к конкретике при описании расчетных исходных данных. Например, из характеристик помещения в формулах используются только объем и высота помещения, а применительно к горючей нагрузке достаточно знать площадь пожара в каждый момент времени и пожароопасные свойства горючего материала.
Конечно, по сравнению с другими интегральная модель менее детально описывает состояние опасных факторов пожара в помещении. Однако с дидактической точки зрения, когда требуется показать только характер их изменения, общую картину происходящего на пожаре, влияние на развитие пожара активных систем (пожаротушения, вентиляции и др.), среднеобъемных значений вполне достаточно. Кроме этого, при интегральном моделировании может быть достигнута необходимая для работы
в режиме реального времени скорость вычислений.
Однако и в этом случае есть некоторые проблемы. Одна из них связана с принятыми при интегральном моделировании допущениями о форме помещения, о площади, занятой горючей нагрузкой, о наличии одного источника зажигания и о процессе распространения пожара по площади. Дело в том, что в интегральной математической модели площадь пожара принимает форму круга или форму, получаемую логическим сложением круга и прямоугольной площади, занятой горючей нагрузкой (рис. 2).
Рис. 3. Интегральная математическая модель пожара: основной цикл решения
29
«о
£ .та
еа $
.та
со со
Рис. 2. Варианты вычисления площади пожара при интегральном моделировании
Таким методом практически нереально вычислить форму площади пожара при произвольной (введенной пользователем) конфигурации помещений. Это делает невозможным применение интегральной модели в тренажерах, имитирующих распространение пожара по нескольким помещениям или по помещениям произвольной формы, так как площадь пожара в каждом помещении является входным параметром для интегральной модели (рис. 3).
Задача определения площади пожара в нескольких смежных помещениях произ-
Не4(16)2008
Рис. 4. Примеры неравномерности распределения горючей нагрузки при интегральном методе моделирования пожара в помещении
I
с
0
г
1
I 1
а
¡5
5
с
I е
8 со со
с
а
5
I
со
0
€
<и
!
1
Е
I
вольной формы еще более усложняется, если допустить одновременное нахождение в помещениях горючих материалов с разными характеристиками, а также нескольких источников зажигания.
Кроме того, момент выгорания горючей нагрузки в интегральной модели определяется исходя из ее общей массы и скорости выгорания. Таким образом, моделируется неравномерное распределение массы горючей нагрузки по площади помещения: удельная горючая нагрузка на участке площади тем больше, чем ближе этот участок расположен к месту возникновения пожара, так как горит он в течение более продолжительного времени (рис. 4).
Подведем итоги. Во-первых, в настоящее время отсутствуют компьютерные имитационные системы развития и тушения пожаров в зданиях, которые основаны на достаточно адекватных моделях пожаров, способны в реальном времени отображать динамику изменения параметров состояния среды в помещениях, учитывают изменение конфигурации помещений и интерактивно взаимодействуют с пользователем в процессе моделирования, помогают сформировать комплексное видение процессов, происходящих при пожарах, и привить навыки принятия организационно-управленческих решений по их тушению.
Во-вторых, существующие интегральные математические модели пожаров не могут стать основой при разработке такого тренажера из-за большого объема вычислений, которые не могут быть реализованы в режиме реального времени, либо вслед-
ствие принятых упрощений о развитии пожара, которые не позволяют вычислить площадь пожара в нескольких помещениях или в одном помещении, имеющем форму, отличную от прямоугольной.
2. Интегральная вероятностная модель пожара
Задачу имитации развития пожара в помещениях произвольной формы удалось решить благодаря разработанной вероятностной модели распространения горения по площади.
Площадь этажа здания представляется в виде матрицы пикселей (соответствующих 1 кв. м, 1 см и т.д.), каждый из которых имеет свои характеристики горючей нагрузки: линейную скорость распространения пламени, теплоту сгорания, дымообразующую способность, удельное потребление кислорода и др.
Распространение пожара в том или ином направлении от источника зажигания определяется как вероятность загорания каждого пикселя с учетом его характеристик, а также наличия и расположения соседних горящих элементов.
