Розміщення пожежонебезпечних об’єктів з урахуванням впливу небезпечних чинників пожежі на навколишнє середовище

Размещено на http://www.allbest.ru/

АКАДЕМІЯ ЦИВІЛЬНОГО ЗАХИСТУ УКРАЇНИ

21.06.02 - Пожежна безпека

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

УДК 614.8

Автореферат

РОЗМІЩЕННЯ ПОЖЕЖОНЕБЕЗПЕЧНИХ ОБ'ЄКТІВ З УРАХУВАННЯМ ВПЛИВУ НЕБЕЗПЕЧНИХ ЧИННИКІВ ПОЖЕЖІ НА НАВКОЛИШНЄ СЕРЕДОВИЩЕ

МОРЩ ЄВГЕН ВОЛОДИМИРОВИЧ

Харків - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Академії цивільного захисту України МНС України, Харків

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент Чуб Ігор Андрійович, Академія цивільного захисту України МНС України, вчений секретар.

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор Комяк Валентина Михайлівна, Академія цивільного захисту України МНС України, професор кафедри фізико-математичних дисциплін;

- кандидат технічних наук, доцент Бортнічук Павло Михайлович, Харківський національний університет внутрішніх справ МВС України, доцент кафедри тактико-спеціальної підготовки.

Провідна установа: - Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, кафедра безпеки життєдіяльності та інженерної екології, Міністерство освіти і науки України, м. Харків

Захист відбудеться “ 02 ” лютого 2006 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.707.01 в Академії цивільного захисту України за адресою: вул. Чернишевського, 94, м. Харків, 61023.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Академії цивільного захисту України за адресою: вул. Чернишевського, 94, м. Харків, 61023.

Автореферат розісланий “ 29 ” грудня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.І. Кривцова

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Серед пріоритетних напрямків соціально-економічної політики України виділена необхідність посилення екологічної безпеки. Одним з важливих факторів, що приводять до ускладнення екологічної обстановки в Україні і світі, є пожежі і техногенні катастрофи, що супроводжуються пожежами. На сьогоднішній день у країні відсутня затверджена методика оцінки впливу на навколишнє середовище небезпечних чинників можливої пожежі, хоча необхідність подібних прогнозів закладена в ряді нормативно-правових документів. Згідно ДБН А.2.2-1-2003 у складі проектної документації на нове будівництво, розширення, реконструкцію і технічне переоснащення повинні бути матеріали оцінки впливу на навколишнє середовище, у тому числі визначення переліку можливих екологічно небезпечних впливів і зон впливів діяльності, що планується, на навколишнє середовище по варіантах розміщення. Закон України “Про об'єкти підвищеної небезпеки” і ДНАОП 0.00-4.33-99 також вимагають прогнозу можливих аварій на об'єктах, що супроводжуються загоряннями (пожежами), що можуть привести до негативного впливу на навколишнє середовище. Серед першочергових задач виділяються: вивчення особливостей негативного впливу пожеж на навколишнє середовище, побудову математичної моделі для кількісної оцінки цього впливу при забрудненні навколишнього середовища аерозольними продуктами горіння і розробку методів зниження цього впливу, зокрема методів оптимального розміщення пожежонебезпечних об'єктів. Тому розробка математичної моделі і методу рішення задачі оптимізації розміщення пожежонебезпечних об'єктів з урахуванням впливу небезпечних факторів можливої пожежі на навколишнє середовище і кліматичні умови в області розміщення є актуальною науковою задачею.

Дослідженню різних аспектів даного класу задач у науковій літературі присвячене значне число робіт, серед яких необхідно згадати праці Н. Н. Брушлинского, Д. Драздейла, М.Е. Берлянда, О. Сеттона, М.Я. Ройтмана, І.А. Шеренкова, А.Н. Баратова, Н.П. Копылова, В.Л. Рвачева, Ю.Г. Стояна, В.П. Путятина, В.М. Комяк, І.А. Чуба й інших вчених.

Роботи цих і інших авторів створили передумови подальшого розвитку теорії і методів розв'язання задач оптимального розміщення пожежонебезпечних об'єктів з урахуванням впливу на навколишнє середовище небезпечних чинників можливої пожежі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася на кафедрі інформаційних технологій і систем управління Академії цивільного захисту України з 2001р. по 2005р. у рамках науково-дослідних робіт з тем: “Аналіз і моделювання впливу пожежі на навколишнє середовище” (№ ГР 0103U007504), “Розміщення в густонаселеному районі об'єктів техногенної небезпеки з урахуванням впливу наслідків можливої надзвичайної ситуації” (№ ГР 0105U002321).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є оцінка рівня забруднення аерозольними викидами пожежі визначеної області та його зниження шляхом оптимізації розміщення пожежонебезпечних об'єктів.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні задачі:

