CC BY
21
УДК 004.942
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИРОДНЫХ ПОЖАРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИБРИДНЫХ МОДЕЛЕЙ
И.А. Буслов, Г.А. Доррер, П.С. Шаталов
ФГБОУ ВО «Сибирский государственный технологический университет» 660049, Красноярск, пр. Мира 82; e-mail: [email protected]
Природные пожары являются мощным природным и антропогенным фактором, существенно изменяющим функционирование и состояние лесов.
Стихийный природный пожар - опасный и динамичный процесс, который наносит огромный ущерб, как экологии (для восстановления леса требуется несколько десятков лет), так и экономике государства. Для стран, большую часть их территории занимают леса (таких как Российская Федерация, Канада, Германия, США и другие), проблема лесных пожаров стоит особенно остро. Эффективная борьба с пожаром невозможна без предсказания его поведения, для чего требуются математические модели его поведения. Оперативное прогнозирование распространения природного пожара в значительной мере может повысить качество и безопасность борьбы с ними.
В работе рассмотрены различные виды моделей (аналитические, экспериментальные, гибридные), используемых для математического моделирования природных пожаров, их положительные и отрицательные особенности. Предложен проект информационной системы, использующий гибридную модель (экспериментальная модель расчета распространения кромки пожара, использующая в качестве входных данных информацию о ветре, рассчитанную при помощи аналитической модели расчета поля ветра) для повышения скорости расчетов. В проекте рассмотрены возможные средства реализации и алгоритмы. Для моделирования распространения кромки пожара предложен алгоритм, основанный на методе подвижных сеток, а для моделирования ветра - алгоритм, основанный на WRF-Fire (который в свою очередь использует метод крупных вихрей LES). Данный набор моделей позволит повысить точность расчетов пожара, без значительного повышения сложности этих расчетов (скорость расчетов соизмерима со скоростью протекания реального процесса).
Большое внимание уделено источникам исходных данных, необходимых для расчета скорости распространения природных пожаров, а так же существенно влияющих на его точность.
Данный проект может быть использован для последующей разработки информационной системы, позволяющей осуществлять относительно точное, и в то же время оперативное моделирование природных пожаров.
Ключевые слова: математическое моделирование, природные пожары, гибридные модели
Wildfires are a powerful natural and anthropogenic factor that significantly alters behaviour and state of forests.
Emergent wildfire is a dangerous and dynamic process that causes great damage to both ecology (reforestation requires several decades) and economy of the state. For countries, most of the territory of which is covered by forests (such as the Russian Federation, Canada, Germany, the USA, etc.), the problem of forest fires is particularly acute. Effective fire fighting is impossible without predictions of its behaviour, which requires mathematical models of its behaviour. Timely forecasting of the wildfire spread can greatly improve the quality and safety of dealing with them.
The article examines different types of models (analytical, experimental, hybrid) used for mathematical modelling of wildfires, their positive and negative aspects. The author proposes a project of the information system that uses a hybrid model (an experimental model for calculating the spread of the fire edge using information about the wind as input data that is calculated using the analytical model for calculating the wind field) in order to improve the calculation speed. The project examines possible means of implementation and algorithms. To model the fire edge spreading, the author proposes an algorithm based on the moving mesh method, and to model the wind - an algorithm based on the WRF-Fire (which, in turn, uses the LES large-eddy simulation method). This set of models will increase the accuracy of calculations of fire without significantly increasing the complexity of these calculations (the calculation speed is commensurate with the actual process flow rate).
Much attention is paid to the sources of the input data needed to calculate the speed of wildfire spread and those significantly affecting its accuracy.
This project can be used for further development of the information system that helps to carry out relatively accurate and, at the same time, timely modelling of wildfires.
Key words: mathematical modeling, wildfires , the hybrid models
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время существуют 2 основных вида математических моделей:
• Экспериментальные модели - включают неизвестные параметры (константы), определяемые из эксперимента, за счет чего обладают очень высокой
скоростью, но низкой точностью. (Коровин, Доррер, R. Rothermel, А.МсАгШиг, С.Е. VariVagner). Расчеты протекают в 100-10000 быстрее течения моделируемого процесса.
• Аналитические модели - описывают физико-химические процессы горения происходящие при природном пожаре. В основе таких моделей таких
Хвойные бореальной зоны, XXXVI, № 3 - 4, 2016
систем лежат законы сохранения энергии, массы и импульса и другие (Гришин с сотрудниками, 19842013, Lynn, 1997, W.Mell, 2007, Morvan, 2004 и др.). Скорость расчетов в 500-5000 раз медленнее течения реального процесса.
Для оперативного прогнозирования аналитические модели не применимы по причине колоссальной трудоемкости их расчетов, а качество результатов экспериментальных моделей зачастую оставляет желать лучшего.
ГИБРИДНАЯ МОДЕЛЬ
Идея создания гибридной модели заключается в том, что часть расчетов производится с использованием экспериментальной модели (в рамках данной работы этой частью является расчет распространения кромки природного пожара), а часть по аналитическим алгоритмам (направление и скорость ветра).
Этот подход позволяет при незначительном замедлении скорости расчетов получить значительно более точные результаты, которые можно использовать при оперативном прогнозировании.
В качестве экспериментальной модели можно использовать алгоритм распространения природного пожара, основанный на методе подвижных сеток (Г.А. Доррер, 2008). Это достаточно быстрый и точный (относительно других экспериментальных моделей) алгоритм.
