Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ВНУТРIШНIХ СПРАВ УКРАЇНИ

АКАДЕМIЯ ПОЖЕЖНОЇ БЕЗПЕКИ УКРАЇНИ

УДК 614.8

РАННЄ ВИЯВЛЕННЯ ОСЕРЕДКІВ ЛАНДШАФТНИХ ПОЖЕЖ

ТА ПРОГНОЗ ДИНАМІКИ ЇХ РОЗПОВСЮДЖЕННЯ

Спеціальність 21.06.02 - “Пожежна безпека”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ПОКРОВСЬКИЙ РОСТИСЛАВ ЛЕОНIДОВИЧ

Харків - 2002



Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі фундаментальних дисциплін Академії пожежної безпеки України МВС України

Науковий керівник: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Комяк Валентина Михайлівна, Академія пожежної безпеки України МВС України, професор кафедри фундаменталь-них дисциплін

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Куценко Леонід Миколайович, Академія пожежної безпеки України МВС України, професор кафедри пожежної техніки

кандидат технічних наук Тищенко Олександр Михайлович, Черкаський інститут пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля МВС України, проректор з наукової роботи

Провідна установа: Український науково-дослідний інститут пожежної безпеки МВС України (м.Київ), Науково-дослідний центр №2

Захист відбудеться “__24_” _жовтня_ 2002 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 64.707.01 при Академii пожежноi безпеки України МВС України за адресою: 61023, м.Харків, вул. Чернишевського, 94

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Академiї пожежної безпеки України МВС України за адресою: 61023, м.Харків, вул. Чернишевського, 94

Автореферат розісланий 23.09.2002 року

Вчений секретар

cпеціалізованої вченої ради Кривцова В.I.



АНОТАЦІЯ

Покровський Р.Л. Раннє виявлення осередків ландшафтних пожеж та прогноз динаміки їх розповсюдження. - Рукопис.

Дисертацiя на здобуття наукового степеня кандидата технiчних наук за спецiальнiстю 21. 06. 02 - пожежна безпека. Академiя пожежної безпеки України МВС України, Харкiв, 2002. пожежа ліс авiацiйний теплолокатор

Дисертацiю присвячено питанням використання авiацiйних скануючих теплолокаторiв для iнструментального всепогодного виявлення та документування осередкiв лiсових пожеж, i тих, що прихованi пологом лiсу та торфяних, монiторингу лiсiв з метою отримання iнформацiї про просторовий розподiл вологостi горючого матерiалу i створення на основi отриманої оперативної iнформацiї методик визначення пожежної небезпеки в лiсах та прогнозування розповсюдження пожежi по терiторiї i топографiчних характеристик осередку з урахуванням впливу рельєфу мiсцевостi та вiтру.

Ключовi слова: лiсовi пожежi, лiсовi горючi матерiали, радiотеплолокацiя, власне теплове випромiнювання, НВЧ-дiапазон, прогнозування розповсюдження, математичне моделювання.



АННОТАЦИЯ

Покровский Р.Л. Раннее обнаружение очагов ландшафтных пожаров и прогноз динамики их распространения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21. 06. 02 - пожарная безопасность. Академия пожарной безопасности Украины МВД Украины, Харьков, 2002.

Диссертация посвящена вопросам использования авиационных сканирующих теплолокаторов (РТЛ) для инструментального всепогодного обнаружения и документирования очагов лесных пожаров, в том числе скрытых под пологом леса и подземных (торфяных).

Проведен анализ основных характеристик лесных горючих материалов и степени их влияния на предсказание и процесс развития лесного пожара.Анализ показал, что наибольшее влияние на динамику развития пожара оказывают влажность горючего материала, рельеф местности и скорость и направление ветра.

Исследована возможность обнаружения очагов лесных пожаров по тепловым изображениям исследуемого района, проведен анализ влияния на интенсивность излучения очага шлейфа дыма, крон деревьев для низовых пожаров и слоя почвы для торфяных для радиоволн различных диапазонов. Определен оптимальный набор длин волн многоканального теплолокатора для обнаружения низовых и подземных пожаров. Показана возможность контроля эффективности гашения и проведен анализ возможностей обнаружения остаточных очагов на выгоревших участках.

На основе проведенного анализа информационных характеристик теплолокаторов СВЧ диапазона выработаны требования к параметрам сканирующего РТЛ лесопожарного назначения, определена схема наблюдения, обеспечивающая максимальную информативность и надежность обнаружения.

Предложен мониторинг лесов с целью получения дополнительной информации о пространственном распределении влажности горючего материала и глубине залегания грунтовых вод для прогноза наступления пожароопасного периода в лесах.

Показана возможность получения по тепловым изображениям информации, касающейся ориентации очага пожара относительно водных преград, сети дорог и просек и их проходимости для техники, наличия в районе предполагаемого распространения пожара техники и строений, которые могут быть уничтожены огнем.

