CC BY
55ОБЗОР МАТЕМАТИЧЕСКИХ ПРОГРАММ ДЛЯ РАСЧЕТА ОПАСНЫХ ФАКТОРОВ ПОЖАРА ПРИ УСТАНОВЛЕНИИ ОЧАГА ПОЖАРА
Тимаков П.И.
Тимаков Павел Иванович - магистрант, кафедра криминалистики и инженерно-технических экспертиз, Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий, г. Санкт-Петербург
Аннотация: в статье приводится обзор математических программ для расчета опасных факторов пожара.
Ключевые слова: опасные факторы пожара, интегральная модель пожара, зонная модель прогнозирования динамики ОФП, полевая модель прогнозирования динамики ОФП.
Пожарная обстановка на территории Российской Федерации указывает на необходимость постоянного развития и совершенствования средств противопожарной профилактики и пропаганды: за последние пять лет количество пожаров возросло в 3,3 раза, материальный ущерб от пожаров увеличился в 1,6 раза, количество погибших в пожарах увеличилось на 6,4 % [1 - 3], более того такие кричащие случаи, как пожары в клубе «Хромая лошадь» (2009, Пермь, погибло 156 чел.), ТРЦ «Зимняя вишня» (2018, Кемерово, погибло 60 чел. (41 - дети)), указывают на необходимость привлечения в отрасль противопожарной защиты населения инновационных подходов и решений, направленных на снижение пожарного риска. Данное обстоятельство отмечено высшим руководством страны (Указ Президента Российской Федерации от 16 октября 2019 № 501 [4]), согласно указанию которого сформирована федеральная стратегия [4], предусматривающая привлечение в сферу защиты населения аппаратно-программных комплексов, направленных на моделирование и поиск оптимизационных решений по организации противопожарной деятельности специализированным службам и органам странны.
Современные средства цифровизации и модельного анализа позволяют выполнить оптимизацию объёмно-планировочных, объемно-пространственных, а также технолого-конструктивных решений строительных объектов, организовать эффективную сеть эвакуационных путей и выходов, получить адекватные локальным условиям решения противопожарной безопасности. Также использование современных достижений программных продуктов в области анализа причин возгорания, динамики пожара на объекте возгорания, поиска и установления очага возгорания позволит получить предметные модельно-аналитические сведения, которые имеют высокую применимость не только для целей судебных пожарных экспертиз, но и для поиска решений, направленных на повышение противопожарной профилактики. Основу программно-численных моделей составляют системы математических уравнений, описывающие физику исследуемых процессов, вследствие чего существует актуальная задача в развитии математического аппарата для учёта всех возможных физических проявления опасных факторов пожара с целью развития и оптимизации сферы программных продуктов для моделирования пожаров и пожароопасных ситуаций.
В настоящее время в сфере противопожарной профилактики существует опыт применения численно-модельных программных комплексов [5 - 7], осуществляющих модельную оценку динамики развития опасных факторов пожара (ОФП), в основе которых положена фундаментальная математическая теория, разработанная к.т.н. проф. Ю.А. Кошмаров [8], получившая в последствии государственную поддержку в виде систематизированного нормативно-регуляторного документа [9], позволяющего от определённых условий моделирования применять конкретную математическую модель. Однако, как отмечено авторами [10], представленные модели не носят универсальный характер и требуют последующего исследования и развития, ввиду упрощения ряда физических проявлений, таких как динамика скорости газификации, динамика отношения теплового потока в очаге горения. Таким образом, существует практическая необходимость в формирование системного подхода в выборе и назначении оптимального программного комплекса, позволяющего получить приближенные, к реальности данные относительно динамики ОФП на объекте возгорания с учётом разработанной математической теории прогнозирования параметров пожаров и возгораний.
Опасные факторы пожара - химические явления, которые проявляются в процессе возгорании и пожаров, и носят опасных характер как для, непосредственно, объектов возгорания, так и для людей, пребывающих на данных объектов на протяжении пожароопасной ситуации.