Перед перерисовкой каждого кадра анимации производится вычисление вероятности загорания каждого элемента матрицы:
Р
у-РР 4 '
где У — линейная скорость распространения пламени, элемент/кадр анимации; РР — параметр, характеризующий количество и относительное расположение
30
№4(16) 2008
0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0
2 1 0 0 0 0 0
2 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0
2 1 0 0 0 0 0
6 3 1 0 0 0
5 1 0 0
3 0 0
3 0 0
6 3 1 0 0 0
6 3 1 0
3 0
6 1
3
6
6 3 1
3
6
Рис. 5. Распределение параметра ГР в разные моменты времени моделирования
<0 р
$ .та
еа £ .та
00 со
соседних горящих элементов. Он может
принимать значение в интервале [0.....12],
так как «удельный вес» горящих пикселей, расположенных ортогонально по отношению к рассматриваемому, принимается в 2 раза большим, чем диагонально расположенных (рис. 5):
ГР = 2п++ п х,
где п+ — количество горящих пикселей, расположенных ортогонально по отношению к рассматриваемому; пх — количество горящих пикселей, расположенных по диагонали относительно рассматриваемого.
Такой подход обусловлен тем, что на имитационном уровне распространение пламени подобно теплообмену излучением: горючие материалы, расположенные на некотором расстоянии от фронта пламени, в результате такого теплообмена постепенно нагреваются и воспламеняются. А теплообмен излучением между телами обратно пропорционален квадрату расстояния между ними. Расстояние между центрами диагонально расположенных пикселей в >/2 раз больше расстояния между пикселями, расположенными ортогонально, поэтому имитируется в 2 раза менее интенсивное взаимодействие между ними.
В целом алгоритм реализации вероятностной модели распространения пожара по площади показан на рис. 6.
Необходимо отметить, что за 1 кадр анимации может загореться только 1 пиксель, расположенный у фронта пожара (Ц^ = = 1 пкс./кадр), поэтому максимально воз-
можная моделируемая линейная скорость распространения пламени в каком-либо направлении равна произведению частоты
Рис. 6. Принципиальный алгоритм реализации вероятностной модели распространения пожара по площади
31
Нв4(16) 2008
I
с
0
а
1
I 1
а
¡5
5
с
I е
а
со со
с
а
5
а
со
0
€
<и
а
1
Е
I
кадров и линейного размера квадрата, приравненного к пикселю.
Это приходится учитывать при разработке тренажера: размер пикселей должен быть, с одной стороны, минимальным (для уменьшения дискретности процесса увеличения площади пожара), а с другой — не меньше, чем размер, при котором максимальная скорость распространения пламени будет достаточна для использования в тренажере различных видов горючей нагрузки (с линейной скоростью распространения пламени до 5-7 м/мин).
Вместе с тем алгоритм, приведенный на рис. 6, не позволяет реализовать данную модель в режиме реального времени в связи с очень большим количеством пикселей, состояние которых необходимо анализировать. При моделировании пожара даже в небольшом офисе по этому алгоритму на современных компьютерах удается достичь скорости всего 10-15 кадров в секунду.
Кроме того, при таком последовательном обращении к элементам в случае загорания пикселя автоматически увеличивается значение РР у соседних пикселей, и вероятность их загорания на текущем шаге счета вычисляется с уже измененным его значением. Так, при V = Утах вся площадь помещения может быть охвачена огнем всего за один шаг счета.
Указанные проблемы удалось решить путем внесения ряда дополнений в алгоритм программы с использованием массивов особого типа — списков.
В программе создается три объекта этого класса:
СИюск^ — список указателей на еще не горящие пиксели, которые расположены вплотную к фронту пожара (загорание которых, собственно, имитирует распространение пламени в том или ином направлении);
New_ist — список указателей на пиксели, которые предстоит зажечь на данном шаге счета;
Fire_ist — список указателей на уже горящие пиксели (их совокупность представляет собой площадь пожара).
Таким образом, необходимые операции производятся не со всеми пикселями всей площади здания, а только с теми, которые непосредственно вовлечены в модель и представляют собой площадь пожара.
Реализация модели происходит по следующему алгоритму (рис. 7):
• обрабатывается список СИеск^: вычисляется вероятность загорания каждого пикселя, при выполнении условий загорания он переносится в список New_ist;
• обрабатывается список New_ist: пиксели обозначаются красным цветом, у всех соседних пикселей увеличивается значение РР, и они заносятся в список СИюск^;
• все пиксели из New_ist переносятся в Fire_ist;
• обрабатывается список Fire_ist: вычисляется площадь пожара и другие параметры, необходимые для реализации интегральной модели; пропорционально скорости выгорания уменьшается масса горючей нагрузки; при выгорании всей массы, приходящейся на данный пиксель, он удаляется из списка (затухание).
