CC BY
48
УДК 614.841.3
Рыбаков А.В., Дрожжин Н.А.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ МЕТОДИКИ ФОРМИРОВАНИЯ РАЦИОНАЛЬНОГО ПЛАНА ОПЕРАТИВНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ ПОЖАРНОЙ
БЕЗОПАСНОСТИ В ЛЕСАХ
В статье представлено описание основных этапов методики формирования рационального плана оперативных мероприятий пожарной безопасности в лесах субъекта РФ на основе результатов прогнозирования количества лесных пожаров. Методика состоит из алгоритма прогнозирования количества лесных пожаров и методики составления рационального плана оперативных мероприятий пожарной безопасности на основе прогноза количества лесных пожаров, включающей модель ущерба от лесного пожара и модель определения объемов оперативных мероприятий пожарной безопасности.
Ключевые слова: мероприятия пожарной безопасности в лесах; прогнозирование лесных пожаров; деревья, решений; Data Mining.
Rybakov A., Drozhzhin N.
MAIN CONTENT OF THE METHOD OF FORMING A RATIONAL PLAN OF OPERATIONAL FIRE SAFETY MEASURES IN FORESTS
The article describes the main stages of the methodology for the formation of a rational plan for operational fire safety measures in the forests of the subject of the Russian Federation based on the results of predicting the number of forest fires. The methodology consists of the algorithm for predicting the number of forest fixes and the methodology for compiling a rational plan for operational fire safety measures based on the forecast of the number of forest fires, including the model of damage from forest fire and the model for determining the volumes of operational fire safety measures.
Keywords: fire safety measures in forests; forest fire forecasting; decision trees; Data Mining.
Лесные пожары возникают ежегодно и, несмотря на принимаемые меры, наносят огромный ущерб населению, материальным ценностям, технике и лесу. В 2016 г. в лесах Московской области возникло 134 лесных пожара. Ущерб, нанесённый землям лесного фонда, в результате лесных пожаров составил порядка 8 млн. руб., затраты на тушение лесных пожаров составили более 3 млн. руб.
С целью предупреждения и снижения негативных последствий лесных пожаров в субъектах РФ ежегодно проводится комплекс мероприятий пожарной безопасности в лесах. Мероприятия пожарной безопасности в лесах проводятся на основе Лесного кодекса РФ, планов проведения мероприятий по предупреждению и борьбе с лесными пожарами, планов противопожарного обустройства лесов, планов тушения
лесных пожаров в лесничествах, а также сводных планов тушения лесных пожаров в субъектах РФ (далее Планы).
Проводимые мероприятия, направленные на предупреждение лесных пожаров, можно разделить на 2 категории: плановые мероприятия, проводимые заблаговременно (благоустройство лесной территории, устройство минерализованных полос, противопожарных дорог и водоемов и др.), и оперативные, регламентированные текущим уровнем пожарной опасности (далее — ПО) в лесу (дежурство лесопожарных формирований, наземное патрулирование, авиационное патрулирование, дежурство на пожарных наблюдательных пунктах, регулирование посещаемости лесов населением, противопожарная пропаганда).
Регламент проведения оперативных меро-
приятий по охране лесов от пожаров в зависимости от класса пожарной опасности в лесу приведен в сводном плане тушения лесных пожаров субъекта. Однако анализ показывает, что данный регламент разрабатывается на сезон, не содержит сведений об объемах проводимых мероприятий, мероприятия носят нечеткий характер (например, при 3-м классе ПО «усиливается интенсивность проведения противопожарной пропаганды в СМИ»). Также вносят ошибку в данный регламент ограничения и недостатки оценки класса ПО в лесу с помощью показателя Нестерова [1]. В силу этих причин, как показывает практика, решение о количестве и объемах проведения оперативных мероприятий пожарной безопасности в лесах принимается ответственными руководителями, исходя из складывающейся обстановки, личного опыта и особенностей территории.
Указанные недостатки обуславливают необходимость разработки методики формирования рационального плана оперативных мероприятий пожарной безопасности в лесах субъекта РФ на основе результатов прогнозирования количества лесных пожаров. Такой план является динамическим и, в отличие от существующего, в условиях меняющейся обстановки, может корректироваться в зависимости от прогноза пожароопасной обстановки в субъекте РФ. Задача разработки методики формирования рационального плана оперативных мероприятий пожарной безопасности в лесах субъекта РФ на основе результатов прогнозирования количества лесных пожаров заключается в том, что необходимо разработать методический аппарат, позволяющий формировать рациональный план на 6 дней, включающий перечень и объемы оперативных мероприятий пожарной безопасности в лесах субъекта РФ на основе прогноза количества лесных пожаров, который при своей реализации позволит снизить прогнозный ущерб от лесных пожаров.