- визначення та аналіз особливостей пожежі на заключній стадії її розвитку як джерела забруднення навколишнього середовища і виділення значимих факторів, що суттєво впливають на рівень забруднення;

- розробка математичної моделі впливу небезпечних чинників пожежі на навколишнє середовище на основі розв'язання задачі параметризації концентраційного поля аерозольних продуктів горіння;

- розробка математичної моделі оптимизаційної задачі розміщення пожежонебезпечних об'єктів і дослідження особливостей цільової функції і системи обмежень;

- розробка методу та алгоритму оптимального розміщення пожежонебезпечних об'єктів у межах заданої області з урахуванням параметрів можливої пожежі і кліматичних умов в області розміщення;

- застосування розроблених моделей і алгоритмів для розв'язання задачі оптимізації розміщення пожежонебезпечних об'єктів на етапі реконструкції промислових підприємств.

Об'єкт дослідження - пожежа як джерело забруднення навколишнього середовища аерозольними продуктами горіння.

Предмет дослідження - математичні моделі і методи оптимального розміщення пожежонебезпечних об'єктів з урахуванням впливу на навколишнє середовище небезпечних чинників можливої пожежі та кліматичних умов.

Методи дослідження. При побудові й аналізі моделі основної оптимізаційної задачі в роботі використана методологія математичного моделювання складних систем і геометричного проектування. Розробка математичної моделі впливу небезпечних факторів пожежі на навколишнє середовище проведена з використанням методів турбулентної дифузії забруднюючих домішок. При розв'язанні задачі розміщення використані чисельні методи лінійного і нелінійного програмування, оптимізаційні методи геометричного проектування.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- уперше виділені параметри пожежі на заключній стадії її розвитку, що визначають рівень забруднення навколишнього середовища аерозольними продуктами горіння;

- уперше вирішена задача параметризації концентраційного поля аерозольних продуктів горіння в залежності від характеристик пожежі і геокліматичних умов;

- уперше розроблена математична модель оптимізаційної задачі розміщення пожежонебезпечних об'єктів, визначені конструктивні особливості цільової функції і системи обмежень задачі;

- одержали подальший розвиток метод і алгоритм оптимізації розміщення джерел фізичних полів стосовно задачі розміщення пожежонебезпечних об'єктів з урахуванням параметрів можливої пожежі і кліматичних умов в області розміщення.

Практичне значення отриманих результатів:

- можливість прогностичної кількісної оцінки рівня забруднення навколишнього середовища аерозольними продуктами горіння можливої пожежі;

- можливість автоматизованого визначення оптимального розміщення пожежонебезпечних об'єктів у заданій області з урахуванням впливу небезпечних факторів можливої пожежі і кліматичних характеристик області розміщення;

- можливість використання розроблених моделей, методів і алгоритмів науково-дослідними, проектно-конструкторськими організаціями для оптимального розміщення пожежонебезпечних об'єктів на етапах побудови генеральних планів підприємств або планів їх реконструкції.

- можливість використання результатів роботи в навчальному процесі.

Результати досліджень застосовані:

- у проектній організації ТОВ “Фірма "ІНЖСЕРВІСПРОЕКТ"” (м. Запоріжжя) для визначення місця розміщення спиртосховища при реконструкції хлібозаводу № 2 (м. Запоріжжя) під ділянку по виробництву медичних настойок ТОВ "ПАНАЦЕЯ";

- у департаменті капітального будівництва ЗАТ “ЗАЗ” для визначення місця розміщення АЗС при реконструкції підприємства ЗАТ “ЗАЗ”;

- у навчальному процесі Академії цивільного захисту України при викладанні дисциплін "Пожежна профілактика в населених пунктах", "Основи математичного моделювання".

