Применение информационных технологий и расчетных методов в судебной пожарно-технической экспертизе

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Применение информационных технологий и расчетных методов в судебной пожарно-технической экспертизе

А.А. Тумановский, М.Ю. Принцева, С.Ф. Лобова

А. А. Тумановский, начальник отдела инновационных и информационных технологий в экспертизе пожаров Исследовательского центра экспертизы пожаров Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России, кандидат технических наук;

М. Ю. Принцева, заместитель начальника отдела инструментальных методов и технических средств экспертизы пожаров Исследовательского центра экспертизы пожаров Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России, кандидат технических наук;

С. Ф. Лобова, старший научный сотрудник отдела инновационных и информационных технологий в экспертизе пожаров Исследовательского центра экспертизы пожаров Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России

Целью исследования является рассмотрение вопросов применения информационных технологий и расчетных методов в судебной пожарно-технической экспертизе. Наиболее широко применяемыми информационными технологиями в данной экспертизе являются: использование компьютерной техники для получения различного рода справочной информации; специальные программы для обучения и тестирования, математических расчетов, учета и электронного оборота документов; графические программы; экспертные системы; программы и электронные ресурсы для обмена информацией и связи; расчет различных параметров (теплофизических, механических, гидроаэродинамических, электротехнических) на компьютерной технике; компьютерная обработка результатов экспертных исследований; расчеты физических и химических процессов, происходящих при пожаре; пожарно-технические расчеты; компьютерное моделирование пожаров (интегральное, зонное и полевое). Наиболее перспективным направлением математического моделирования является применение полевого моделирования. Планируется также разработка современных экспертных систем для исследования пожаров.

Анализируются понятия «применение расчетных методов», «применение информационных технологий».

Ключевые слова: информационные технологии, расчетные методы, судебная пожарно-техническая экспертиза, программное обеспечение, математическое моделирование, экспертные системы.

АPPLICATЮN OF INFORMATION TECHNOLOGIES AND COMPUTATIONAL METHODS IN FORENSIC FIRE-TECHNICAL EXPERTISE

A. A. Tumanovskiy, Head of Department of innovation and information technologies in the fire expertise of Fire Expertise Research Centre of Saint-Petersburg University of state fire service of EMERCOM of Russia, Candidate of Science (Engeneering);

M. Yu. Printseva, Deputy Head of the Department of instrumental methods and technical means of fire examination of Fire Expertise Research Centre of Saint-Petersburg University of state fire service of EMERCOM of Russia, Candidate of Science (Engeneering);

S. F. Lobova, Senior research fellow of the Department of innovation and information technologies in the fire expertise of Fire Expertise Research Centre of Saint-Petersburg University of state fire service of EMERCOM of Russia

This investigation is dedicated to the questions of application of information technologies and calculation methods in forensic fire technical expertise. The main directions of the use of information technologies in forensic fire technical expertise are: the use of computer technology to obtain various kinds of reference information; special programs for training and testing, for mathematical calculations, for accounting and electronic circulation of documents; graphic programs; expert systems; programs and electronic resources for information exchange and communication; use of computer equipment for the calculation of various parameters (thermal, mechanical, hydroaero- dynamic, electrotechnical calculations); computer processing of expert research results; calculations of the physical and chemical processes occurring in a fire; fire technical calculations; computer simulation of fires (integral, zone and field). The most promising direction of mathematical modeling is the use of field modeling. It is also planned to develop modern expert systems for the study of fires.

Concepts are analyzed: ''use of calculation methods'', ''use of technologies''.

Key words: informational technologies, calculation methods, forensic fire-technical expertise, software, mathematical modeling, expert systems.

Специфика судебных пожарно-технических экспертиз (СПТЭ) заключается в том, что при их производстве требуются значительно большие затраты труда по сравнению с традиционными криминалистическими экспертизами. Как правило, эксперт сталкивается с необходимостью применения специальных знаний из разных сфер техники и науки. Существует также необходимость использовать справочные данные, доступ к которым может быть затруднителен. Кроме того, такие данные могут противоречить друг другу [1; 2].