Предложены алгоритмы построения последовательного набора контуров выгорания леса через определенные промежутки времени с учетом действия ветра и рельефа местности для случаев точечного возгорания. Рассмотрены алгоритмы построения прогноза распространения лесного пожара для реального исходного контура, полученного РТЛ над очагом, использующие математический аппарат построения годографа вектор-функции плотного размещения и единичные контура горения.

Предложен алгоритм построения прогноза распространения пожара на территории с известным пространственным распределением влажности горючего материала и естественных преград для огня.

Ключевые слова: лесные пожары, лесные горючие материалы, радиотеплолокация, собственное тепловое излучение, СВЧ-диапазон, прогнозирование распространения, математическое моделирование.



ABSTRACT

Pokrovskiy R.L. Early detection of landscape conflagration centers and prediction of their development dynamics. - Manuscript.

A thesis on competition of engineering science candidate degree at speciality 21.06.02 - flammability control. Academy of flammability control МIA of Ukraine, Kharkov, 2002.

The thesis is devoted to the questions of utilization of aircraft scanning thermal radars for instrumental all-weather detection of the forest conflagrations centers and their mapping, including ones hidden under forest cover and underground (peat), for forest area monitoring with the purpose of obtaining information about spatial distribution of humidity of the combustible material and creation on the basis of the obtained operating information the methods of forest fire danger definition, fire distribution prediction on the territory and also topographical characteristics of the fire center accordance to the relief of the terrain and wind characteristics.

Key word: forest fires, forest combustible materials, radio thermal location, own thermal emission, microwave band, prediction of distribution, mathematical simulation.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Щорічно лісовими пожежами в Україні і в усьому світі ушкоджуються та знищуються тисячі гектарів лісів, знищуються водоохоронні, захисні та інші корисні властивості лісу, фауна, порушується планова робота лісового господарства та використання лісових ресурсів.

З 1996 р. в Україні знову введена авіаційна охорона лісів (АОЛ) від пожеж. Своєчасність введення цього виду охорони лісів навіть при загальній недостатності коштів на лісоохоронні заходи та протипожежне улаштування лісів не викликає сумнівів. Наявність великих лісових районів на території України, їх труднодоступність і малонаселеність роблять авіаційне патрулювання одним з основних джерел відомостей про виникнення лісових пожеж, а можливість оперативного реагування (гасіння осередків з повітря, доставка до місця виникнення пожежі людей та техніки) і основним засобом попередження розвитку великих лісових пожеж.

В теперішній час основним джерелом отримання інформації в системі АОЛ є візуальне спостереження або аерофотознімання. Це суттєво знижує як можливості отримання вірогідних результатів розвідки осередку пожежі, що прикритий димовим шлейфом, так і оперативність рішень по раціональному розподілу сил і засобів боротьби з полум'ям. Крім того, спостереження в оптичному діапазоні призводить до необхідності виконання польотів під нижньою крайкою хмар, що майже завжди небезпечно.

Тому створення всепогодних систем раннього виявлення осередку пожежі, які спроможні отримувати інформацію крізь хмари, туман, димовий шлейф будь-якої потужності та крони дерев є задачею надзвичайно актуальною. Ефективність таких систем може бути суттєво підвищена за рахунок доповнення бортових комплексів обробки інформації програмами побудови прогнозу розповсюдження пожежі, робота яких заснована на об'єктивних даних про район пожежі.

Створення, теоретичні та експериментальні дослідження засобів та тактичних прийомів гасіння лісових пожеж є розв'язанням конкретної наукової задачі, що становить суттєве значення для вирішення проблем підвищення техніко-економічної безпеки України і є актуальною в зв'язку з потребою зниження матеріальних витрат, технічних ресурсів та збереження лісового фонду країни.

Робота присвячена найбільш актуальним але, в той же час, найменше вивченим питанням розвідки пожежі: оперативній оцінці поточної пожежної небезпеки лісових ділянок, виявленню і документуванню осередків пожежі, незважаючи на несприятливі умови спостереження, та створенню методів побудови вірогідного прогнозу поширення пожежі по ділянкам ландшафту.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалась в межах Державної програми забезпечення пожежної безпеки України, в рамках Держбюджетної НДР України № ДР 0197U005716 на замовлення ГУДПО МВС України

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення ефективностi служб протипожежної охорони лiсiв за рахунок зниження часу виявлення, розвідки осередків ландшафтних пожеж та прогнозування динаміки їх розповсюдження на основі оперативної всепогодної iнформацiї теплолокаційних систем.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати наступні задачі:

провести аналiз природних чинникiв, що визначають динамiку розвитку лiсової пожежi;

провести аналiз ступеня впливу цих чинникiв на характеристики теплового випромiнювання природного середовища;

на основi проведеного аналiзу вибрати адекватнi моделi випромiнювання;

виходячи з обраних моделей, визначити оптимальнi параметри апаратури розвідки пожежі;

розробити пропозицiї щодо апаратурної реалiзацiї теплолокатора для служб охорони лiсiв;

розробити методики оперативної побудови прогнозу динамiки розвитку лiсової (ландшафтної) пожежi з урахуванням впливу природних факторiв;

розробити рекомендацiї щодо тактики керiвництва гасiнням пожежi з використанням оперативної iнформацiї, що отримується.