Особистий внесок автора. Дисертація є самостійною науково-дослідною роботою. У публікаціях, написаних у співавторстві, авторові належать: у [1] побудова математичної моделі впливу пожежі на навколишнє середовище; у [2] виділення й аналіз екологічно небезпечних чинників пожежі; у [3] постановка задачі параметризації концентраційного поля аерозольних викидів пожежі; у [4] розробка схеми експерименту для дослідження поширення аерозольних викидів пожежі, теоретичний розрахунок висоти початкового підйому продуктів горіння; у [5] постановка задачі моделювання розміщення пожежонебезпечних об'єктів з урахуванням небезпечних чинників можливої пожежі; у [6] метод раціонального розміщення пожежонебезпечних об'єктів, що дозволяє мінімізувати рівень забруднення екологічно значущих зон аерозольними викидами пожежі; у [8] виділення основних параметрів пожежі, що визначають характер і масштаб його негативного впливу на навколишнє середовище; у [9] аналіз основних чинників, що визначають висоту підйому аерозольних викидів пожежі в атмосфері; у [10] розробка математичної моделі впливу пожежі на навколишнє середовище; у [12] постановка основної оптимізаційної задачі моделювання виробничої системи з урахуванням негативних чинників впливу можливої пожежі; у [13] постановка задачі проектування виробничої системи з урахуванням негативного впливу можливої пожежі; у [14] постановка експерименту для дослідження залежності висоти полум'я і висоти початкового підйому аерозольних продуктів горіння від швидкості вітру.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи доповідалися й обговорювалися у рамках: Міжнародної науково-практичної конференції “Проблеми пожежної безпеки. Ліквідація аварій і їхніх наслідків”, м. Донецьк, 24-25 грудня 2002; VI Міжнародної науково-практичної конференції “Пожежна безпека-2003”, м. Харків, АПБУ, 2003; 58-й, 59-й науково-технічних конференціях ХДТУБА, м. Харків, 2003, 2004; 18 науково-практичної конференції з питань боротьби з пожежами “Зниження ризику загибелі людей при пожежах”, Росія, м. Балашиха, ВНИИПО, 2003; науково-практичної конференції “Технічні засоби для профілактики надзвичайних ситуацій і ліквідації їх наслідків”, Харків, АЦЗУ, 19 березня 2004; міжнародної науково-технічної конференції “Наглядово-профілактична діяльність у МНС України”, Харків, АЦЗУ, 26 березня 2004; науково-технічної конференції “Шляхи автоматизації, інформатизації та комп'ютеризації діяльності МНС України”, Харків: АЦЗУ, 26 травня 2004; VI Всеукраїнської науково-практичної конференції рятувальників “Актуальні проблеми цивільного захисту”, Київ, 27-28 жовтня 2004; VI Міжнародної науково-технічної конференції “Проблеми інформатики і моделювання”, Харків, НТУ “ХПИ”, 25-27 листопаду 2004; ІІ Міжнародної науково-технічної конференції “Шляхи автоматизації, інформатизації і комп'ютеризації діяльності МЧС України”, Харків, АЦЗУ, 18 травня 2005; засіданнях науково-технічного семінару Академії цивільного захисту України, 2002 - 2005.

Публікації. Основні наукові положення дисертації опубліковані в 16 роботах, серед яких 7 статей у наукових журналах, включених до переліку ВАК, 9 тез доповідей на міжнародних і національних наукових конференціях.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, переліку використаних джерел (133 найменування на 13 стор.) і 2-х додатків. Повний обсяг дисертації 161 стор., у тому числі 132 стор. основного тексту, 26 рисунків, 12 таблиць.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ містить обґрунтування актуальності теми дисертаційної роботи, її основну мету, задачі дослідження, отримані наукові результати, що виносяться на захист, зв'язок з науковими програмами, наукову новизну і практичне значення роботи.

Перший розділ дисертації присвячено систематичному аналізу підходів до математичного моделювання задачі оптимізації розміщення пожежонебезпечних об'єктів, які є у випадку виникнення пожежі джерелами викидів аерозольних забруднень в атмосферу, з урахуванням характеристик можливої пожежі і геокліматичних факторів.

Основні роботи в області дослідження пожеж і їх соціальних, економічних, екологічних наслідків належать Н. Н. Брушлинскому, А.Я. Корольченко, В.И. Осипову, А.К. Микееву, А.Н. Баратову, Л.К. Ісаєвій і іншим вченим.

Математичному моделюванню фізичних процесів, що відбуваються при горінні, і дослідженню характеристик пожежі в залежності від виду пальної речовини, умов горіння і параметрів зовнішнього середовища для різних типів пожеж присвячені роботи Д. Драздейла, В.І. Блинова і Г.Н. Худякова, A.K. Hall, P.L. Hinkley, М.Я. Ройтмана, Н.П. Копилова.

Питання математичного моделювання процесів масопереноса і дифузії забруднюючих домішок в атмосфері розглядалися в роботах М.Є. Берлянда, О. Сеттона, О.С. Моніна, Г.І. Марчука, Н.Л. Бизової і ін.

Оптимізаційна задача розміщення джерел фізичних полів, у тому числі концентраційних полів забруднюючих викидів пожежі, близька до класу задач компоновочного синтезу технічних систем з розподіленими параметрами, великий внесок у розв'язання яких внесли В.Л. Рвачов, Ю.Г. Стоян, В.П. Путятін. Методологічною базою розв'язання задач компоновочного синтезу технічних систем з розподіленими параметрами служить теорія оптимізаційного геометричного проектування, яка розвинена в роботах С.В.Яковлева, М.І. Гіля, В.М. Комяк, І.А.Чуба.