Исходными данными для методики
являются:
статистические данные:
— по выполненным оперативным мероприятиям пожарной безопасности в лесах в субъекте РФ;
— по количеству лесных пожаров в субъекте РФ;
— по наблюдениям погодных условий на метеостанциях субъекта РФ;
— по величине ущерба, нанесенного лесными пожарами в субъекте РФ;
— возможные варианты проведения оперативных мероприятий пожарной безопасности в лесах в субъекте РФ;
прогнозные значения:
— погодных условий в субъекте РФ;
— количества пожаров в субъекте РФ [2].
Основным показателем, выбранным в методике, который характеризует эффективность проведенных оперативных мероприятий пожарной безопасности в лесах, является показатель ущерба от лесных пожаров (ущерб лесным насаждениям в результате пожара и затраты на тушение пожара). Соответственно, на снижение этого показателя и должен быть направлен разрабатываемый план.
Структурно-логическая схема методики формирования плана оперативных мероприятий пожарной безопасности в лесах представлена на рисунке 1.
Методика включает алгоритм прогнозирования количества лесных пожаров и методику составления рационального плана оперативных мероприятий пожарной безопасности на основе прогноза количества лесных пожаров.
(M
со
о
(M
CTIT. fiHHii; гто ЖЩШЗДНВ11 ЛП. F;
■ET1T. ZZH ИЫ Э ПС тППЕЫН уСЛОШШ! H1
ИЕГгглгкит ■_
Алпф ETsroSpaSoTKH HfïCp E EdIÏ □ ЯЕ E Ы1
-^ стат. Еаккы? пг кетцчЕлъуЛП.
ииг. рзнные'стошжодныш услощяш. !Г ■
ПрЗГНС;КЫ= 5 KÏ4T НИ.Т
колнч^гты ЛП. F„„
M ател этическая иоаель пр а гн о р ое ан и я Л П
Z= ZfW^J
т
ПРСГНСЗЕШЗ ЗН1ЧЗНН.Ч
| пс-гедкыт; чстсенй.
Л.vq munie;
; яэхезрее
Д1ниыг пс Гтри-Едгнныи
OCI=F 1ТГСЕИЫи \[ЕрОГрКЯТНЛМ nDCTÇZHE П С Г ГШ Ж 1рг Б. Mj:
гтгг. ГТ LJ \xiîji оу ст ЛП. D.
Мателитнческ ая jiùjaii уше^За от ЛП, D^ri М^ М^
ИЬц, Wi.it, №Ць Fà
lC£U.CU->LOCMb
Ораеч = D(M, W, F), npeàcmtis.ченяня iepeemi решения
ЫрКШГПЫ MifC r^Iliiriîli.
Матера tu ч«ь;ая ягератъ о п р ыел гн м я осъгмов опгратн ЕН меропр гняттн н пйжгфнон oejûnaiEûûTH в леситс ы[?ргтъ тасне ыр тнты иеропрнятнй JC,i es .1/,^. ыхгарын д останл1»ег щп функции:
оптнма льнtjs варианты опер ятевеыд: :.jep сп рнн tu н попарной S11 !■ ■ ■! 11 i шж
sas:
j = 1,2, .... J, J-колин&сгиео каблчхениь .137; : = 1,2, ...S, aàs S— жаяпвствомвтвссгпащрш; i = 1,2,... T, aï-î T- кв-личестео ujrnep&ittùПУ e сутки; J = 1,2, ... L, sès L — KG.iMiscrt£G пажокъгх фт гшзрое:
i =1,2, .... X ¿vie / — количество дней; k = - - К, азе К — хсличестео Euàtx Meponpup.tuai;
к = 1^, ... X .зге-Y — киличвстесеорияч'нзе.иерсриятийif.
.'■temeô La котяоаия^финал t.ssas trjis чд ссчсее гроаква ¿Ишявлйа .ъсчъс: псхсзроЕ
S
3"
сз
fî «
о
й
г
« 3
VC"
о &
¿г
г а
сз œ о
fî
Vo о
«j
3
г у
э-. сз &3
Рисунок 1 Структурно-логическая схема методики формирования плана оперативных мероприятии пожарной безопасности в .¡юсах
о о
Алгоритм прогнозирования количества лесных пожаров подробно описан в [1]. Прогнозирование основано на обучении регрессионного дерева решений на статистических данных по метеорологическим показателям и количеству лесных пожаров в субъекте РФ, а затем в определении прогнозного количества лесных пожаров на основе прогноза погодных условий по обученной модели.
Методика составления рационального плана оперативных мероприятий пожарной безопасности на основе прогноза количества лесных пожаров основана на совместном применении двух математических моделей: модели ущерба от лесного пожара и модели определения объ-
Зависимость Брасч является регрессионной моделью, определяющей модельное значение суммарного ущерба от лесных пожаров в день г и представлена в виде регрессионного дерева решений (2) [3].