Таким образом, благодаря возможности присваивать каждому пикселю свои характеристики можно имитировать распространение пожара при одновременном нахождении в помещении произвольного количества различных видов горючей нагрузки, в том числе загорание дверей и перегородок с последующим переходом пожара в соседнее помещение (рис. 8).
Очевидно, что для создания источника зажигания и запуска процесса распространения пламени необходимо лишь поместить один из пикселей в список New_ist.
Такой подход позволяет:
• добавлять любое количество источников зажигания в любой момент времени,
32
№4(16)2008
<0
£ .та
60
£ .та
31
со со
Рис. 7. Алгоритм реализации вероятностной модели пожара
33
N94(16)2008
1 §
! о
8
о §■
и
8
г §
§ со
■
§
(г си
I
и §
со
■
Рис. 8. Моделирование пожара с использованием нескольких видов горючей нагрузки
а также при помощи генератора случайных чисел выбирать случайное время и место их возникновения (рис. 9, а);
• имитировать поведение негорючих строительных конструкций при достижении предела огнестойкости по ограждающей способности: соответствующая подмодель анализирует продолжительность обогрева стен с одной стороны и по истечении определенного времени путем создания нескольких источников зажигания на противоположной стороне имитирует переход пожара в соседнее помещение (рис. 9, б, в).
Таким образом, получена универсальная вероятностная модель распространения пожара по площади, которая позволяет рассчитать площадь (количественно) и форму площади пожара при любых введенных пользователем конфигурациях помещений, характеристиках горючей нагрузки и произвольном количестве источников зажигания. А ее комбинация с интегральной математической моделью пожара позволит как
в реальном, так и в ускоренном режиме времени не только моделировать развитие пожара, но и отображать динамику различных параметров состояния газовой среды во всех помещениях здания.
3. Реализация комбинированной модели пожара в системе нескольких помещений
Наряду с наблюдением динамики опасных факторов пожара (ОФП) в помещении с помощью интегральной модели и возможностью использования нескольких источников зажигания и различных видов горючих и негорючих материалов, которая реализуется в вероятностной модели пожара, важным и принципиальным требованием к модели, которая может стать основой разработки тренажера по управлению процессом тушения пожара, является моделирование пожара в здании, состоящем из нескольких помещений. При этом необходимо обеспечить адаптивность имитационной системы к любой, заранее не известной планировке
а б
Рис. 9. Моделирование нескольких источников зажигания
34
в
Ив4(16)2008
со $
21
5Р
си >
СО
Рис. 10. Построение графа помещений (узел 0 — атмосфера)
помещений, чтобы не ограничивать конечного пользователя в проектировании модели здания, противопожарных систем и пр. Такая адаптивность модели стала возможной благодаря применению метода идентификации гидравлической схемы здания.
Для определения газообмена между помещениями и моделирования на его основе распространения продуктов горения по зданию, изменений температуры в помещениях и пр. в рамках интегрального подхода здание заменяется гидравлической схемой — графом, узлы которого моделируют помещения здания, а ветви — связи между ними (проемы), через которые осуществляется газообмен (рис. 10). Таким образом, математическое моделирование динамики опасных факторов пожара в помещениях здания осуществляется путем решения системы уравнений газообмена и системы дифференциальных балансовых уравнений, соответствующих графу рассматриваемого здания.
Граф помещений строится путем заполнения массива, отражающего все имеющиеся связи и их параметры: номера связанных помещений (узлов), количество, располо-
жение и ширина проемов, их коэффициент сопротивления, состояние (открыт/закрыт) и др.
Такой подход позволяет автоматически генерировать систему уравнений в соответствии с введенной пользователем структурой здания без изменений кода программы.
Определяя давление в /-м узле гидравлической схемы, считаем, что давления во всех узлах, связанных с /-м, известны и равны давлениям на предыдущем временном шаге (при т = 0 — атмосферному давлению). После того как в процессе решения достигается заданная точность, осуществляется переход к (/ +1)-му узлу этажа. Однако при сведении баланса массы в (/ +1)-м узле схемы баланс массы в /-м узле нарушается. Чтобы получить удовлетворительную точность решения балансовых уравнений для здания в целом, организуется итерационный процесс, суть которого состоит в многократном повторении расчета давлений во всех узлах схемы до тех пор, пока при допустимой погрешности решения давления во всех узлах схемы не перестанут изменяться (рис. 11).
35
N94(16)2008
AIIBalance (Func: TBalanceFunc)
AIIBalance (Func: TBalanceFunc): boolean
Result: = true
----J___.