В качестве аналитической модели атмосферы можно использовать некоторые части системы WRF-Fire (модель атмосферы основанная на методе крупных вихрей LES).
СТРУКТУРА ПО И СРЕДСТВА РАЗРАБОТКИ
В качестве операционной системы серверной платформы рекомендуется GNU/Linux Debian. Данный выбор обусловлен бесплатностью, высокой надежностью и большыми возможностями данной системы.
Модули расчета атмосферы системы WRF-Fire, используют библиотеку MPI, что сужает список серверных языков программирования до C++ и Python (так как они могут наиболее эффективно использовать данную библиотеку, а так же модули системы).
Предлагается сделать API, для возможности подключения к проектируемой системе различных интерфейсов и дополнительных модулей, которые могут потребоваться в будущем.
В качестве базы данных могут быть использованы PgSQL, MySQL или Oracle в зависимости от аппаратной и программной конфигурации расчетного кластера.
На концептуальной схеме ПО (рисунок 1) видно, что взаимодействие между моделями организуется через ядро системы.
Ядро системы хранит все текущие состояния и данные для обмена в базе данных, а так же общается с интерфейсами через API. Модули WRF Fire предполагают расчеты на кластере, а расчетный блок кромки
пожара может производиться на отдельной вычислительной машине.
Рисунок 1 - концептуальная схема проектируемого ПО
ИСТОЧНИКИ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ
В качестве исходных данных для гибридной модели требуются данные рельефа, погоды (поля ветра, температура воздуха), физические характеристики пожара (температура, количество выделяемого тепла), характеристики горючего (тип растительности).
1) Рельеф.
В ходе анализа множества источников (Сканэкс, Google Maps, слои OSM различных разработчиков) было выяснено, что наиболее точные открытые данные продукт Google Maps. Кроме этого, доступ к этим данным относительно прост (есть множество API). Точность данных сильно варьируется по территории РФ и возникает некая «ступенчатость» (рисунок 2), которая может значительно исказить результаты расчетов. Для исправления этой ситуации требуется предварительная их обработка (можно использовать Сплайны Эрмита или Кривые Безье для сглаживания). Данные предоставляются компанией Google как на бесплатной (2500 запросов в сутки), так и на платной (любое число запросов) основе.
Рисунок 2 - Исходные данные о рельефе местности
2) Информация о погоде
В качестве источника данных о погоде можно использовать данные с метеостанций (они открыты, имеют трехчасовой период обновления). Для исполь-
зования этих данных в разрабатываемом ПО, необходимо организовать к ним простой доступ. Это может быть реализовано с использованием API от компании OpenWeatherMap, предоставляющей доступ к полным данным с метеостанций.
3) Физические характеристики пожара Существуют достаточно точные методы оценки количества тепла выделяемого пожаром и
температуры его фронта (Гришин, 1984, Швецов ,2011).
4) Тип растительности
Могут быть использованы данные, предоставленные МЧС (рисунок 3) в виде shape файла с набором полигонов (внутри полигона определенный тип растительности). Это наиболее полные доступные данные (но имеющие достаточно низкую актуальность).
Рисунок 3 - визуализация shape файла с данными растительности
В связи с низкой скоростью работы программных продуктов с shape файлами, возможно их кэширование средствами переноса части информации в базу данных.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе работы был реализован проект системы для моделирования лесных пожаров с использованием гибридных моделей. Некоторые части данной системы в настоящее время являются уже реализованы, другие будут реализовываться в будущем. Ожидается, что данное ПО будет пригодно для оперативных расчетов, а точность этих расчетов будет выше, чем у классических экспериментальных моделей.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК:
Доррер, Г.А. Динамика лесных пожаров / Г.А. Доррер. -
Красноярск: СО РАН, 2008. - 404 с. Доррер, Г.А. Методы моделирования дискретных систем учебное пособие / Г.А. Доррер. - Красноярск: СибГТУ, 2004. - 202 с.
Документация WRF-Fire, (электронный ресурс), / режим доступа: http://www. openwfm.org/wiki/WRF-Fire
Гришин М. А., Грузин А. Д., Зверев В. Г. Теплофизика лесных пожаров // Ин-т теплофизики Сиб. отд-ния АН СССР. Новосибирск, 1984. С. 38-75. Шаталов, П.С. Система поддержки принятия решений по управлению природными пожарами с использованием высокопроизводительных вычислительных систем и данных космического мониторинга: дис. ... канд. техн. наук / Павел Сергеевич Шаталов - Красноярск, 2016. - 161 л.
Советов, Б.Я. Моделирование систем. / Б.Я. Советов,
С.А. Яковлев. М.: Высшая школа, 1985, - 350с. Швецов Е. Г., Сухинин А. И. Оценка энергетических параметров лесных пожаров по данным спутниковой съемки / Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М.Ф. Решетнева, Выпуск № 2 / 2011 Бенькович, Е., Практическое моделирование динамических систем. / Е. Бенькович, Ю.Б. Колесов, Ю. Б. Сеничен-ков. СПб.:БХВ-Петербург, 2002. - 464с. «PHP, MySQL и другие вэб-технологии», (электронный ресурс), / режим доступа: http://php.su «Справочник по Debian», (электронный ресурс), / режим
доступа: http://qref.sourceforge.net/quick/index.ru.html «Linux Desktop Survivor Guide», (электронный ресурс), / режим доступа: http://www.togaware.com/linux/survivor
По ступила в редакцию 21.06.16 Принята к печати 12.09.16