Дерево решений является моделью машинного обучения и применяется для нахождения нетривиальных зависимостей в большом объеме статистических данных. Вид дерева решений зависит от самих исходных данных и подбира-
где Хг = Хъ{М^к, , М^2,к, ,
^-2,Ь ^г-3,|} — ВХОДНОЙ
вектор;
К^ — подмножества значений X¿; р. — ответ дерева (константные переменные, соответствующие подмножествам К^)-,
г = 11, 2 = 171 = 1Ь,.1 < I.
Дерево решений строится (обучается) на исходной статистической выборке данных, при этом для построения дерева используются ре-
емов оперативных мероприятий пожарной безопасности.
Модель ущерба от лесных пожаров
Модель ущерба от лесных пожаров в день г отражает зависимость суммарного ущерба от лесных пожаров Брасч (1) в день г от количества выполненных оперативных мероприятий пожарной безопасности в лесах в день г и за 3 дня: Мг,к, Мъ-1,к, Мг-2,к, М^-3^ погодных условий, наблюдаемых в субъекте в день г и за 3 дня: Wi-1,k, и количества
пожаров ^ в день г. При чем: г = 1,1, где I — количество дней; к = 1,К, где К — количество видов мероприятий; I = 1,Ь, где Ь — количество наблюдаемых погодных факторов.
(1)
ется автоматически с помощью ЭВМ, при этом находится оптимальное дерево, отражающее регрессионную зависимость между несколькими входными значениями и одним выходным (ответом) (в данном случае зависимость между суммарным ущербом от лесных пожаров и статистическими данными по количеству лесных пожаров, объемам мероприятий пожарной безопасности в лесах, погодным условиям).
(2)
альные статистические данные по суммарному ущербу от лесных пожаров в субъекте РФ. Построение дерева решений ведется при помощи алгоритма Cart для регрессионных деревьев решений [3]. Перед построением исходные данные группируются по количеству пожаров и для каждой группы строится свое дерево решений.
После построения дерево решений D является функцией, с помощью которой можно определить ответ Dip-йсч для одного набора входных параметров (рисунок 2).
Арасч = D(Mi)k,Mi-i,k, Mi-2,k, Mi-3,k,Wi,i, , Wi-2,i, Wi-3,i,Fi)
(Xv, Rj,Fj) = £ F3 Л з=1 У
■h-ji i 0, если ж € Д?
3 = 1 1 ' ^ 3
Рисунок 2 Модель ущерба от .лесных ножаров в .лесах Московской области в день в виде дерева решений (для количества ножаров от 0 до 10)
Модель определения объемов оперативных мероприятий пожарной безопасности на 1 неделю.
Модель формирования рационального плана оперативных мероприятий пожарной безопасности в лесах на 1 неделю определяет набор вариантов мероприятий, которые при их совместной реализации позволят снизить расчетный суммарный ущерб от лесных пожаров. В основе модели лежит построенная зависимость
суммарного ущерба от лесных пожаров от выполненных оперативных мероприятий пожарной безопасности в лесах, погодных условий, наблюдаемых в субъекте, и количества пожаров в день, представленная деревом решений (1). Однако для расчета прогнозного значения ущерба от лесных пожаров в день '1+1 используются прогнозные значения погодных условий и лесных пожаров в день '1+1 (3).
А+1РаСЧ = 0(Хк, Мг,к, Мг-1>к, Мг-2,к, ^ПрОГН, Шц, Ш^^, Шг-2,1, ^ПрОГн) ^ ШШ,
где Ипрасч — расчетный ущерб от лесных пожаров в день '1+1 при выполнении мероприятий;
И — модель ущерба от лесных пожаров, представленная в виде дерева решений (1);
Хк — искомое значение варианта мероприятий, которые необходимо провести в день %+1;
^¿прогн — прогнозное значение погодных условий в день %+1\ ^прогн — прогнозное значение количества лесных пожаров в день г+1. Область определения искомых значений варианта мероприятий X составляет все возмож-
(3)
ные наборы такие мероприятий Мп,ь, п = 1,М, где N — число возможных вариантов мероприятий.
Таким образом, задача формирования плана оперативных мероприятий пожарной безопасности в лесах сводится к решению оптимизационной задачи:
при известных значениях М^,к ,М^-1,к, М^2,к,Шг-2,1 и известных прогнозных значениях ^¿прогн, ^прогн определить варианты мероприятий Х^,к из Мп,ь, на 6 дней вперед, которые позволят снизить суммарный ущерб от лесных пожаров Иобщ (т.е. которые доставляют минимум функции (4)) и удовлетворяют системе ограничений (5):
1+6
£общ = А+1РаСч(Х^, М^,к, Мг-1,к ,М^2,к, ^ПрОГН, Шц, Ш^}, Шг-2,1, ^ПрОГн) ^ ШШ (4)
г=1
Г е
\ Xí,k >
Т.е. для каждого из 6-ти дней на вход модели ущерба подаются: прогнозные значения погодных условий, прогнозное значение лесных пожаров, полученное с помощью разработанного алгоритма прогнозирования, и возможные варианты мероприятий пожарной безопасности. Выбираются такие варианты мероприятий для 6-ти дней, которые снизят до минимума суммарный расчетный ущерб от лесных пожаров.