Об'єкт дослідження -осередки горішніх, низових та пiдземних лiсових пожеж.

Предмет дослідження - власне теплове випромінювання лісових масивів та осередків лісових пожеж та системи і елементи авiацiйної служби протипожежної охорони лiсiв.

Методи дослідження: для аналізу характеристик випромiнювання природного середовища та осередкiв лісових пожеж використовуються методи статистичної радiофiзики та термодинаміки, для визначення параметрiв розповсюдження лiсової пожежi та побудови прогнозу її поширення - методи математичного моделювання та геометричного проектування.

Наукова новизна одержаних результатів роботи полягає у наступному:

обгрунтовані переваги використання дистанційних теплолокаторів мікрохвильового діапазону для оперативного виявлення осередків ландшафтних пожеж та отримання даних про параметри природного середовища, що визначають динаміку їх розвитку;

вироблені критерії визначення ймовірності вірного виявлення осередків ландшафтних пожеж;

визначені оптимальні параметри апаратури розвідки пожежі;

розроблено методику побудови прогнозу положення та поточних параметрів (довжини периметру та площини) контура вигоряння з урахуванням впливу вітру;

запропоновано методику прогнозування положення контура вигоряння з урахуванням рельєфу місцевості та просторового розподілу вологості паливного матеріалу.

Практичне значення одержаних результатів. Визначені параметри апаратури, що адаптована до розв'язку задач охорони лісів. Запропоновано використання двох різних систем для розвідки осередку пожежі і засобів забезпечення боротьби з вогнем.

Створено методики та програми побудови теплових зображень, які дозволяють у реальному масштабі часу отримувати на екрані комп'ютера інформацію як про наявність і параметри осередку пожежі, так і про просторовий розподіл вологості, наявність річок, озер, багнищ, доріг і просік, будівель і т.і., що дозволить підвищити точність наведення повітряних засобів гасіння на кромку осередку, підвищити точність і безпеку десантування людей і техніки, яких перекидають до осередку по повітрю, особливо в умовах обмеженої видимості та сильного задимлення району пожежі.

Створені методики і програми побудови прогнозу динаміки розповсюдження лісової пожежі, які враховують силу і напрямок вітру, рельєф місцевості і розподіл вологості, що дозволяє оперативно приймати рішення про передислокацію людей та техніки на найбільш небезпечні напрямки, тобто раціональному розподілу сил та засобів.

Ці результати також можуть бути використані при побудові прогнозів динаміки розповсюдження шкідливих викидів у атмосферу, розтікання нафтопродуктів при аваріях танкерів і т.і.

Практичне значення роботи підтверджується впровадженням отриманих результатів у авіаційному комплексі, який створено для забезпечення задач служб Міністерства з надзвичайних ситуацій України, що засвідчено актами впровадження.

Особистий внесок здобувача. Конкретна і безпосередня участь здобувача в отриманнi наукових результатiв, що викладенi в дисертації та вiдображенi в наукових працях, полягає в аналiзi стану розробок систем моніторингу лiсових масивiв, доведення переваг теплолокацiйних засобiв над іншими системами, виробленнi вимог до складу та параметрiв апаратури монiторингу осередкiв лiсових пожеж та їх оптимiзації, розробцi iдеї, алгоритмiв та програм побудови прогнозу розповсюдження пожежi для гiрської мiсцевостi та дії нестiйкого по силi та напрямку вiтру на основi годографа вектор-функції щiльного розмiщення.

Апробація результатів дисертації. Дисертаційну роботу в цілому, а також її основні результати було доведено та обговорено на таких конференціях та семінарах: на 6-iй Мiжнароднiй конференцiї "Теорiя i технiка передачi, прийому та обробки iнформацiї" (м. Туапсе, Росiя, 2000 р.), міжнародній науково-практичній конференції "Сучаснi проблеми геометричного моделювання" (м. Харкiв, 2001 р.), V Науково-практичнiй конференцiї "Пожежна безпека - 2001" (м. Львiв, 2001 р.), наукових семiнарах Академії пожежної безпеки МВС України та Iнституту радiофiзики та електронiки НАН України (м. Харкiв, 2000, 2001 рр.).