Как показывает практика деятельности судебно-экспертных учреждений, использование информационных технологий в СПТЭ позволяет повысить качество выполнения интеллектуальных видов работы и облегчает выполнение рутинных операций, следствием чего станет повышение качества и достоверности экспертных заключений, их доказательственного значения, сокращение сроков их выполнения.

Информационные и компьютерные технологии могут использоваться для решения большого количества экспертных задач. Основные из них следующие:

- использование компьютерной техники для получения различного рода справочных данных: создание баз данных, электронные книги и пособия, справочные базы и банки данных, информационные системы и комплексы (естественно-научные, технические, экономические, юридические), специальные программы для обучения и тестирования, учета и электронного оборота документов, графические программы, экспертные системы, программы и электронные ресурсы для обмена информацией и связи;

- применение компьютерных технологий для расчета различных параметров (теплофизических, механических, гидроаэродинамических, электротехнических), расчетная обработка результатов экспертных исследований, расчеты физических и химических процессов, происходящих при пожаре, пожарнотехнические расчеты, компьютерное моделирование пожаров (интегральное, зонное и полевое).

Рассмотрим направления экспертной деятельности, в которых могут применяться информационные и компьютерные технологии.

Использование информационных технологий в экспертизе пожаров.

Основным сайтом Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий (МЧС России) является https://www.mchs.gov.ru. Он содержит значительное количество информации, в основном касающейся общих вопросов деятельности ведомства. Среди сайтов, имеющих отношение к тематике СПТЭ, можно назвать сайт Исследовательского центра экспертизы пожаров Всероссийского института противопожарной обороны МЧС России - www.fire- expert.igps.ru. Востребованы пожарно-техническими экспертами также сайты Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы (ГПС) МЧС России (www.igps.ru), Всероссийского института противопожарной обороны МЧС России (www.vniipo.ru), а также сайт академии ГПС МЧС России https://academygps.ru/.

Кроме того, возможна разработка специализированных продуктов для пожарно-технических экспертов, сочетающих использование справочной информации и инженерных расчетов. В целях внедрения информационных технологий в экспертную деятельность и для решения указанных задач в 1990-х гг. в Санкт-Петербургском филиале Всероссийского научно-исследовательского института противопожарной обороны и Санкт-Петербургском институте ГПС МЧС России был внедрен информационный комплекс для пожарно-технических экспертов «Экспотех» (т. е. эксперт пожарно-технический). При его создании обращались к широко используемым в то время средствам для разработки программного обеспечения [3]. Программы, входящие в комплекс, являлись удобным средством при производстве пожарно-технических экспертиз. На основе результатов анализа работы комплекса производилась его модернизация, в том числе актуализация программ.

В настоящее время на основе сайта головного экспертного подразделения МЧС России - Исследовательского центра экспертизы пожаров Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России - функционирует справочная система пожарно-технического эксперта, включающая в себя методические пособия по экспертизе пожаров и материалы ранее разработанного информационного комплекса в области пожарно-технической экспертизы.

Использование расчетных методов в экспертизе пожаров.

Практика работы судебно-экспертных подразделений Федеральной противопожарной службы МЧС России показывает значительную востребованность применения расчетных физико-химических и теплофизических методов для решения экспертных задач.

Основными направлениями использования расчетных методов в СПТЭ являются:

- применение компьютерной техники для расчета различных параметров;

- теплофизические, механические, гидроаэродинамические, электротехнические расчеты;

- расчетная обработка результатов экспертных исследований;

- расчеты физических и химических процессов, происходящих при пожаре;

- пожарно-технические расчеты;

- компьютерное моделирование пожаров (интегральное, зонное и полевое).

Как указывалось нами ранее в [4], основными видами физико-химических расчетов, применяемых при проведении судебных пожарно-технических экспертиз, являются следующие расчеты: 1) концентрации газа в помещении; 2) площади растекания легковоспламеняющихся и горючих жидкостей; 3) концентрации паров при испарении легковоспламеняющихся и горючих жидкостей; 4) максимального давления взрыва газо- и паровоздушных смесей; 5) максимальной скорости нарастания давления взрыва; 6) температуры вспышки жидкостей; 7) температуры воспламенения жидкостей; 8) концентрационных и температурных пределов распространения пламени.