ОФП, в соответствии с классификацией 123-Ф3 [11], ГОСТ 12.1.004-91 [12], проявляются такими характерными факторами, как: пламя и искры, тепловой поток, повышенная температура окружающей среды, повышенная концентрация токсичных продуктов горения и термического разложения, пониженная концентрация кислорода, снижение видимости в дыму [13].
Динамика ОФП описана математической теорией, в которую внес большой вклад к.т.н. проф. Ю.А. Кошмаров [8], предполагающая использование трёх выделенных детерминантных математических моделей [13]:
- интегральная модель пожара позволяет получить информацию, т. е. сделать прогноз о средних значениях параметров состояния среды в помещении для любого момента развития пожара. При этом для того чтобы сопоставлять (соотносить) средние (т. е. среднеобъемные) параметры среды с их предельными значениями в рабочей зоне, используются формулы, полученные на основе экспериментальных исследований пространственного распределения температур, концентраций продуктов горения, оптической плотности дыма и т. д
- зонная модель прогнозирования динамики ОФП: выделение характерных зон развития ОФП и оценка их численного значения на базе совокупности систем уравнений, дифференцируемых по времени пожара с искомыми функциями локализации координат характерных зон процесса возгорания. Модель применима для помещений большого объема, в котором очаг возгорания имеет размеры значительно меньше размеров объекта возгорания. Для моделирования динамики ОФП в разных характерных зонах объекта возгорания;
- полевая модель прогнозирования динамики ОФП: получение численных значений ОФП для любой локальной точки (в объеме объекта возгорания) с доступностью любой точки хронометража пожара с высоким уровнем детализации получаемых значений, на базе детализированной применительно к физической картине процесса возгорания сложной системы уравнений и производных, описывающих пространственно-временную динамику теплофизических процессов, сопровождающих проявление ОФП, используя базовые физические закономерности (закон Стокса, закон Фурье, закон диффузии, закон радиационного переноса, пр.). Модель применима для объектов и систем объектов сложной конфигурации, различного геометрического соотношение габаритных размеров. Для случаев, в которых отсутствует возможность применения интегральной модели и зонной модели.
Использование описанных моделей применительно прогнозированию динами ОФП на реальных объектах возгорания (либо близким к реальным объектам) является крайне трудоёмким процессом, вследствие чего получены ряд программно-численных адаптаций вышеуказанных моделей, на базе которых в настоящее время развивается сфера соответствующих отраслевых программных комплексов [14, 15]. Обзор адаптивных моделей представлен в таблице 1 (по типу математических моделей) [14, 15]. Представленные адаптивные модели являются основанием для разработки современных программных продуктов для прогноза динамики ОФП [16 - 18].
Таблица 1. Обзор адаптивных моделей [14, 15]
Наименование адаптивной модели, авторство Применяемая математическая модель Особенности программно-математического аппарата
BISTRA, Physibel (Бельгия) Интегральная модель Формирование изополей температурного градиента для объекта произвольной конфигурации в двухмерном пространстве с учётом нелинейного метода расчёта лучистого теплообмена. Температурный градиент определяется на основании метода конечных разностей Кранка-Николсона
BRANZ TR8/TR9, BRANZ (Новая Зеландия) Интегральная модель Прогноз воздействия ОФП на железобетонные конструкции
SAFIR, Université de Liège (Бельгия) Интегральная модель Прогноз воздействия температурных полей, вызванных возгораниями на строительные системы и конструкции объекта возгорания с формированием изополей температурного градиента, определяемого на основании метода конечных разностей
VOLTRA, Physibel (Бельгия) Интегральная модель Формирование изополей градиента теплового потока внутри трёхмерного тела различной конфигурации с учётом температурного градиента и теплопроводности материала моделируемого тела. Температурный градиент определяется на основании метода конечных разностей Кранка-Николсона
BRANZFIRE, BRANZ (Новая Зеландия) Зонная модель Двухзонная модель (для расчёта параметров пожара в верхней и нижней зонах), используемая для прогноза динамики ОФП непосредственно в помещении очага возгорания и смежных комнатах (ограничение - до 10 комнат). Используется математический аппарата на основании системы дифференциальных уравнений производных от законов сохранения массы и энергии, в результате программного вычисления которого получают численные значения ОФП