У першому розділі також обґрунтовано обраний напрямок дослідження.

Аналіз розглянутих літературних джерел дозволяє зробити висновок про те, що, незважаючи на потребу кількісної оцінки рівня забруднення навколишнього середовища аерозольними продуктами горіння можливої пожежі, а також методів зниження впливу небезпечних чинників пожежі, конструктивний апарат рішення даної проблеми в цілому не розроблений.

В другому розділі здійснена постановка основної оптимізаційної задачі розміщення в заданій області R3 з можливими зонами заборони Кj (j=1,2,...,J), рівень забруднення в яких жорстко регламентується, N пожежонебезпечних об'єктів Si, що у випадку виникнення пожежі є джерелами забруднення навколишнього середовища. Вони викидають в атмосферу на висоту Нi з інтенсивністю Мi аерозольні продукти горіння, i=1,2,...,N. Розміщення здійснюється з урахуванням геокліматичних факторів (напряму і сили вітру) в області. Розміщення об'єктів Si допускається в деякій підобласті області :

= ( \ ), (1)

де * = , (2)

= , (3)

j=1,2,...,J. (4)

Місце розташування множини N об'єктів Si в області визначається вектором Z параметрів розміщення Z = (х1,у1, х2,у2,..., х,у), ZR2N.

Кількісною характеристикою забруднення області продуктами горіння є їхня концентрація в точках даної області:

с = C(x, y, z, t, Z, G, Q), (5)

де Z - вектор параметрів розміщення джерел забруднення (пожежі); G = {g1,g2, …,gk} - вектор фізичних параметрів пожежі; Q = {q1, q2, …, qr} - вектор параметрів, що характеризують природно-кліматичні умови в області .

У даній роботі не досліджується вплив на навколишнє середовище пожеж, що поширюються на великі площі. Розміри пожежі малі в порівнянні з відстанями, на яких досліджується створюване їм концентраційне поле, тому вона вважається точковим джерелом викидів. Крім того пожежа розглядається на заключній стадії її розвитку, коли інтенсивність викидів продуктів горіння М=const, a концентрація продуктів горіння в атмосфері відповідає сталому значенню (стаціонарний режим). У цьому випадку концентрація продуктів горіння не залежить від часу. Крім того, розглядається концентрація продуктів горіння на земній поверхні або в двометровому приземному шарі атмосфери, тому можна вважати, що вона не залежить від z:

с = C(x, y, Z, G, Q), (6)

На розміщення об'єктів Si (i=1,2,..., N) в області і результуюче концентраційне поле накладається система обмежень, що включає геометричні обмеження: умови, що визначають взаємне розміщення об'єктів Si і Sj (i, j=1,2,..., N, ij), умови, що визначають взаємне розміщення об'єктів Si (i=1,2,..., N) і областей заборони Кj (j=1,2,...,J); умови, що визначають належність об'єктів Si (i=1,2,..., N) області розміщення , а також фізичні обмеження, що накладаються на характер і величину результуючого концентраційного поля. Система обмежень виділяє з простору R2N параметрів розміщення пожежонебезпечних об'єктів (вектор Z) деяку підобласть W можливих розміщень.

Тоді основну оптимізаційну задачу розміщення пожежонебезпечних об'єктів у заданій області з урахуванням впливу на навколишнє середовище можливої пожежі можна сформулювати в такий спосіб:

Необхідно в області знайти таке положення пожежонебезпечних об'єктів Si (i=1,2,..., N), щоб рівень забруднення в зонах заборони Кj (j=1,2,...,J) не перевищував заданого рівня, і сумарна концентрація аерозольних викидів пожежі (продуктів горіння) у випадку його виникнення на границі Г області була мінімальною:

min max C (x, y, Z, G, Q). (7)

Z W (x,y) Г (8)

Формалізація геометричних обмежень проведена з використанням апарата Ф-функцій Стоян Ю.Г., Яковлев С.В. Математические модели и оптимизационные методы геометрического проектирования. - К.: Наук. думка, 1986. - 267 с..

В другому розділі також досліджені особливості пожежі як джерела забруднення навколишнього середовища викидами аерозолю. До них відносяться:

виділення великої кількості різноманітних продуктів горіння і теплової деструкції, як газоподібних, так і аерозольних. При цьому більшість продуктів горіння мають підвищену токсичність, що робить їх надзвичайно небезпечними джерелами забруднення;

висока температура, що часто перевищує 10000С. У результаті спостерігається велика різниця між температурою середовища і температурою продуктів горіння, що забруднюють навколишнє середовище;

наявність сильних конвективних потоків, що піднімають продукти горіння на висоту до декількох сотень метрів. Потім продукти горіння адвективно переносяться вітром на значні відстані, забруднюючи приземні шари атмосфери і поверхню, що підстилає, на великій площі;

час впливу на навколишнє середовище в більшості не перевищує декількох десятків годин.