Публікації. Результати даного дисертаційного дослідження опубліковані в 8 роботах, з яких 6 - статтi у фахових виданнях та 2 - доповідi у збірках наукових праць конференцій.

Структура й об'єм роботи. Дисертація складається зі вступу, основної частини, що складається з чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел зі 125 найменувань та додатку, в якому подано акти впровадження результатів досліджень. Всього дисертація містить 221 сторінку (з них 55 сторінок - рисунки, список використаних джерел та додатки).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі здійснено класифікацію лісових пожеж. На основі аналізу робіт Валендика Е.М., Арцибашева Є.С., Курбатського Н.П., Вонського С.М. виділено фактори, що впливають на динаміку розвитку лісової пожежі. Показано, що визначальним фактором є вологість паливного матеріалу, другим по впливу на процес горіння є рельєф місцевості та вітер. Проаналізовано підходи Теліцина Г.П., Доррера Г.А., Курбатського Н.П., Куценко Л.М. до побудови прогнозу розповсюдження пожежі. Проаналізовано інструментальні засоби розвідки осередків пожежі, що наведені в роботах Доррера Г.А., Стаканкіна Ю.П., Воробйова О.Ю. Валендика Е.М., показано, що літальні апарати, які обладнані ІЧ та радіометричною апаратурою є всепогодними і дозволяють спостерігати осередки пожеж крізь хмари і дим. Але відсутня система, яка в комплексі вирішувала б задачі виявлення та побудови прогнозу розповсюдження осередку пожежі з урахуванням реальних даних.

Виходячи з актуальності теми і проведеного аналізу по ній, сформульована задача - розробити узагальнену модель формування випромінювання лісових масивів, на базі якої визначити оптимальні параметри дистанційної апаратури виявлення осередків лісових пожеж, створити алгоритм оснащення служб системами моніторингу лісових пожеж і прогнозу динаміки їх розповсюдження по елементам ландшафту в залежності від його рельєфу, швидкості і напрямку вітру, вологості паливного матеріалу.

У другому розділі показано, що систему розвідки осередку пожежі можна розділити на три підсистеми: банк даних, розвідка пожеж і прогноз післяпожежної динаміки лісів. У роботі розглядаються питання, що пов'язані із створенням другої підсистеми, тобто оперативної оцінки поточної пожежної небезпеки лісу; виявлення і документування осередків пожеж, прогнозування поширення пожеж по елементах ландшафту з використанням обчислювальної техніки для розрахунку сил і засобів боротьби з пожежею.

Лісова пожежа є складовою частиною природного середовища, усередині якої термодинамічні параметри відрізняються від рівноважних значень у результаті зміни температури і складу навколишнього середовища внаслідок фізико-хімічних перетворень у зоні пожежі. Ці термодинамічні особливості пожежі визначають переважне використання для її діагностики теплових засобів (інфрачервоного і мікрохвильового діапазонів). При цьому радіотеплові засоби зондування мають ту перевагу, що здатні отримувати інформацію про пожежі, що поширюються під пологом лісу, знаходяться під димовим шлейфом, а також про підземні пожежі. Крім того, такі засоби здатні паралельно отримувати інформацію про геофізичні параметри природного середовища, зокрема, про просторовий розподіл вологості лісових паливних матеріалів, рівень ґрунтових вод, вологомісткість атмосфери, наявність в зоні пожежі водяних перешкод і т.ін.

Для проведення оцінок як рівнів випромінювання пожежі, так і випромінювальних характеристик природного середовища запропонована узагальнена модель випромінювання, в основу якої покладена загальноприйнята модель випромінювання шаруватого середовища.

Середовище при цьому представляється багатошаровою структурою, шарам якої привласнені наступні індекси: 0 - повітря; 1 - перехідний шар (у нашому випадку - крони дерев) з відносно малими значеннями щільності і коефіцієнта поглинання; 2 - діяльний шар ґрунту (паливний матеріал); 3 - основний шар ґрунту (рис.1). B рамках цієї моделі випромінювання середовища ( Т_Я - міра випромінювання) може бути записане у вигляді

Т_Я ( ) T₁ + T₂ + T₃ + T₄ + T₅ , (1)

де - кут спостереження, який відлічується від надира,

(2)

- випромінювання верхнього "перехідного" шару товщиною Z₁, що вийшло в повітря через границю 01;



(3)

-випромінювання верхнього шару товщиною Z₁ , яке відбите від границі між 1 і 2 шарами, ослаблене шаром 1 і виходить в повітря через границю 01 і т.д. Тут y_i - ослаблення сигналу в шарі i, R_i,i+1 - коефіцієнти відбиття на границі шарів. Основною перевагою запропонованої моделі є можливість роздільного обліку ефектів поглинання і розсіювання сигналу, характерних для проходження випромінювання через крони дерев. Для цього коефіцієнти погонного ослаблення, поглинання і розсіювання в роботі запропоновано подати у вигляді двох значень

₁^*=_П+_Р, ₁^**=_П

Тоді - загальне ослаблення сигналу, а - ослаблення за рахунок поглинання. При цьому вирази (2) і (3) приймуть вигляд

, (4)

. (5)

Розглянуті моделі дозволяють провести аналіз практично всіх ситуацій, що виникають при розв'язанні задач моніторингу природного середовища і лісової пожежі, і ранжирування геофізичних параметрів, що впливають на формування власного випромінювання осередків пожеж.

