CC BY
8
Безопасность в чрезвычайных ситуациях «Технологии гражданской безопасности», том 19, 2022, № 4 (74) УДК 614.841.2.001.2
Оценка температурного режима пожара по результатам инструментальных исследований
ISSN 1996-8493
D01:10.54234/CST. 19968493.2022.19.4.74 © Технологии гражданской безопасности, 2022
Д.Ю. Григорьев, Л.В. Краснова, Д.А. Вечтомов
Аннотация
В статье рассмотрено применение технологий искусственного интеллекта при расчете и прогнозировании показателей степени термического повреждения объектов на месте пожара при различных температурных режимах.
Ключевые слова: искусственный интеллект; нейронная сеть; экспертиза пожаров; степень термического повреждения.
Fire Temperature Regime Assessment Based on the Instrumental Studies Results
ISSN 1996-8493
D01:10.54234/CST. 19968493.2022.19.4.74 © Civil Security Technology, 2022
D. Grigoriev, L. Krasnova, D. Vechtomov
Abstact
The article considers the use of artificial intelligence technologies in calculating and predicting the degree of thermal damage to objects at the fire site under various temperature conditions of fires.
Key words: artificial intelligence; neural network; examination of fires; degree of thermal damage.
17.11.2022
Развитие техники и технологий неизбежно оказывает влияние на все сферы деятельности общества. В научной литературе отмечается тенденция «внедрения в результате влияния научно-технического прогресса математических методов.. .в следственную и экспертную практику для решения задач судопроизводства» [1]. Этот процесс можно считать ответом на усложнение технических и архитектурных решений объектов защиты, в результате которого к квалификации специалистов, занимающихся исследованием пожаров, предъявляются все более высокие требования.
Также отмечается рост востребованности со стороны органов правоприменения проведения «в отношении объектов пожаров анализа отклонений от нормативных требований в области пожарной безопасности, а также причинно-следственной связи данных отклонений с возникновением и развитием пожаров» [2]. Такой подход предполагает сравнение модели динамики нарастания опасных факторов пожара, мероприятия по защите от которых заложены в нормативную базу по пожарной безопасности, с динамикой пожара, происшедшего на объекте защиты.
В рамках разработки компьютерного комплекса, обеспечивающего выполнение задач, стоящих перед пожарно-техническим экспертом [3], справочный блок «Температурный режим и динамика горения в помещении и резервуарах с ЛВЖ (ГЖ)» предложен как составная часть специального справочного фонда.
Сказанное выше свидетельствует об актуальности решения задачи восстановления динамики опасных факторов пожара в ходе проведения исследования обстоятельств пожара пожарно-техническим экспертом.
Имеющиеся в настоящее время наработки в области исследования предметов и материалов, подвергшихся температурному воздействию [4], позволяют проводить исследования с применением инструментальных методов, что делает результаты исследования более объективными.
Методики экспертного исследования материалов после пожара позволяют установить степень термического повреждения конструкций, которая зависит от температуры и времени термического воздействия, как представлено в функции [1]:
5 = ^ (Т,та), (1)
где:
Т — температура, воздействовавшая на конструкцию; оС;
т — время воздействия температуры на объект, мин;
S — значение результатов измерения.
Такие методики инструментального исследования строятся путем изучения свойств материала при T = const по зависимости (1).
В качестве примера можно привести магнитный метод исследования холоднодеформированных стальных изделий, который представлен в сборнике методических рекомендаций [4]. По магнитному методу проводится измерение величины тока размагничивания I (мА). Для проведения измерения рекомендуется применять коэрцитиметр КИМ-01ЭП или аналог. Магнитный метод имеет график зависимости значения тока размагничивания от времени теплового воздействия при постоянной температуре. Оригинальная иллюстрация графика магнитного метода [4] представлена на рис. 1
Рис. 1. График изменения величины тока размагничивания при нагреве гвоздей 100 мм в изотермических условиях (магнитный метод исследования) (приводится по [1])
Значения графика на рис. 1 представлены в виде табл. 1.
Вместе с тем, развитие пожара на объекте защиты происходит при относительно плавном нарастании и снижении температуры газовой среды и, соответственно, предметов и материалов, находящихся в помещении (рис. 2).