Методики физико-химических расчетов приведены в [5; 6].

При проведении пожарно-технических экспертиз с помощью физико-химических расчетов обычно определяется критическое значение параметров пожара (концентрационных и температурных пределов распространения пламени, температур вспышки и воспламенения). Оцениваются также фактические значения параметров (расчеты концентраций, температур). После этого производится сравнение фактических параметров с критическими. При достижении критических значений параметров пожара можно сделать вывод о возможности возникновения аварийных ситуаций. Например, в результате расчета концентрации газа в помещениях определяется его фактическая концентрация. Затем производится расчет концентрационных пределов распространения пламени для этого газа (когда концентрационные пределы для него неизвестны). В случае если фактические значения превышают критическую величину - нижний предел распространения пламени, но не превышают верхнего предела распространения пламени, можно сделать вывод о возможности взрыва газовоздушной смеси в этом помещении.

При производстве СПТЭ применяются следующие основные виды теплофизических расчетов:

- процесса теплопередачи и параметров теплопроводности;

- прогрева стенки, цилиндра;

- процесса и параметров конвективного теплообмена;

- коэффициентов теплоотдачи;

- процесса и параметров лучистого теплообмена;

- сопряженного теплообмена.

При проведении теплофизических расчетов в ходе исследования пожаров, как правило, рассчитываются температуры нагретых поверхностей или тепловых потоков от источников и сравниваются с критическими значениями температур или тепловых потоков, которые могут вызвать воспламенение материалов. Так, зная теплофизические и химические характеристики источника излучения, например топки камина, можем определить прогрев межэтажного перекрытия или поверхности конструкций за топкой камина. Сравнение фактических значений температур горючих поверхностей с критическими позволяет сделать вывод о возможности воспламенения материалов данных поверхностей.

Одной из распространенных задач при проведении пожарно-технических экспертиз является расчет значений опасных факторов пожара (температуры, видимости, теплового потока, концентраций кислорода и токсичных газов). В результате такого расчета оценивается время блокирования эвакуационных выходов и определяется необходимое время эвакуации, которое затем сравнивается с расчетным временем эвакуации.

Кроме того, часто возникает необходимость производить расчет времени эвакуации людей, а «эвакуация представляет собой процесс организованного самостоятельного движения людей наружу из помещений, в которых имеется возможность воздействия на них опасных факторов пожара. Эвакуация осуществляется по путям эвакуации через эвакуационные выходы» [1].

Расчетное время эвакуации является временем, в течение которого люди могут эвакуироваться из помещения в соответствии объемно-планировочными и организационными решениями объекта защиты. Между тем необходимое время эвакуации - это время, в течение которого люди должны эвакуироваться из помещения до наступления критических значений опасных факторов пожара, т. е. до блокирования опасными факторами пожара эвакуационных путей и выходов.

Сравнение расчетного времени эвакуации и времени блокирования эвакуационных выходов позволяет рассчитать вероятность безопасной эвакуации людей, что является одной из стадий расчета пожарного риска. Для выполнения подобных расчетов необходимо проведение компьютерного моделирования процессов, происходящих при пожаре, в результате которого определяются критические значения опасных факторов пожара в различных областях объекта.

Виды математического моделирования, применяемые в экспертизе пожаров.

Наиболее простым видом моделирования пожаров является интегральное моделирование. При его проведении принимается допущение о том, что в любой точке рассматриваемого объема значения параметров пожара являются одинаковыми, что позволяет значительно упростить расчет. Однако при проведении подобного моделирования не учитывается распределение параметров пожара в пространстве, что не позволяет полностью учитывать процессы, происходящие при пожаре. Такой метод моделирования может использоваться в самых простых случаях либо для грубой оценки параметров пожара. Примером программы для проведения интегрального моделирования могут служить Sitis VIM [7]. В настоящее время этот вид моделирования вытесняется более современными методами.