Показано, що існує залежність між інтенсивністю випромінювання і об'ємним вологомістом паливного покриву; яскрава температура паливного матеріалу не залежить від його виду, а визначається тільки його вологомістом і кількістю (товщиною шару); найбільш інформативним при дистанційному визначенні вологості є міліметровий діапазон; при похибці виміру яскравої температури T_я 3К можливе визначення вологомісту з точністю 0,2 г.дм ^-3 стосовно абсолютно сухої маси.

На вибір довжини хвилі впливає ще і спектральна чутливість системи до варіацій основних пірологічних характеристик лісових паливних матеріалів, що визначають як умови поширення пожежі по елементах ландшафту, так і саму можливість її виникнення. Одним з домінуючих параметрів є вологість паливного матеріалу. На основі цього аналізу здійснено вибір робочих довжин хвиль.

У третьому розділі розглянуто інформаційний підхід до оцінки теплових систем. У цьому підході критерієм якості системи обрана “просторова інформативність” y, обумовлена кількістю інформації, що зчитується з одиниці тілесного кута. Просторова інформативність може бути представлена:

, (6)

де S - двовимірна смуга просторових частот, що пропускаються системою, , - середнєквадратичне відхилення сигналу і шуму на виході системи. Показано, що ймовірність правильного виявлення теплового контрасту T_ц може бути визначена як :

, (7)

де L - обраний поріг, ; T_min - чутливість датчика; Ф(z) - інтеграл ймовірностей, тобто ймовірність правильного виявлення визначається радіотепловим контрастом об'єкта і чутливістю системи, тобто відношенням сигнал/шум.

Показано, що можливість виявлення вогнища визначається як параметрами датчика (чутливістю, просторовою розподільчою спроможністю), так і параметрами об'єкта (тепловим контрастом і розмірами), геометрією вимірів (дальністю до об'єкта D, кутом спостереження і наявністю на трасі розповсюдження сигналу заважаючих утворень).

Мінімальна площа вогнища, яке може бути виявлене із заданою ймовірністю визначається наступним чином:

, (8)

де ; ^-1, ^-1 - характеристики датчика; - довжина хвилі випромінювання. Звідси витікає, що зменшення довжини хвилі збільшує ймовірність виявлення вогнища. Вираз , що стоїть під знаком радикала, можна вважати просторовою інформативністю. Дослідженням функції на інтервалі кутів (0, 90) доведено наявність екстремуму - _опт 45.

Показано, що яскрава температура поверхні, що являє собою визначений набір ділянок з випромінювальними характеристиками, що розрізняються, може бути представлена як зважена сума яскравих температур, мірою ваги яких є їхня відносна площа в елементі огляду



, (9)

де Т_яi , S_i - температура і площа i-тої ділянки, відповідно.

Тому що ширина палаючої крайки в широких межах зміни розмірів вогнища залишається незмінною (для низових пожеж площею до 1 га ширина крайки складає від ₁ 1м до ₂ 0,5м), можна припустити зміну домінуючих ділянок вогнища у формуванні усередненого теплового контрасту. Це зв'язано з різною швидкістю наростання теплового контрасту осередку за рахунок внеску його прогорілої частини (Т S_кола r²) і палаючої крайки (Т S_кільця r). Так, для малих розмірів вогнища контраст буде формуватися, в основному, за рахунок випромінювання палаючої крайки (рис. 2 - криві 2 і 3), зі збільшенням же розмірів вогнища переважним у формуванні радіотеплового контрасту стане випромінювання його прогорілої частини (рис. 2 - крива 1).

У четвертому розділі здійснено моделювання та запропоновані шляхи побудови прогнозу динаміки розповсюдження лісової пожежі. Розроблені рекомендації по використанню цих результатів.

Проаналізована теплофізична модель, що зв'язує швидкість вітру, кут нахилу стінки полум'я і пірологічні характеристики паливного матеріалу. Отримано аналітичну залежність впливу нахилу стінки полум'я до поверхні паливного матеріалу на швидкість просування крайки лісової пожежі (КЛП).