Незважаючи на відзначені особливості, для опису процесу впливу пожежі на навколишнє середовище можна скористатися відомими методами прогнозу забруднення. Проведено аналіз двох основних класів математичних моделей поширення аерозольних домішок в атмосфері. Перший клас включає інтерполяційні моделі гаусовського типу, моделі другого класу використовують рівняння турбулентної дифузії, розв'язання якого для випадків легкої, важкої і полідисперсної домішки покладено в основу дослідження.

В другому розділі також здійснено моделювання форми зони можливого забруднення земної поверхні викидами пожежі. Приймається, що форма області забруднення є восьмикутником, кожна з вершин якого відповідає одному з напрямів частин світу. Границя отриманого восьмикутника - це лінія, у кожній точці якої досягається максимальна концентрація домішки в даному напрямі. Показано, що така побудова області забруднення гарантує, що за її межами концентрація домішки буде менше, ніж на границі.

У третьому розділі виділені основні характеристики (небезпечні фактори) пожежі, що визначають його вплив на навколишнє середовище. Показано, що до них відносяться геометричні і теплофізичні параметри пожежі, характеристики продуктів горіння. Небезпечні фактори пожежі залежать, у свою чергу, від її параметрів G(g1, g2,…,gk). Ці параметри мають різну природу та об'єднані в групи: геометричні параметри пожежі; теплофізичні параметри пожежі; характеристики продуктів горіння. На формування кількісних значень параметрів пожежі G(g1, g2,…,gk) впливають такі величини: характеристики пожежного навантаження; природно-кліматичні умови в області; умови газообміну.

У третьому розділі виконана параметризація концентраційного поля с(x, y, Z, G, Q) аерозольних викидів пожежі, для чого визначено явний вид функціональної залежності концентрації забруднюючих домішок у приземному шарі атмосфери і на поверхні, що підстилає, від фізичних параметрів пожежі і кліматичних характеристик області ?. Основними параметрами, що визначають розподіл с(x, y, Z, G, Q), є інтенсивність викиду М и висота підйому продуктів горіння Н.

У роботі отримана функціональна залежність інтенсивності M від площі пожежі SГОР, швидкості горіння vl, щільності пальної речовини ГВ і коефіцієнта , що характеризує вихід аерозольних продуктів горіння:

M = vl ГВ SГОР, (9)

Висота підйому продуктів горіння Н має вигляд:

H = h1 + h2 + h3, (10)

де h1 - висота області горіння над поверхнею землі; h2 - висота полум'я; h3 - висота конвективного факелу пожежі. Значення h1 є відомим.

У роботі отриманий явний вид функціональної залежності висоти полум'я пожежі h2 від його фізичних і геометричних параметрів, а також характеристик пальної речовини. Без врахування швидкості вітру або при невисокій його швидкості, що не перевищує деяке граничне значення u0, висота полум'я визначається за формулою

, (11)

де D ? розмір пожежі, м; QC ? питома теплота згоряння пальної речовини, Дж/кг; Q/ ? інтенсивність тепловиділення пожежі, Дж/с; - коефіцієнт, що враховує неповноту згоряння пальної речовини, 1.

Для швидкості вітру u, більшу за граничну, у роботі отримана формула

, (12)

Граничне значення швидкості вітру u0 визначається за формулою, що запропонована у роботі:

, (13)

На рис. 1 наведені залежності висоти полум'я від діаметра резервуара з пальною речовиною при відсутності вітру.

Рис. 1 - Залежність висоти полум'я від діаметра резервуара з пальною речовиною при відсутності вітру.

Висота конвективного факелу h3 визначається за формулою, що запропонована у роботі:

, (14)

де b1 і b2 - коефіцієнти, що залежать від швидкості вітру.

На рис. 2 подані залежності h3 від діаметру резервуару і швидкості вітру.

За отриманими формулами у роботі були проведені чисельні дослідження математичної моделі впливу пожежі на навколишнє середовище, для чого розраховані концентраційні поля аерозольних викидів пожеж при горінні ряду речовин і різних кліматичних умов.