В таких условиях применение методик, построенных описанным выше способом, является хотя и информативным, однако не позволяет провести анализ динамики нарастания температуры.
Для того чтобы раскрыть динамику нарастания температуры, сформируем нейросеть, включающую:
Таблица 1
Значение величины тока размагничивания мА в зависимости от длительности воздействия температуры
на образец
Температура, воздейству- Значение величины тока размагничивания мА при длительности воздействия температуры, мин ющая на образец, оС
По [1] Средняя* 15 30 45 60 75 90 105
200 200 24,8 24,54 24,44 24,3 24,17 24,08 23,96
300-350 325 24,6 24,23 24,03 23,87 23,7 23,62 23,43
420-450 435 24,2 23,52 23,03 22,64 22,37 22,22 22,11
750-800 775 23,68 22,82 22,3 21,92 21,65 21,36 21,11
940-980 960 22,45 21,8 21,37 21 20,6 20,25 19,94
* Приведена для целей настоящего исследования.
Рис. 2. Стандартная температурно-временная кривая пожара и ее сравнение с зависимостями среднеобъемной температуры газа от времени, полученными при четырех полномасштабных экспериментальных испытаниях, характеризующимися одинаковым коэффициентом проемности и различной удельной плотностью пожарной нагрузки (по ГОСТ Р 54081-2010 [5]).
один промежуточный слои, пять элементов входного слоя и один элемент в выходном слое (рис. 3).
Количество элементов входного слоя соответствует количеству температур, при которых была построена методика экспертного исследования. В приведенном примере методика построена путем исследования поведения материала при пяти температурах, приведенных в табл. 1. Обучающая выборка представлена в табл. 2.
На рис. 3 элементы 11 — 15 являются «нейронами» входного слоя, значение каждого из которых численно равно времени воздействия температур, при которых определены показатели свойства материала в методике исследования объектов после пожара. Для методики, представленной на рис. 1 и в табл. 1, такими температурами являются: 200 оС (11); 325 оС (12); 435 оС (13); 775 оС (14); 960 оС (15). Элементы — «нейроны» промежуточного слоя, а элемент О — выходной результат.
Нормализация значений нейрона проводилась по зависимости:
х - X
V _ X
тах тт
(2)
где:
in — безразмерное значение элемента; х — время воздействия характерной температуры, мин;
х . — минимальное время воздействия температуры по методике (для методики на рис. 1 - 0 мин);
х — максимальное время воздействия температуры по методике (для методики на рис. 1 - 105 мин).
По данным, приведенным в табл. 1, сформирована следующая обучающая выборка (табл. 2).
Приведенные в табл. 2 результаты расчета показывают принципиальную возможность моделирования поведения материала в условиях пожара с применением описываемого подхода.
Подход к переводу графика температурного режима пожара в форму, необходимую для ввода данных в нейросеть, проиллюстрирован на рис. 4.
Рис. 3. Нейронная сеть для расчета величины тока размагничивания холоднодеформированных изделий после пожара с учетом нарастания температуры
Рис. 4. Пример зависимости температуры газовой среды и строительных конструкций от времени развития пожара с указание времени воздействия температур, характерных для методики, приведенной на рис. 1 (расчет по ГОСТ Р 12.3.047-2012 [6]).