, (10)

де - кут між стінкою полум'я і площиною паливного матеріалу, V₀ - швидкість вигоряння лісового паливного матеріалу.

Показана індиферентність отриманої залежності до причин, що викликають нахил стінки полум'я .

З метою визначення повної азимутальної залежності в інтервалі [0,2] проаналізовані з врахуванням (10) аналітичні залежності, які отримані Теліциним Г.П., що зв'язують швидкості просування основних тактичних частин вогнища - його фронту, флангів і тилу при відомих швидкостях вигоряння лісового паливного матеріалу V₀ та вітру V_B .

Показано, що вплив ухилу поверхні на швидкість поширення КЛП можна розглядати в рамках тих же допущень, що і вплив вітру, тобто цей вплив, в основному, виявляється через “нахил стінки полум'я”.

Як основу наближеного методу розрахунку геометричної форми контурів вигоряння лісового масиву застосовується геометричний закон горіння (ГЗГ). У рамках ГЗГ першим наближенням вибирається горіння однорідного по складу рослинного матеріалу на рівнинній місцевості в безвітряну погоду. При цьому, горіння відбувається з однаковою лінійною швидкістю V₀ у всіх напрямках, тобто лісовий масив горить рівнобіжними еквідистантними шарами, ізохрони яких являють собою концентричні кола для випадку точкового загоряння. Радіус цих кіл визначається швидкістю V₀ для даного виду і стану паливного матеріалу

, (11)

де - t - інтервал часу.

У реальних умовах лісову пожежу найчастіше вдається виявити лише через деякий проміжок часу після загоряння. До цього моменту під впливом природних факторів, крайка вигоряння являє собою замкнутий контур S₁ довільної геометричної форми. Положення точок, що належать границі зони вигоряння, знаходять за методикою, яка викладена в розділах 2, 3.

Згідно ГЗГ, геометричне моделювання динаміки крайки вигоряння в безвітряну погоду на рівнинній місцевості, зводиться до побудови геометричних фігур, що еквідистантні (рівнобіжні) S₁, відстані між границями яких визначаються по (11).

Запропоновано здійснювати моделювання динаміки розповсюдження КЛП на основі одиничних контурів горіння (ОКГ) і математичного апарату годографа вектор-функції щільного розміщення (г.ф.щ.р.). ОКГ - це прогноз розповсюдження КЛП точкового загорання за час t, а г.ф.щ.р. області S₁ і об'єкта S_i¹ - це геометричне місце положень полюса рухомого об'єкта S_i¹ при його трансляції навколо області S₁.

Проведено аналіз побудови ОКГ для випадку стабільного вітру та вплив вітру на динаміку зміни КЛП..

Для побудови ОКГ для пожежі на похилій поверхні, що характерно для гірської місцевості, яка покрита шаром ізотропного по характеристиках паливного матеріалу, проведений аналогічний аналіз можливих форм ОКГ. В даній роботі доведено, що найбільш адекватною формою КЛП для цього випадку є фігура, яка утворена теж компіляцією двох напівеліпсів, яким належать чотири точки А(0,V_фр), B(V_фл,0), C(0,-V_т) і D(-V_фл,0).

Отримані вирази для швидкості поширення тактичних частин КЛП:

; ; , (12)

де - кут нахилу поверхні, і, використовуючи (12), побудувано ОКГ для випадку поширення пожежі на похилій поверхні (рис.3).

Проаналізовано вплив ухилу місцевості на швидкість поширення пожежі і для моделювання поширення пожежі по схилу розроблено два алгоритми побудови ОКГ, один - для малих кутів , а другий - для 25.

Формально контур вигоряння через інтервал часу t (інтервал поновлення інформації) можна одержувати об'єднанням реальної області S₁ і усіх ОКГ (фігур S_i ), які побудовані для t з урахуванням впливу вітру і рельєфу. При цьому полюси об'єктів S_i (початок їхніх власних систем координат) розташовуються на контурі S₁ , а їхня орієнтація залишається сталою щодо вектора швидкості вітру) Процес об'єднання здійснюється за допомогою г.ф.щ.р. об'єктів.

В умовах нестабільного по швидкості і напрямку вітру в якості ОКГ в алгоритм прогнозу просування КЛП закладається контур, який отримується поетапною побудовою і об'єднанням прогнозу просування з урахуванням змін напрямку дії вітру. При цьому сила і напрямок вітру задаються на відрізок часу з ваговим коефіцієнтом, пропорційним ймовірності параметра. Розглянуто рівномірний (рис.5) і нормальний закони зміни напрямку вітру в діапазоні 45⁰.

Запропоновано метод побудови прогнозу поширення лісової пожежі з урахуванням впливу вітру і рельєфу для неоднорідного просторового розподілу характеристик паливного матеріалу та наявності перепон для розповсюдження полум'я.