Рис. 2 - Залежність висоти конвективного факелу при горінні мазуту від діаметру резервуару та швидкості вітру

У третьому розділі приведені результати експериментальної перевірки адекватності отриманих залежностей, для чого були виконані експериментальні дослідження висоти полум'я і висоти початкового підйому аерозольних продуктів горіння від швидкості вітру під час пожежно-тактичних навчань Академії цивільного захисту України 29 квітня 2004 р. пожежонебезпечний аерозольний викид вогонь

Дослідження проводилися при горінні резервуара з мазутом діаметром D = 6м і висотою h1 = 8м. Висоти полум'я і конвективного факелу пожежі визначалися за допомогою теодоліта типу 2Т30П. Швидкість вітру на рівні землі (на висоті 1м) визначалася чашковим анемометром типу МС-13 (анемометр ручний чашковий з рахунковим механізмом). Швидкість вітру на висоті флюгера (приблизно 10м над рівнем поверхні) визначалася по швидкості руху вимірювальних зондів - повітряних куль.

Графічна інтерпретація експериментальних даних наведено на рис. 3.

Аналіз графічних залежностей показує добру відповідність теоретичних кривих експериментальним даним. Найбільша розбіжність не перевищує 14%...15% при швидкості вітру в діапазоні від 1м/с до 8м/с, яка є найбільш ймовірною в більшості рівнинних областей України.

У четвертому розділі розроблена математична модель основної оптимізаційної задачі (1) розміщення пожежонебезпечних об'єктів у заданій області з урахуванням геометричних і фізичних обмежень, а також запропонований метод її рішення та його алгоритмічна реалізація.

У силу складності оптимізаційної задачі неможливе одержання точного рішення. Тому в роботі запропонований метод пошуку наближених рішень задачі (1) і їхній перебір з визначеннм наближеного мінімуму функції мети.

Пропонований метод рішення оптимізаційної задачі (1) з урахуванням системи обмежень складається з наступних етапів:

1. Визначення початкового варіанта розміщення пожежонебезпечних об'єктів Si (i=1,2,..., N).

2. Пошук вектора Z*, що відповідає локальному мінімумові функції мети F (x,y, Z, G, Q) = max C (x, y, Z, G, Q).

(x,y)Г

3. Перебір локальних мінімумів.

Для визначення початкового варіанта розміщення пожежонебезпечних об'єктів у роботі запропонований метод, заснований на схемі послідовно-одиночного розміщення. Застосування способу послідовно-одиночного розміщення звільняє від необхідності одночасної перевірки виконання всіх умов попарного взаємного неперетинання джерел.

Для пошуку мінімуму функції мети F (x, y, Z, G, Q) у роботі використовується схема методу мінімізації по групах перемінних з пошуком напрямку переміщення об'єкта за допомогою градієнтного методу. Перемінні являють собою координати полюса пожежонебезпечного об'єкта Si, що розміщується, і зв'язаної з ним зони забруднення Рi (i=1, 2,…, N)... Схему алгоритму методу наведено на рис. 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3 - Схема алгоритму методу пошуку мінімуму F(x,y, Z, G, Q)

У схемі використовуються наступні позначення: р - номер ітерації, кожна ітерація складається з N кроків, де N - число розташовуваних об'єктів; - параметри розміщення об'єкта Рк на р-ої ітерації; - вектор координат полюсів об'єктів на р-ої ітерації; - градієнт функції F (x, y, Z, G, Q) по параметрах розміщення об'єкта Рi на р-ої ітерації; - крок зміщення об'єкту в напрямку антиградієнта функції F (x, y, Z, G, Q).

Вибір такого методу рішення, що є модифікацією методу Гаусса-Зейделя, обумовлений особливостями даної задачі і дозволяє одержати досить добре наближення до локального мінімуму за прийнятний час. Мінімізація в просторі розмірності 2N заміняється N-кратною мінімізацією в двомірних просторах параметрів розміщення об'єктів Рк (к=1, 2, …, N), що дозволило скоротити кількість громіздких обчислень за рахунок зниження розмірності і зменшення числа обмежувальних умов на кожнім кроці оптимізації. Відзначені особливості вигідно відрізняють запропонований алгоритм рішення задачі від традиційних методів.

У силу того, що значення локального мінімуму функції мети залежить від вектора початкового розміщення об'єктів Z0, у процесі пошуку рішення основної оптимізаційної задачі (1) здійснювався перебір локальних мінімумів. У процесі перебору знаходилося найкраще (мінімальне) значення функції мети і вектор Z* координат полюсів пожежонебезпечних об'єктів Si (і їхніх зон забруднення Рi,) i=1,2,…,N, який відповідав мінімальному забрудненню викидами пожеж на границі Г області розміщення .