Наиболее простым видом математического моделирования, учитывающим пространственное распределение параметров пожара, является зонное моделирование. Наибольшим распространением пользуется двухзонная (трехзонная) модель пожара. В помещении выделяются две основные зоны - выше расположенная зона горячих продуктов горения при пожаре и ниже расположенная зона - воздух (в трехзонной модели добавляется конвективная колонка продуктов горения). При пожаре происходит постепенное опускание продуктов горения до тех пор, пока зона продуктов горения не вытеснит и поглотит весь исходный воздух, после чего продолжается дальнейшее накопление продуктов горения. Одной из первых программ, которые позволяли проводить зонное моделирование пожара, являлась NIST CFAST [8]. На ее основе разработаны многие зарубежные и отечественные программные средства [6]. Рассмотренный метод может применяться при расчетах пожарного риска, но он также не учитывает многие процессы, происходящие при пожаре, и ограничен объемно-планировочными решениями объекта.

Наиболее совершенным методом моделирования пожара является полевое (дифференциальное) моделирование [9; 10], в ходе которого проводится численное решение уравнений движения газов и жидкостей, тепло- и массопереноса, а также учитываются химические реакции, происходящие при пожаре. Для численного решения уравнений пожара применяется метод конечных разностей (конечных объемов) либо метод конечных элементов. Наиболее распространенным пакетом для полевого моделирования пожаров является NIST FDS [7], на основе которого разработаны многие известные программные средства, например Pyrosim [11], Fenix [12]. Вместе с тем в нашей стране также проводятся исследования в этой области, например разработано программное средство расчета пожарных рисков с применением полевого моделирования «Сигма ПБ» [13].

Полевое (дифференциальное) моделирование математического моделирования является наиболее совершенным, так как позволяет учитывать распределение всех параметров пожара в пространстве. Он подходит для расчета любых помещений, в том числе сложной геометрической конфигурации. Результаты полевого моделирования могут применяться как при расчете пожарных рисков, так и в ходе проведения пожарно-технических экспертиз.

Экспертные системы в пожарно-технической экспертизе.

В настоящее время в связи с бурным развитием электронно-вычислительной техники стали широко применяться различные экспертные системы [14]. Под экспертными системами мы будем понимать некий программный комплекс, разработанный для использования на компьютере, который обрабатывает информацию в определенной области знаний и генерирует рекомендации для решения проблем (наподобие искусственных нейронных сетей). Другими словами, экспертная система хранит информацию в определенной сфере знаний, которая была накоплена в результате деятельности человека. Обработанная информация используется при решении проблем, характерных для данной сферы деятельности. Тут следует особо отметить факт достаточно узкой специализации экспертных систем, который в первую очередь обусловлен экспоненциальной зависимостью объема информации, хранимой в рамках системы, от количества предметных областей, в которых данная система должна адекватно функционировать.

Для лучшего понимания сущности экспертных систем перечислим их основные особенности:

- производится моделирование не столько природных и механических процессов, относящихся к определенной сфере, сколько механизма работы интеллекта эксперта, который мог бы быть использован для решения проблем в конкретной сфере;

- формируются определенные умозаключения и выводы на образе тех сведений, которые хранятся в экспертной системе;

- в основном при решении проблем используются приближенные и эвристические методы, которые не всегда гарантируют успешную реализацию методик, предназначенных для решения проблем, в отличие от алгоритмических методов.

Возвращаясь к области пожарно-технической экспертизы, отметим, что для правильного ответа на поставленные вопросы эксперт должен иметь определенный уровень знаний в различных отраслях науки: химии, теплофизике, материаловедении, электротехнике и др. Таким образом, качество проведения исследований пожарно-техническим экспертом напрямую зависит от уровня его знаний в различных областях науки и техники, которыми он оперирует в своей работе. В связи с этим использование экспертной системы, являющейся по существу банком знаний с механизмом их представления, позволит эксперту повысить качество и объективность проводимых исследований.

В настоящее время целесообразно рассматривать два возможных направления развития экспертных систем в пожарно-технической экспертизе:

- как вспомогательной базы знаний с возможностью селективного поиска в требуемой предметной области, что позволит эксперту на более высоком качественном уровне аргументировать свои выводы в рамках поставленных перед ним вопросов;

- как самодостаточной экспертной системы, которая позволит на основании введенных исходных данных предложить наиболее вероятную причину возникновения пожара.