Важливою особливістю запропонованих методів моделювання КЛП є можливість визначення найбільш небезпечного напрямку поширення пожежі, а також площі і довжини периметра КЛП на кожний наперед заданий момент часу. Їх перевагою також є можливість елементарної адаптації до змін напрямку і швидкості вітру в будь-який момент часу.

Здійснено оцінку похибок моделювання КЛП. Порівняння з розрахунками по моделі Теліцина Г.П. показало, що похибки алгоритму не перевищують похибок апроксимації ОКГ і вихідного контуру вигоряння багатокутниками. Порівняння з результатами ймовірностно-множинного моделювання свідчить про адекватність результатів, що отримуються у даній роботі в реальному масштабі часу. Порівняння з результатами Доррера Г.А., що отримуються аналітичним описом ОКГ, показали, що вони співпадають у напрямку поширення фронту, але запропонований метод дає можливість побудови прогнозу і в інших напрямках поширення пожежі. На відміну від результатів інших авторів система розвідки осередку, що пропонується, дозволяє підвищити вірогідність прогнозу за рахунок використання реальних даних про розподіл вологості.

В роботі здійснено оцінку ефективності системи раннього виявлення осередку пожежі. Показано, що запропонований метод дозволяє розширити можливості систем виявлення та розвідки осередку пожежі (виключає вплив хмарності і димового шлейфу та зменшує маскування верхівками дерев осередків низових пожеж), підвищити ефективність служб протипожежної охорони лісу за рахунок скорочення, як правило, вдвічі часу виявлення осередку, прямої візуалізації його зображення та отримання в реальному масштабі часу прогнозу динаміки його розповсюдження. Розроблено рекомендації керівнику гасіння пожежі по використанню результатів прогнозу динаміки розповсюдження пожежі для визначення тактики гасіння та визначення необхідної кількості і раціонального розміщення сил і засобів.



ВИСНОВКИ

Розв'язана важлива народно-господарча задача створення всепогодних засобів раннього виявлення ланджафтних пожеж, що дозволяє істотно скоротити час розвідки осередків за рахунок обробки і побудови прогнозу його розповсюдження в реальному масштабі часу. При цьому:

Проведений аналіз показав, що лісові пожежі є найбільш характерними представниками ландшафтних пожеж. Тому розробку загальної концепції боротьби з ландшафтними пожежами найбільш доцільно створювати на основі вивчення характеристик лісових.

Виділені найбільш важливі характеристики лісової пожежі, що визначають її пожежонебезпеку та вибір тактики її гасіння. Визначені основні природні фактори, що впливають на ймовірність виникнення і динаміку розвитку лісової пожежі.

Визначено коло приоритетних задач систем розвідки осередку пожежі та показана можливість їх вирішення за допомогою дистанційних теплових систем. Поставлена задача розробки методів та системи, які в комплексі вирішували б задачі виявлення та побудови прогнозу розповсюдження осередку пожежі з урахуванням реальних даних.

Побудована модифікована модель випромінювання середовища, що складається з кількох шарів, на основі якої визначені потрібні параметри системи розвідки осередків пожеж.

Аналіз інформативності протипожежних систем моніторингу лісу показав, що вибір їхніх оптимальних параметрів є багатокритеріальною задачею і при проектуванні конкретної системи саме її інформативність повинна бути домінуючим фактором.

Показано, що можливість виявлення осередку пожежі по тепловому полю визначається як параметрами датчика (чутливістю, просторовою розподільчою здатністю), так і параметрами осередку (тепловим контрастом та розмірами) та геометрією вимірювань (дальністю до об'єкта, кутом спостереження), а також наявністю на трасі розповсюдження заважаючих утворень.

Вперше доведено, що існує оптимальний кутовий розмір сектора сканування (кут _опт 45), який забезпечує максимальну інформативність системи. Цей висновок є загальним для всіх систем, які отримують інформацію методами сканування в наближенні геометричної оптики.

Вперше показано, що в НВЧ діапазоні тепловий контраст осередку лісової пожежі на тлі лісу, що не був зачеплений вогнем, визначається відносним внеском в випромінювання осередку його палаючої крайки та спаленої частини, який істотно залежить від геометричних розмірів осередку та умов спостереження.

Модифіковано модель розповсюдження пожежі за умов урахування додаткових параметрів (швидкість вітру, рельєф місцевості). Показана індиферентність моделі до причин, що викликають нахил стінки полум'я до поверхні паливного матеріалу, що дозволяє застосовувати отримані вирази як до прогнозування розповсюдження пожежі по місцевості зі складним рельєфом, так і для урахування впливу вітру.

Вперше розроблено метод побудови прогнозу ймовірного положення крайки вигоряння лісового масиву на будь-який наперед заданий проміжок часу з урахуванням вітрового впливу та рельєфу місцевості на основі одиничних контурів горіння і математичного апарату годографа вектор-функції щільного розміщення геометричних об'єктів.