Способ решения задачи усложняется тем, что мероприятия, проводимые несколько дней назад, являются исходным данными при пла-
(5)
Мп,к
Х^задан
нировании мероприятий на этот день (таблица 1, рисунок 3). Так, например, при выборе для дня № варианта мероприятий №1 в дереве решений возникают условия на объем мероприятий, проводимых 2 дня назад (показ роликов, протяженность маршрутов патрулирования). Этот аспект не позволяет использовать для решения задачи основные оптимизационные методы, например, метод динамического программирования, однако задача в настоящий момент может быть решена методом полного перебора.
Рисунок 3 Модель ущерба от .лесных ножаров в .лесах Московской области в день в виде дерева решений (для количества ножаров от 0 до 10)
Таблица 1 Варианты оперативных мероприятий пожарной безопасности в .лесах Московской
области
Период Значения метерологичееких условий Мероприятия Ущерб, тыс. руб.
Атм. давление, мм рт. ст. Влажность, % Кол-во вылетов Протяженность маршрута патрулирования, км Показ роликов
День 1 755 15 1 4200 180 320
День 2 758 20
День 3 760 28 1 4800 180 83
1 4600 185 0
День 6
Обобщенный алгоритм методики формирования рационального плана оперативных мероприятий пожарной безопасности в лесах
— Подготовка исходных данных для построения модели ущерба от лесных пожаров в виде дерева решений (Fi, W(i,l), M(i,k), Di).
— Исходная выборка разбивается на обучающую и тестовую (в соотношении 80% и 20%).
— Строится полное дерево решений на обучающей выборке при помощи алгоритма Cart. При этом оценка качества разбиения в узле проводится при помощи метода наименьших квадратов.
— Находятся все поддеревья полного дерева решений.
— Определяется оптимальное дерево решений D путем определения функции ошибки на тестовой выборке.
— Подготавливаются исходные данные для модели формирования рационального плана оперативных мероприятий по
охране лесов от пожаров (находятся прогнозные значения количества лесных пожаров _Рпрогн и погодных условий прогн на неделю вперед, определяется множество вариантов мероприятий
М(П,к).
— При помощи модели определяется множество вариантов ущерба ^гарасч. при выполнении мероприятий М(П,к).
— Выбирается начальный вариант мероприятий Х(1+1, к) и определяется начальный ущерб + 1).
— Решается оптимизационная задача выбора оптимальных мероприятий Х^г,к).
— Составляется план мероприятий
Х1+7,к па педелю вперед.
Вывод
В статье описана методика формирования рационального плана оперативных мероприятий пожарной безопасности в лесах субъекта РФ на основе результатов прогнозирования количества лесных пожаров. Такой план является динамическим и, в отличие от существующего, в условиях меняющейся обстановки, может корректироваться в зависимости от прогноза пожароопасной обстановки в субъекте РФ.
Основным показателем, выбранным в методике, который характеризует эффективность проведенных оперативных мероприятий пожарной безопасности в лесах, был выбран показатель ущерба от лесных пожаров (ущерб лесным насаждениям в результате пожара и затраты на тушение пожара). Соответственно, на снижение этого показателя и должен быть направлен разрабатываемый план.
Методика состоит из алгоритма прогнозирования количества лесных пожаров и методики
составления рационального плана оперативных мероприятий пожарной безопасности на основе прогноза количества лесных пожаров, включающей модель ущерба от лесного пожара и модель определения объемов оперативных мероприятий пожарной безопасности.
Применение разработанной методики для формирования плана оперативных мероприятий пожарной безопасности в лесах субъекта РФ позволит снизить ущерб, возникающий вследствие лесных пожаров в субъекте РФ.
Литература
1. Дрожжин H.A., Белоусов Р.Л., Воронецкий A.B. Прогнозирование количества лесных пожаров по данным космического мониторинга// Научные и образовательные проблемы гражданской защиты 2014 №2, С. 61-66.
сурс]. URL: http: //rp5. ги/ (дата обращения: 16.01.2017).
3. Паклин Н.Б., Орешков В.И. Бизнес-аналитика: от данных к знаниям / Учебное пособие. 2-е изд., испр. — СПб.: Питер, 2013. - С. 20-25.
Погода в 243 странах мира [Электронный ре-
Рецензент: доктор военных наук, профессор Мазаник А.И