I // Перебор всех помещений
I
Сведение баланса массы: Balance (MassEq)
Сведение баланса энергии: Balance (EnergyEq)
End
ID: = 1...П
Result: = Result and Func (ID)
'S
i с
0
1 I
I
I I
s
5
с
Si sa
IS
CO CO
с i! I
5:
a IS
s
0
s
<u
!
1
is
J_
Result
Рис. 11. Алгоритм итерационной процедуры, вычисляющей баланс массы и энергии в помещениях здания
Кроме показанных в алгоритмах процедур, в имитационной системе выполняется еще несколько подпрограмм: организуется двунаправленная связь между интегральной и вероятностной моделями, вывод данных в тренажер и для построения соответствующих графиков, моделируется срабатывание противопожарных систем, вычисляется температура ограждающих конструкций и их поведение при достижении предела огнестойкости и многое другое.
4. Применение имитационной системы развития и тушения пожара
В настоящее время в программе реализована возможность использования одновременно до 6 видов горючей нагрузки, горючих и негорючих стен с пределом огнестойкости от 0,25 до 2,5 ч, предустановленного или случайного времени и места возникновения источников зажигания и др. (рис. 12). Алгоритмы, заложенные в эту программу, моделируют распространение пламени по зданию с любой заданной пользователем планировкой помещений. Кроме того, при использовании генератора случайных чисел появится возможность моделировать различные непредвиденные события: разрыв пожарных рукавов, взрыв технологического оборудования и обрушение конструкций, скры-
тое распространение пламени и появление новых очагов пожара, нехватка огнетуша-щих средств или неисправность пожарной техники, наличие пострадавших и т. п.
Данная имитационная программа предполагает, что пользователь может не только наблюдать развитие пожара на экране компьютера, но и принимать непосредственное участие в процессе его тушения. Благодаря такому виртуальному участию у обучаемых формируется наиболее комплексное представление о процессах, происходящих при горении, а также реализуется деятельност-ный подход, когда обучаемый действует как руководитель тушения пожара, оценивающий среднеобъемную температуру воздуха в помещении, задымленность, содержание кислорода и другие опасные факторы пожара.
Использование таких имитационных программ в качестве мультимедийных средств визуализации в системе обучения оперативных работников противопожарной службы позволит значительно повысить их мотивацию к занятиям, будет способствовать усвоению знаний, умению быстро и правильно принимать управленческие решения, а также оценивать пожар как целостную систему газодинамических и теплообменных процессов во всей их полноте и сложности.
36
Нв4(16) 2008
Рис. 12. Процесс моделирования пожара в здании
Имитационная программа может также использоваться для следующих целей:
• ориентировочная оценка вариантов размещения пожарной нагрузки, оценка возможности и времени наступления различных критических ситуаций (взрывы, задымления, обрушения и т. п.);
• отработка различных вариантов тушения пожара на объекте и подготовка соответствующих планов пожаротушения;
• оценка возможного ущерба от пожара и определение ставок страховых платежей;
• экспертиза произошедших пожаров и хода их тушения;
• определение требуемого времени для эвакуации людей из здания;
• оценка экономической эффективности систем противопожарной защиты и другие не менее важные задачи пожарной безопасности.
Список литературы
1. Астапенко В.М. Термогазодинамика пожаров в помещениях / В. М. Астапенко, Ю.А. Кош-
маров, И.С. Молчадский, А.Н. Шевляков. М.: Стройиздат, 1986.
2. Брушлинский Н.Н. Моделирование пожаров и взрывов / под ред. Н.Н. Брушлинско-го и А.Я. Корольченко. М.: Асс «Пожнаука», 2000.
3. Бутрин А. Emergency 4: Global Fighters for Life. Первый взгляд / Алексей Бутрин // Игрома-ния. 2006. №4(103). С. 38.
4. Кошмаров Ю.А. Прогнозирование опасных факторов пожара: лабораторный практикум / Ю.А. Кошмаров, Ю. С. Зотов, В. В. Андреев, С. В. Пузач. М.: МИПБ МВД России, 1997.
5. Кошмаров Ю.А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении: учебное пособие / Ю.А. Кошмаров. М.: АГПС МЧС России, 2000.
6. Пузач СВ. Методы расчета тепломассообмена при пожаре в помещении и их применение при решении практических задач пожаровзры-вобезопасности: монография / С. В. Пузач. М.: Академия ГПС МЧС России, 2005.
7. Роберт И. В. Современные информационные технологии в образовании / И. В. Роберт. М.: Школа-Пресс, 1994.
37