У п'ятому розділі наведені результати практичного застосування методу раціонального розміщення пожежонебезпечних об'єктів при побудові планів реконструкції промислових підприємств. Вирішено наступні задачі:

· оптимального розміщення спиртосховища при реконструкції хлібозаводу №2 (м. Запоріжжя, вул. Волзька, 24) під ділянку по виробництву медичних настойок;

· оптимального розміщення автозаправної станції на території ЗАТ “ЗАЗ” (м. Запоріжжя) на етапі його реконструкції.

Підприємства, у яких розміщаються пожежонебезпечні об'єкти, розташовані в густонаселених міських районах.

ВИСНОВКИ

У дисертації приведені теоретичне обґрунтування і нове рішення наукової задачі, що складається з розробки математичної моделі і методу рішення задачі раціонального розміщення пожежонебезпечних об'єктів з урахуванням впливу небезпечних чинників можливої пожежі на навколишнє середовище і кліматичних умов в області розміщення. По роботі й отриманих результатах зроблені наступні висновки.

1. Обґрунтовано актуальність рішення задачі оцінки рівня забруднення аерозольними викидами можливої пожежі заданої області і його зниження шляхом оптимізації розміщення пожежонебезпечних об'єктів. Необхідність подібних прогнозів закладена в ряді нормативно-правових документів.

2. Здійснено постановку й аналіз особливостей основної оптимізаційної задачі розміщення в заданій області пожежонебезпечних об'єктів, що у випадку виникнення пожежі є джерелами забруднення навколишнього середовища аерозольними викидами. Досліджено систему обмежень основної оптимізаційної задачі. Проведено формалізацію геометричних обмежень з використанням апарата Ф-функцій.

3. Проаналізовано особливості пожежі як джерела забруднення навколишнього середовища аерозольними викидами. Показано, що викиди пожеж можна характеризувати як періодичні, високотемпературні і локальні, що надходять у навколишнє середовище у вигляді конвективних потоків.

4. Проведено моделювання можливої форми зони забруднення земної поверхні викидами пожежі. Показано, що можлива зона забруднення моделюється восьмикутником, кожна з вершин якого відповідає одному з напрямків частин світу. Розрахунок ліній рівних концентрацій виконується з урахуванням середньорічного значення швидкості вітру по кожному з напрямків.

5. Побудовано математичну модель впливу пожежі на навколишнє середовище, для чого проведена її структурна ідентифікація і проаналізовані її параметри. Показано, що основними параметрами моделі є інтенсивність викиду продуктів горіння и висота початкового підйому продуктів горіння.

6. Виконано параметризацію концентраційного поля аерозольних викидів пожежі в заданій області, для чого визначений явний вид функціональної залежності концентрації забруднюючих домішок у приземному шарі атмосфери і на поверхні, що підстилає, від фізичних параметрів пожежі і кліматичних характеристик області.

7. Запропоновано метод рішення основної оптимізаційної задачі розміщення пожежонебезпечних об'єктів у заданій області з урахуванням впливу небезпечних факторів можливої пожежі і кліматичних умов.

8. Розроблено методику раціонального розміщення пожежонебезпечних об'єктів при побудові генеральних планів промислових підприємств або планів їхньої реконструкції. Проведено чисельне дослідження задач оптимізації розміщення пожежонебезпечних об'єктів у заданих областях з урахуванням впливу на навколишнє середовище небезпечних чинників можливої пожежі.

9. Вирішено задачі раціонального розміщення спиртосховища при реконструкції хлібозаводу №2 м. Запоріжжя під ділянку по виробництву медичних настойок і раціонального розміщення автозаправної станції на території ЗАТ “ЗАЗ” м. Запоріжжя на етапі його реконструкції. Підприємства, у яких розміщаються пожежонебезпечні об'єкти, розташовані в густонаселених міських районах.

10. Вірогідність отриманих результатів ґрунтується на коректному використанні методології математичного моделювання, методів лінійного і нелінійного програмування, оптимізаційних методів геометричного проектування.

11. Основні положення і результати роботи впроваджені і використовуються в проектних організаціях при розробці генеральних планів і планів реконструкції промислових підприємств, а також у навчальному процесі, що підтверджується відповідними документами.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Чуб И.А., Морщ Е.В Математическое моделирование воздействия пожара на окружающую среду // Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. АПБ Украины. - Харьков: Фолио, 2002. - Вып. 12. - С. 186-190.

2. Чуб И.А., Морщ Е.В, Пустоваров В.Е. Моделирование влияния пожара на окружающую среду // Системи обробки інформації: Зб. наук. праць. - Харків: НАНУ, ПАНМ, ХВУ, 2002. - Вип.5 (21). - С. 174 - 176.

3. Чуб И.А., Морщ Е.В. Параметризация концентрационного поля аэрозольных выбросов пожара // Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. АПБ Украины. - Харьков: Фолио, 2003. - Вып. 13. - С. 159-162.