Таблица 2
Обучающая выборка
№ п/п Температура, воздействующая на объект Ток размагничивания объекта, мА Разность значений, получаемых
по методике и нейросети
200 325 435 775 960 по методике расчет нейросети мА %
1 15 0 0 0 0 24,80 24,74 0,06 0,24
2 30 0 0 0 0 24,54 24,59 -0,05 -0,20
3 45 0 0 0 0 24,44 24,41 0,03 0,12
4 60 0 0 0 0 24,30 24,3 0,00 0,00
5 75 0 0 0 0 24,17 24,19 -0,02 -0,08
6 90 0 0 0 0 24,08 24,07 0,01 0,04
7 105 0 0 0 0 23,96 23,96 0,00 0,00
8 0 15 0 0 0 24,60 24,59 0,01 0,04
9 0 30 0 0 0 24,23 24,24 -0,01 -0,04
10 0 45 0 0 0 24,03 24 0,03 0,12
11 0 60 0 0 0 23,87 23,86 0,01 0,04
12 0 75 0 0 0 23,70 23,73 -0,03 -0,13
13 0 90 0 0 0 23,62 23,58 0,04 0,17
14 0 105 0 0 0 23,43 23,42 0,01 0,04
15 0 0 15 0 0 23,20 24,18 -0,98 -4,22
16 0 0 30 0 0 23,52 23,52 0,00 0,00
17 0 0 45 0 0 23,03 22,96 0,07 0,30
18 0 0 60 0 0 22,64 22,6 0,04 0,18
19 0 0 75 0 0 22,37 22,38 -0,01 -0,04
20 0 0 90 0 0 22,22 22,22 0,00 0,00
21 0 0 105 0 0 22,11 22,09 0,02 0,09
22 0 0 0 15 0 23,68 23,67 0,01 0,04
23 0 0 0 30 0 22,82 22,83 -0,01 -0,04
24 0 0 0 45 0 22,30 22,29 0,01 0,04
25 0 0 0 60 0 21,92 21,91 0,01 0,05
26 0 0 0 75 0 21,65 21,64 0,01 0,05
27 0 0 0 90 0 21,36 21,39 -0,03 -0,14
28 0 0 0 105 0 21,11 21,11 0,00 0,00
29 0 0 0 0 15 22,45 22,46 -0,01 -0,04
30 0 0 0 0 30 21,80 21,76 0,04 0,18
31 0 0 0 0 45 21,37 21,37 0,00 0,00
32 0 0 0 0 60 21,00 20,96 0,04 0,19
33 0 0 0 0 75 20,60 20,54 0,06 0,29
34 0 0 0 0 90 20,25 20,2 0,05 0,25
35 0 0 0 0 105 19,94 20,02 -0,08 -0,40
36 Максимальная разность значений (ошибка) -0,98 -4,22
Расчет, проведенный с применением нейросети, представленной на рис. 3 и «обученной» по выборке, представленной в табл. 2, для рассматриваемого температурного режима пожара (рис. 4) дает результат, представленный в табл. 3.
Сопоставление результатов расчета с данными, представленными в табл. 1, показывает, что температурный режим пожара, график температуры которого представлен на рис. 4, эквивалентен по воздействию на холоднодеформированное изделие температуры 325 оС в течение 15 минут.
В целях подтверждения возможности применения указанного подхода к расчету показателей степени термического повреждения объектов, находящихся на месте пожара, проведен эксперимент по исследованию свойств холоднодеформированных стальных изделий после воздействия нестационарного температурного режима.
Объект исследования — стальные строительные гвозди длиной 70 мм. Характеристики объекта представлены в табл. 4.
Таблица 3
Исходные данные и результаты расчета значения тока размагничивания холоднодеформированного стального
изделия
№ узла Температура, соответствующая узлу Время воздействия Значение, рассчитанное («нейрона») («нейрону»), °С температуры, мин (рис. 4) нейросетью, мА
1 200 16 24,60 Таблица 4
2 325 13
3 435 10,5
4 775 0
5 960 Характеристики 0 объекта исследования
Наименование продукции Диаметр шляпки, D, мм Толщина шляпки, Ь, мм Диаметр стержня, Д, мм Длина, L, мм
Гвоздь строительный, стальной, 6 2.5 3 70
арт. 12-607СТ
1МШШШ1НШ1ММ1М1М
□
Рис. 5. Муфельная печь
Рис. 6. Тепловизор
КИМ-2М-ЭП н
Щ 7
Рис. 7. Коэрцетиметр для измерения силы тока размагничивания образцов
Рис. 8. Характерный внешний вид объектов исследования
Образцы подвергались нагреву в муфельной печи и охлаждению в соответствии с графиком, приведенным на рис. 9. После нагрева и охлаждения измерялся ток размагничивания образцов. Также значение тока размагничивания образцов для температурных режимов, приведенных на рис. 9, рассчитывалось нейросетью, «обученной» по значениям, приведенным в табл. 5. Результаты измерений и расчетов представлены в табл. 6.