CFAST/FAST, NIST (США) Зонная модель Двухзонная модель (для расчёта параметров пожара в верхней и нижней зонах), используемая для оценки динамки дымообразования вследствие проявления ОФП. Используется математический аппарата на основании системы дифференциальных уравнений производных от законов сохранения массы и энергии, в результате программного вычисления которого получают численные значения ОФП
FDS, NIST (США)/ VTT (Финляндия) Полевая модель Используется для прогноза динамики ОФП на основании математического аппарата, описывающего гидродинамическую модель движения воздушных потоков на объекте возгорания: - динамика низкоскоростных воздушных потоков в среде возгорания
на основании решений уравнений Навье-Стокса; - учёт турбулизации воздушных потоков выполняется в соответствии с математической системной моделью Смагоринского; - учёт непосредственно горения производится на основании химических реакций окисления; - учёт лучистого теплопереноса выполняется на основании метода конечных объемов
Kameleon FireEX, ComputIT (Норвегия) Полевая модель Используется для прогноза динамики ОФП на основании математического аппарата в составе гидродинамических уравнений, метода конечных объемов, механической реакции строительных конструкций Fahts/Usfos с получением характерных численных значений: дисперсией продуктов горения, температурных градиентов и направлений развития возгорания
SMARTFIRE, FSEG (Великобритания) Полевая модель Используется для прогноза динамики ОФП на основании математического аппарата в составе гидродинамических уравнений с формированием программных процессов параллельных вычислений и возможностью интеграции (импорта/экспорта) исходных данных и результатов моделирования в аналогичные программы и программы CAD-профиля.
Исходя из анализа аналитических сведений об адаптивных моделях, выходящих из типовых математических аппаратов (интегрального, зонального и полевого), представленных в таблице 1, что программные адаптации полевых моделей являются более перспективными, ввиду учёта большего количества реальных физических процессов при моделировании процессов возгорания и пожара, что позволят получать адекватные натурным условиям динамические показатели ОФП.
Программные комплексы на базе адаптивных моделей (таблица 1) наиболее часто используют программную адаптацию полевой модели FDS (например, ПК FireCat, Thunderhead Engineering (США), ПК Fenix+3, Современные программные технологии (Нижний Новгород), ПК Пиротек, СИТИС (Екатеринбург), пр.), реже используется адаптация зонной модели CFAST/FAST (например, некоторые программные продукты ПК Пиротек, СИТИС (Екатеринбург), отдельные программные продукты ПК Фогард, Интернэкс (Москва), пр.).
Ввиду того, что программные комплексы, используемые на территории Российской Федерации для прогнозирования динамики ОФП должны удовлетворять требованиям нормативных методик расчёта (методика [9], методика [19]), алгоритм вычисления динамики ОФП имеют сходные механизмы, при этом сравнение данных программных сред следует производить по специфическим возможностям и функциональному наполнению: интеграция с CAD-ПК, интерфейсные возможности, удобность восприятия результирующей информации, пр., что представлено в таблице 2, для программных комплексов, получивших наибольшее распространение в практике российских расчётов ОФП [16 - 18].
В таблице 2 для оценки применимости программных комплексов с целью расчёта динамики ОФП применяются аналитическое сравнение по следующим специфическим признакам:
- интеграция с CAD-ПК: импорт модели объекта возгорания в виде графического файла; импорт модели объекта возгорания в виде CAD-файла (файла AutoCAD); импорт модели объекта возгорания в виде 3-мерной модели (файл Revit); экспорт результатов в CAD-файл;
- специфические возможности интерфейса: представление результатов моделирования в виде 3-мерного объекта; вид представления результатов расчёта ОФП; формирование детального отчёта расчётного процесса;
- специфические алгоритмические возможности: возможность производства вычислений посредство облачных технологий; возможность использования многопроцессорного и многопоточного расчётов; наличие конструкторов сценария пожаров и возгораний; возможность работы с несколькими сценариями пожара для одного объекта возгорания (в одном рабочем проекте).