Вперше створена методика побудови одиничних контурів горіння для випадків:

впливу сталого по силі та напрямку вітру;

для нестабільного вітру;

для довільного рельєфу місцевості.

Запропоновано метод побудови прогнозу розповсюдження пожежі на місцевості, який дозволяє враховувати просторову неоднорідність характеристик паливного матеріалу та наявність перепон для розповсюдження полум'я.

Вперше створені алгоритмічне та програмне забезпечення методу, що дозволяють автоматизувати процес побудови прогнозу розповсюдження лісової пожежі у реальному масштабі часу.

Запропонований метод дозволяє розширити можливості систем виявлення та розвідки осередку пожежі (виключає вплив хмарності і димового шлейфу та маскування верхівками дерев осередків низових пожеж), підвищити ефективність служб протипожежної охорони лісу за рахунок скорочення, як правило, вдвічі часу виявлення осередку, прямої візуалізації його зображення та отримання в реальному масштабі часу прогнозу динаміки його розповсюдження.

Практична значущість підтверджується впровадженням отриманих результатів у Центрі радіофізичного зондування Землі НАН і НКА України ім. А.І. Калмикова при створенні авіаційного комплексу, який використовується для забезпечення задач служб Міністерства з надзвичайних ситуацій України.

Експеріментальна перевірка створеного комплексу та результати впровадження дозволяють зробити висновок про коректність загальної схеми спостереження, реалізуємість параметрів апаратури та адекватність моделей, що покладені в її основу. Отримані параметри здатні забезпечити ймовірність правильного виявлення осередку площиною 10 м², що перевищує 0,9, при ймовірності хибної тривоги - 10^-5. Порівняння результатів побудови прогнозу динаміки розповсюдження з результатами інших авторів показало, що помилки не перевищують похибок апроксимації контура осередку при більше, ніж на порядок, вищій швидкодії.

Методики та програми побудови теплових зображень осередків лісових пожеж та прогнозу динаміки їх розповсюдження, що створені, можуть бути використані і в інших предметних областях, наприклад, при дослідженнях динаміки розтікання нафтопродуктів по водній поверхні при аваріях або розповсюдження шкідливих викидів до атмосфери і т.і.



ПУБЛІКАЦІЇЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇЇ

Алгоритмы размещения плоских геометрических объектов в задачах прогноза распространения лесного пожара. / В.А. Комяк, В.М. Комяк, Р.Л. Покровский и др. // Проблемы пожарной безопасности: Сб. научн. тр.- Харьков: ХИПБ, 1999. - Вып. 6. - С. 76 - 84.

Покровский Р.Л., Комяк В.А., Набока В.А. Информативность радиотепловых систем мониторинга ландшафтных пожаров. // Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. - Харьков.: Фолио, 2000. - Спецвыпуск. -С. 3 - 7.

Комяк В.А., Покровский Р.Л., Набока В.А. Радиотепловые характеристики очагов лесных пожаров. // Проблемы пожарной безопасности: Сб. научн. тр.- Харьков: АО “Фолио”, 2000.- Вып. 8- С. 78 - 82.

Комяк В.А., Покровский Р.Л. Геометрическое моделирование в прогнозах динамики развития лесного пожара для неоднородного слоя. // Проблемы пожарной безопасности: Сб. научн. тр.- Харьков: АО “Фолио”, 2001. - Вып. 10. - С. 77 - 80.

Говаленков С.В., Комяк В.А., Комяк В.М, Покровский Р.Л. Алгоритм принятия решений руководителем тушения лесных пожаров. // Проблемы пожарной безопасности: Сб. научн. тр.- Харьков: АО “Фолио”, 2002.-Вып. 11. - С. 59-61.

Комяк В.А., Покровский Р.Л. Использование информации авиационных систем радиотеплолокации в тактике тушения лесных пожаров. // Труды 6-ой Международной конф. "Теория и техника передачи, приема и обработки информации". - Харьков.: ХТУРЭ, 2000. - С. 417 - 418.

Покровський Р.Л., Комяк В.О. Геометричне проектування у задачах прогнозування поширення лiсових пожеж у гiрськiй мiсцевостi. // Зб. наук. праць "Пожежна безпека - 2001". - Львiв: Сполом, 2001. - С. 315 - 317.

Покровский Р.Л., Комяк В.А. Геометрическое моделирование динамики лесного пожара при нестабильных параметрах ветра. // Зб. праць мiжн. наук.-практ. конф. "Сучаснi проблеми геометричного моделювання":- Харкiв: ХДАТ та ОХ, 2001. - С. 138 - 140.

Размещено на Allbest.ru

...