Температура образцов при охлаждении контролировалась с помощью тепловизора.
По результатам проведенных исследований можно сделать вывод: оценка динамики температуры при пожаре по результатам инструментальных исследований с применением нейронных сетей и прогнозирование значения показателя степени термического повреждения материалов возможны. Такой подход требует построения обучающей выборки и «тренировки» нейронной сети. Полученный при этом результат позволяет оценить не просто степень термического воздействия, но и динамику температуры при пожаре.
В теории применения искусственного интеллекта в расследовании преступлений [7] решенную авторами задачу можно отнести к классу «распознавание», поскольку по отдельным значениям, полученным по результатам инструментальных исследований, нейронная сеть «распознает» температурный режим пожара.
Рис. 9. Температурные режимы нагрева образцов. Римскими цифрами обозначены варианты нагрева и охлаждения,
применявшиеся при исследовании
Таблица 6
Результаты измерения и расчета тока размагничивания образцов для различных температурных режимов
теплового воздействия
Температурный режим по рис. 9 I II III
Максимальная температура нагрева, оС 600 800 980
Время воздействия характерных температур, мин 200 оС 33 60 87
325 оС 27 54 81
435 оС 18 45 70
775 оС 0 11 36
980 оС 0 0 0
Значение тока размагничивания образца, мА в эксперименте до теплового воздействия 0,058 0,058 0,058
после теплового воздействия 0,0518 0,0382 0,0132
по расчету нейросети до теплового воздействия 0,0587 0,0587 0,0587
0,0465 0,0379 0,0137
Разность между экспериментальным и расчетным (после теплового воздействия) значениями мА 0,0053 0,0003 -0,0005
% 10,2 0,8 3,8
Совместно с методиками определения массы горючей нагрузки, находившейся в помещении до пожара, [8] и экспресс-оценкой пожарных рисков [9] расчет температурного режима позволяет
Литература
1. Умаев А. А. Использование математических методов и моделей в расследовании дел о пожарах: Автореферат дисс.к. ю. н. М., 1990 [Электронный ресурс] // Портал НЭБ. URL: https:// rusneb.ru/catalog/000199_000009_000029746 (дата обращения: 10.08.2022).
2. Антонов А. О. Правовое регулирование судебно-экспертной деятельности федеральной противопожарной службы МЧС России: Автореф. дисс. к. ю. н. СПб., 2009 [Электронный ресурс] // Портал НЭБ. URL: https://rusneb.ru/ru/000200_000018_ RU_NLR_bibl_1425832 (дата обращения: 10.08.2022).
3. Воронов С. П. Совершенствование методики проведения экспертизы и исследования пожаров на основе новых информационных технологий: Автореферат дисс. к. т. н. М., 1997 [Электронный ресурс] // Портал НЭБ. URL: https://viewer. rusneb.ru/ru/000199_000009_000029746/000199_000009_0001 11411 (дата обращения: 10.08.2022).
исследовать вопрос оценки причинно-следственной связи между фактами нарушения требований пожарной безопасности и наступившими последствиями.
4. Применение инструментальных методов и технических средств в экспертизе пожаров: Сб. методических рекомендаций / Под ред. И. Д. Чешко и А. Н. Соколовой. СПб.: Санкт-Петербургский филиал ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2008. 279 с.
5. Национальный стандарт ГОСТ Р ЕН 1363-2-2014 «Конструкции строительные. Испытания на огнестойкость. Альтернативные и дополнительные методы» [Электронный ресурс] // Портал ГАРАНТ РУ URL: https://www.garant.ru (дата обращения: 10.08.2022).
6. Национальный стандарт РФ ГОСТ Р 12.3.047-2012 «Система стандартов безопасности труда. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля» [Электронный ресурс] // Портал ГАРАНТ РУ. URL: https:// www.garant.ru (дата обращения: 10.08.2022).
7. Бахтеев Д. В. Концептуальные основы теории криминалистического мышления и использования систем искусственного интеллекта в расследовании преступлений: Автореф., дисс.