Однако создание экспертной системы, которая будет надежно воспроизводить навыки эксперта и формулировать наиболее вероятную причину возникновения пожара, является сложной задачей. Объективными причинами этого являются следующие:

- по сравнению с традиционными видами инженерных экспертиз пожарно-технический эксперт при проведении исследований сталкивается с исследованием не только конкретных объектов, но и материалов уголовных дел, что может вызывать влияние субъективных факторов при формализованном вводе данных в экспертную систему;

- при проведении СПТЭ необходимостью является использование знаний из самых различных сфер человеческой деятельности, при этом в ходе проведения аналогичной (по типу исследуемого объекта пожара) экспертизы существует большая вероятность возникновения необходимости использовать знания из других предметных областей, что делает создание такой экспертной системы чрезвычайно затруднительной даже с позиции создания банка знаний.

Анализ существующих систем, которые условно могут быть отнесены к экспертным, показывает, что наиболее простым подходом к их созданию является тот, при котором экспертная система не подготавливает самостоятельный вывод о причине возникновения пожара, а выступает в качестве «консультанта» для эксперта. Следует отметить, что существенно упрощает процесс создания экспертной системы четкое определение границ предметной области, в которых данная система может представлять адекватные данные и рекомендации.

Таким образом, на этапе формализации логических связей разрабатываемой экспертной системы необходимо четко ограничить круг возможных состояний исследуемого объекта в рамках предметной области с целью не допустить эффект «комбинаторного взрыва», когда увеличение количества возможных состояний объекта ведет к экспоненциальному росту базы знаний, которая их описывает. Этот подход является аналогом декомпозиции сложной задачи создания универсальной экспертной системы, который позволит в дальнейшем из специализированных экспертных систем «собирать» сложные экспертные системы, решающие более широкий круг вопросов.

Основными шагами, выполняемыми при создании экспертной системы, являются:

- определение границ предметной области, в рамках которой предполагается функционирование экспертной системы;

- формирование перечня рассматриваемых объектов;

- установление возможных состояний рассматриваемых объектов;

- создание и наполнение базы знаний в рамках определенной предметной области и выбранных объектов.

Так, при создании информационного комплекса для пожарно-технических экспертов [1; 15] был разработан проект экспертной системы для исследования пожаров.

Заключение

судебный пожарный экспертиза компьютерный

Использование информационных технологий и расчетных методов в судебной пожарно-технической экспертизе может повысить качество интеллектуальных видов работы и облегчить выполнение рутинных операций, что повлечет повышение качества и достоверности экспертных заключений, их доказательственного значения, сокращение сроков их выполнения.

В судебной пожарно-технической экспертизе широко применяются справочные системы, физико-химические и теплофизические расчеты, математическое моделирование пожара. Наиболее перспективным направлением математического моделирования является полевое моделирование. Планируется также разработка современных экспертных систем для исследования пожаров.

Литература

1. Чешко И. Д. Экспертиза пожаров (объекты, методы, методики исследования). СПб.: СПбИПБ, 1997. 560 с.

2. Тумановский А. А., Воронцова А. А., Крутолапов А. С. Интегрированная система информационного сопровождения деятельности судебно-экспертных учреждений Федеральной противопожарной службы МЧС России // Проблемы управления рисками в техносфере. СПб.: СПб УГПС МЧС России, 2016. С. 80-85.

3. Тумановский А. А., Чешко И. Д., Теплякова Т. Д. Автоматизированный информационно-аналитический комплекс для пожарно-технических экспертов // Крупные пожары: предупреждение и тушение: материалы XVI11 науч.-практ. конф. М.: ВНИИПО МЧС России, 2003. С. 298-300.

4. Судебная нормативная пожарно-техническая экспертиза: метод. пособие / С. П. Воронов [и др.]; под ред. И. Д. Чешко. СПб.: СПбУ ГПС МЧС России, 2014. 92 с.

5. ГОСТ Р 12.3.047-2012. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля // СГС ГОСТИНФОРМ. URL: https://gostinform.ru/razdel-oks-13-220/gost-r-12-3-047-2012-obj27510.html (дата обращения: 26.04.2019).