Таблица 2. ПК, используемые на территории Российской Федерации для выполнения расчёта динамики ОФП
Параметр ПК Пиротек, СИТИС (Екатеринбург) RiskMana ger, НОРДСОФТ (Иваново) ПК FireCat, Thunderhead Engineering (США) Fenix+3, Современные программные технологии (Нижний Новгород) FireGui de, Пожарные риски (Иваново) Urban, Инвест Лайн (Краснодар) Фогар Ц, Интернэкс (Москва) Сигма ПБ, 3к-эксперт (Красноярск)
Интеграция с CAD-ПК:
- импорт модели объекта возгорания в виде графического файла + + + + + + - +
Параметр ПК Пиротек, СИТИС (Екатеринбург) RiskMana ger, НОРДСОФТ (Иваново) ПК FireCat, Thunderhead Engineering (США) Fenix+3, Современные программные технологии (Нижний Новгород) FireGui de, Пожарные риски (Иваново) Urban, Инвест Лайн (Краснодар) Фогар Ц, Интернэкс (Москва) Сигма ПБ, 3к-эксперт (Красноярск)
- импорт модели объекта возгорания в виде CAD-файла (файла AutoCAD) - - + + + + - -
- импорт модели объекта возгорания в виде 3-мерной модели (файл Revit) - - + - - - - +
- экспорт результатов в CAD-файл - - + - - - - +
Специфические возможности интерфейса:
представление результатов моделирования в виде 3-мерного объекта + - + + + + - +
- вид представления результатов расчёта ОФП графики графики графики, изополя графики, изополя графики , изополя графики , изополя графи ки изополя
формирование детального отчёта расчётного процесса + + + + + + + +
Специфические алгоритмические возможности:
возможность производства вычислений посредство облачных технологий - + + + - - + -
возможность использования многопроцессорного и многопоточного расчётов - - + + + - - -
- наличие конструкторов сценария пожаров и возгораний - + + + - - - -
возможность работы с несколькими сценариями + + + + + + + -
Параметр ПК Пиротек, СИТИС (Екатеринбург) RiskMana ger, НОРДСОФТ (Иваново) ПК FireCat, Thunderhead Engineering (США) Fenix+3, Современные программные технологии (Нижний Новгород) FireGui de, Пожарные риски (Иваново) Urban, Инвест Лайн (Краснодар) Фогар д, Интернэкс (Москва) Сигма ПБ, 3к-эксперт (Красноярск)
пожара для одного объекта возгорания (в одном рабочем проекте)
По результатам аналитического сравнительного анализа по специфическим программным параметрам для ПК, используемых в расчётах динамики ОФП на территории Российской Федерации (таблица 2), наиболее перспективным является ПК FireCat, который в составе программных продуктов: PyroSim, Pathfinder, FireRisk, PromRisk имеет все адаптивные программные возможности, необходимые для производства современных пожарных расчётов в соответствии с требованиями методик [9, 19].
Список литературы
1. Полехин П.В. Пожары и пожарная безопасность в 2020 году [Текст]: Статистический сборник / П.В. Полехин [и др.]. Под общей редакцией Д.М. Гордиенко. М.: ВНИИПО, 2021. 12 с.: ил. 5.
2. О состоянии защиты населения и территорий Российской Федерации от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в 2020 г. [Текст]: Государственный доклад / МЧС России. М.: МЧС России; ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2021. 264 с.
3. Официальный сайт Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий. [Электронный ресурс]. Режим доступа: mchs.gov.ru/ (дата обращения:27.10.2021).
4. Стратегия в области развития гражданской обороны, защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций, обеспечения пожарной безопасности и безопасности людей на водных объектах на период до 2030 года [Электронный ресурс]: Указ Президента РФ от 16 октября 2019 № 501 «О Стратегии в области развития гражданской обороны, защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций, обеспечения пожарной безопасности и безопасности людей на водных объектах на период до 2030 года» / Президент Российской Федерации. - Собрание законодательства Российской Федерации, N 42 (ч. III), 21.10.2019, ст.5892 // Официальный интернет-портал правовой информации: Режим доступа [сайт]: pravo.gov.ru, 16.10.2019, N 0001201910160046; docs.cntd.ru/ (дата обращения:27.10.2021).