д. ю. н. Екатеринбург, 2022 [Электронный ресурс] // Портал НЭБ. URL: https://viewer.rusneb.ruru/000199_ 000009_011217383 (дата обращения: 10.08.2022).
8. Козлачков В. И., Лобаев И. А., Плешаков В. В., Григорьев Д. Ю., Вечтомов Д. А. Определение находившейся в помещении до пожара массы горючей нагрузки // Технологии техносферной безопасности. 2016. № 4 (68) [Электронный ресурс] // Портал Научной электронной библиотеки eLIBRARY. RU. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=29117981 (дата обращения: 10.08.2022).
9. Козлачков В. И. Экспресс-оценка пожарных рисков при обследовании зданий и сооружений: учебное пособие / В. И. Козлачков, А. Ю. Хохлова. М.: Академия ГПС МВД России, 2001. 86 с.
10. Джонс М.Т. Программирование искусственного интеллекта в приложениях. М.: ДМК Пресс, 2015.
11. Николаенко С. И. и др. Глубокое обучение. Погружение в мир нейронных сетей. СПб., Питер, 2019.
Сведения об авторах
Григорьев Денис Юрьевич: адьюнкт, АГПС МЧС России, с. н. с.
Москва, Россия. SPIN-код: 3785-2792.
Краснова Любовь Викторовна: к. э. н., ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), с. н. с. науч.-исслед. отдела. Москва, Россия. SPIN-код: 6524-6195.
Вечтомов Денис Анатольевич: к. т. н., Департамент образовательной и научно-технической деятельности МЧС России, ст. инсп., полковник внутренней службы. Москва, Россия. SPIN-код: 4999-6183.
Information about the authors
Grigoriev Denis Y.: Adjunct, Academy of the State Fire Service EMERCOM of Russia, Senior Researcher. Moscow, Russia. SPIN-scientific: 3785-2792.
Krasnova Lyubov V.: PhD (Economic Sc.), All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies, Senior Researcher, Research Department. Moscow, Russia. SPIN-scientific: 6524-6195.
Vechtomov Denis A.: PhD (Technical Sc.), Department of Educational, Scientific and Technical Activities of the Russian Emergencies Ministry, Senior Inspector, Colonel of Internal Service.
Moscow, Russia. SPIN-scientific: 4999-6183.
Издания ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ)
Авторы, название URL
Арефьева Е.В. и др. Устойчивость муниципальных образований Российской Федерации в условиях изменения климата. https:// elibrary.ru/item.asp?id=49448379
Жуков А.О. и др. Системный анализ: Философско-методологические аспекты. Часть 1. https:// elibrary.ru/item.asp?id=49470474
Сосунов И.В. и др. Настольная книга (пособие) председателя комиссии по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций и обеспечению пожарной безопасности https://elibrary.ru/item.asp?id=32546511
Батырев В.В. и др. Средства коллективной защиты. Оценка эффективности и качества защиты населения в чрезвычайных ситуациях https://elibrary.ru/item.asp?id=35283773
Кусилов В.К. и др. Информационно-аналитический бюллетень об организации деятельности территориальных органов МЧС России в области реагирования пожарно-спасательных подразделений на дорожно-транспортные происшествия в субъектах Российской Федерации в 2017 году https://elibrary.ru/item.asp?id=35367271
Основные результаты развития и совершенствования МЧС России в 2012-2018 годах. Фотокнига https://elibrary.ru/item.asp?id=35201457
Настольная книга руководителя гражданской обороны. Изд. 6-е, ак-туализ. и дополн. https://elibrary. ru/item.asp?id=35027110
Разумов В.В. и др. Масштабы и опасность наводнений в регионах России https://elibrary.ru/item.asp?id=35108092
Акимов В. А. Общая теория безопасности жизнедеятельности в современной научной картине мира https://elibrary.ru/item.asp?id=36813168
Сосунов И.В. и др. Проблемные вопросы разработки перечня мероприятий по гражданской обороне, мероприятий по предупреждению чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в составе проектной документации объектов капитального строительства. Монография http://elibrary.ru/item.asp?id=28414015
Пучков В.А. и др. Мы первыми приходим на помощь. Литературно-художественный публицистический сборник https://elibrary.ru/item.asp?id=29281817