6. Расчет основных показателей пожаровзрывоопасности веществ и материалов: руководство. М.: ВНИИПО, 2002. 77 с.

7. Программы для пожарной безопасности. URL: www.sitis.ru (дата обращения: 26.04.2019).

8. National Institute of Standards and Technology. URL: www.nist.gov (дата обращения: 26.04.2019).

9. Моделирование пожаров и взрывов / И. Ф. Астахова [и др.]. М.: Пожнаука, 2000. 482 с.

10. Snegirev A. Yu., Tanklevski L. T. Numerical Models of Fire in Compartments // Fire-and-Explosion Hazard of Substances and Venting of Deflagrations: Proc. of the 2nd International Seminar. M.: VNIIPO, 1997. Р. 257-270.

11. Simulation Software for Science and Engineering. Manage Geometry, Specify Parameters, Deliver Results. URL: www.thunderheadeng.com (дата обращения: 26.04.2019).

12. Инженерное программное обеспечение. URL: https://mst.su (дата обращения: 26.04.2019).

13. Программа для расчета пожарного риска в зданиях сооружениях. URL: www.3ksigma.ru (дата обращения: 26.04.2019).

14. Попов Э. В. Экспертные системы: решение неформализованных задач в диалоге с ЭВМ. М.: Наука, 1987. 288 с.

15. Воронов С. П. Совершенствование методики проведения экспертизы и исследования пожаров на основе новых информационных технологий: дис. ... канд. техн. наук. М., 1997. 200 с.

References

1. Cheshko I. D. Fire Expertise (objects, methods, and research methods). Saint Petersburg: SPbIPB; 1997: 560 p.

2. Tumanovsky A. A., Vorontsova A. A., Krutolapov A. S. Integrated system of information support of forensic institutions of the Federal fire service of EMERCOM of Russia. Problems of risk management in the technosphere. Saint-Petersburg: SPb UGPS MCHS Rossii; 2016: 80-85.

3. Tumanovsky A. A., Cheshko I. D., Teplyakova T. D. Automated information- analytical complex for fire-technical experts. Materials of the XVIII scientific-practical conference: "Large fires: prevention and extinguishing". Moscow: VNIIPO MCHS Rossii; 2003: 298-300.

4. Forensic normative fire-technical examination: Methodical manual / S. P. Voronov, N. V. Petrova, S. V. Skodtaev, A. A. Tumanovsky, ed. I. D. Czech. SPb: SPb UGPS MCHS Rossii; 2014: 92 p.

5. GOST R 12.3.047-2012. Fire safety of technological processes. General requirements. Control methods. SGS GOSTINFORM. Available from: https://gostinform.ru/razdel-oks-13-220/gost-r-12-3-047-2012-obj27510.html [Accessed 26 April 2019].

6. Calculation of the main indicators of fire and explosion hazards of substances and materials: Guide. Moscow: VNIIPO; 2002: 77 p.

7. Software for fire safety. Available from: https://sitis.ru [Accessed 26 April 2019].

8. National Institute of Standards and Technology. Available from: https://nist.gov [Accessed 26 April 2019].

9. Modeling of fires and explosions / I. F. Astakhova [et al.]. Moscow: Pozhnauka; 2000: 482 p.

10. Snegirev A. Yu., Tanklevski L. T. Numerical Models of Fire in Compartments. Fire-and-Explosion Hazard of Substances and Venting of Deflagrations: Proc. of the 2nd International Seminar. Moscow: VNIIPO; 1997: 257-270.

11. Simulation Software for Science and Engineering. Manage Geometry, Specify Parameters, Deliver Results. Available from: https://thunderheadeng.com [Accessed 26 April 2019].

12. Engineering software. Available from: https://mst.su [Accessed 26 April 2019].

13. The program for the calculation of fire risk in buildings. Available from: https://3ksigma.ru [Accessed 26 April 2019].

14. Popov E. V. Expert systems: Solving of non-formalized problems in dialogue with computers. Moscow: Nauka; 1987: 288 p.

15. Voronov S. P. Improving of the methods of examination and research of fires on the basis of new information technologies: dissertation. Cand. Tech. Sci. Moscow; 1997: 200 p.

Размещено на Allbest.ru