5. Сухотина М.А. Программные комплексы, используемые для определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности [Текст] / М.А. Сухотина, Н.В. Тихонова // Пожаровзрывобезопасность, 2012. № 4. Т. 21. С. 46-49.
6. Яковлев В.В. Перспективы развития программных комплексов расчета пожарного риска и проектирования процессов пешеходной динамики в условиях пожара [Текст] / В.В. Яковлев, М.В. Гравит, О.В. Недрышкин // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, 2014. № 1 (190). С. 224-230.
7. Прогнозирование опасных факторов пожара: Учебное пособие / Ю.Д. Моторыгин, В.А. Ловчиков, Ф.А. Дементьев, Ю.Н. Бельшина. СПб.: Астерион, 2013. 108 с.
8. Моторыгин Ю.Д. Математическое моделирование процессов возникновения и развития пожаров: монография / Под общей редакцией В.С. Артамонова. СПб.: Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы МЧС России, 2011. 184 с.
9. Моторыгин Ю.Д. Моделирование пожароопасных режимов в электросети автомобилей для принятия решения при проведении пожарно-технической экспертизы // Пожаровзрывобезопасность, 2016. Т. 25. № 9. С. 45-51.
10. Ярош А.С. Анализ математических моделей развития опасных факторов пожара в системе зданий и сооружений [Текст] / А.С. Ярош [и др.] // Вестник, 2019. № 1. С. 50-56.
11. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности [Текст]: Федеральный закон (ФЗ) от 22 июля 2008 № 123-Ф3 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности (с изменениями на 30 апреля 2021 года)» / Государственная Дума Федерального Собрания Российской Федерации. Собрание законодательства Российской Федерации. № 30. 28.07.2008 (ч. I), ст. 3579 // Российская газета. N 163, 01.08.2008 // Парламентская газета, N 47-49, 31.07.2008 (без приложения) // Режим доступа [сайт]: docs.cntd.ru/ (дата обращения:27.10.2021).
12. ГОСТ 12.1.004-91 Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Пожарная безопасность. Общие требования (с Изменением N 1) [Текст]: ГОСТ (Государственный стандарт) / Комитет стандартов, мер и измерительных приборов при Совмине СССР. - Официальное издание. М.: Стандартинформ, 2006 // Режим доступа [сайт]: docs.cntd.ru/ (дата обращения:27.10.2021).
13. КошмаровЮ.А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении [Текст]: Учеб. пособие / Ю.А. Кошмаров [и др.]. М.: Академия ГПС МЧС России, 2012. 126 с.
14. Алексеева Е.И. Обзор компьютерных программ моделирования динамики пожара в зданиях [Текст] / Е.И. Алексеева // БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ: ПРОБЛЕМЫ И РЕШЕНИЯ, 2017, Лесниково, 25-26 мая 2017 года, 2017. С. 377-380.
15. Свирин И.С. Обзор моделей распространения пожара в зданиях [Текст] / И С. Свирин // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций, 2013. № 6. С. 114-129.
16. Невдах В.В. Динамика факторов пожара, детектируемых извещателями, в закрытом помещении: моделирование [Текст] / В.В. Невдах // Приборы и методы измерений, 2015. № 2. Т. 6. С. 239-248.
17. Сысоева Т.П. Применение компьютерного моделирования динамики распространения пожара для установления месторасположения очага пожара [Текст] / Т.П. Сысоева, С.Ф. Лобова, А.А. Кухарев // Вестник Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России, 2019. С. 121-131.
18. Сухотина М.А. Программные комплексы, используемые для определения расчётных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и сооружениях и строениях различных классов функционально пожарной опасности [Текст] / М.А. Сухотина, Н.В. Тихонова // Пожаровзрывобезопасность, 2012. № 4. Т. 21. С. 46-49.
19. Методика определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах [Текст]: Приказ МЧС России от 10 июля 2009 № 404 «Об утверждении методики определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах (с изменениями на 14 декабря 2010 года)» / Министерство Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий. Пожарная безопасность, N 3, 2009 // Бюллетень нормативных актов федеральных органов исполнительной власти. N 37, 14.09.2009 (без приложений к Методике) // Режим доступа [сайт]: docs.cntd.ru/ (дата обращения:27.10.2021).