4. Чуб І.А., Морщ Є.В., Тютюнік В.В., Пустоваров В.Є.Експериментальні дослідження розповсюдження аерозольних викидів пожежі в атмосфері // Збірник наукових праць ІПМЕ ім. Г.Є. Пухова. - Київ: ІПМЕ ім. Г.Є. Пухова, 2003. - Вип.22. - С. 256-259.

5. Чуб И.А., Морщ Е.В. Моделирование размещения пожароопасных объектов с учетом опасных факторов возможного пожара // Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. АГЗ Украины. - Харьков: Фолио, 2004. - Вып. 15. - С. 224-227.

6. Чуб И.А., Морщ Е.В., Труш А.О., Ковальский С.В. Размещение объектов техногенной опасности с минимизацией уровня воздействия возможной чрезвычайной ситуации // Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. АГЗ Украины. - Харьков: Фолио, 2004. - Вып. 16. - С. 248-251.

7. Морщ Е.В. Оптимизация размещения пожароопасных объектов на территории промышленного предприятия // Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. АГЗ Украины.- Харьков: Фолио, 2005. - Вып. 17. - С. 125-129.

8. Чуб И.А., Морщ Е.В. Пожар как фактор негативного экологического воздействия // Тезисы докладов Международной научно-практической конференции “Проблемы пожарной безопасности. Ликвидация аварий и их последствий”. - Донецк: 24-25 декабря 2002.-С. 147-148.

9. Чуб И.А., Морщ Е.В. Анализ факторов, определяющих высоту подъема аэрозольных выбросов пожара в атмосфере // Материалы VI Международной научно-практической конференции “Пожарная безопасность-2003”. - Харьков: АПБУ, 2003. - С. 47-48.

10. Чуб И.А., Морщ Е.В. Моделирование пожара как источника загрязнения окружающей среды аэрозольными продуктами горения // Тезисы доклада 18 науч.-практ. конференции по вопросам борьбы с пожарами “Снижение риска гибели людей при пожарах”. - Балашиха: ВНИИПО, 2003. - С. 78-79.

11. Морщ Е.В. Моделирование размещения пожароопасных объектов с учетом опасных факторов возможного пожара // Тези доповідей наук.-практ. конф. “Технічні засоби для профілактики надзвичайних ситуацій і ліквідації їх наслідків”. - Харків: АЦЗУ, 19 березня 2004. - С. 6-7.

12. Морщ Е.В., Чуб И.А. Снижение уровня негативного воздействия выбросов возможного пожара за счет оптимального размещения объектов // Тези доповідей наук.-техн. конф. “Наглядово-профілактична діяльність в МНС України”. - Харків: АЦЗУ, 26 березня 2004. - С. 56-57.

13. Чуб И.А., Морщ Е.В. Автоматизация проектирования производственной системы с учетом негативного воздействия возможного пожар // Тези доповідей науково-технічної конференції “Шляхи автоматизації, інформатизації та комп'ютеризації діяльності МНС України”. - Харків: АЦЗУ, 26 травня 2004. - С. 69-70.

14. Чуб І.А., Морщ Є.В. Експериментальні дослідження забруднення навколишнього середовища леткими продуктами згоряння під час пожеж // Матеріали VI Всеукраїнської науково-практичної конференції рятувальників “Актуальні проблеми цивільного захисту”. - Київ: 28 жовтня 2004. - С. 29-30.

15. Морщ Е.В. Моделирование размещения объектов техногенной опасности с учетом опасных факторов возможной чрезвычайной ситуации // Материалы четвертой Международной научно-технической конференции “Проблемы информатики и моделирования”. - Харьков: НТУ “ХПИ”, 25-27 ноября 2004. - С. 37.

16. Морщ Е.В. Необходимость прогноза воздействия опасных факторов пожара на окружающую среду // Тези доповідей ІІ Міжнародної науково-технічної конференції “Шляхи автоматизації, інформатизації та комп'ютеризації діяльності МНС України”. - Харків: АЦЗУ, 18 травня 2005. - С. 63-64.

АНОТАЦІЯ

Морщ Є.В. Розміщення пожежонебезпечних об'єктів з урахуванням впливу небезпечних чинників пожежі на навколишнє середовище.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.02 - пожежна безпека. - Академія цивільного захисту України, МНС України, Харків, 2005.

Дисертація присвячена оцінці рівня забруднення аерозольними викидами пожежі визначеної області та його зниженню шляхом оптимізації розміщення пожежонебезпечних об'єктів.

Побудовано математичну модель впливу пожежі на навколишнє середовище. Показано, що основними параметрами моделі є інтенсивність викиду продуктів горіння і висота початкового підйому продуктів горіння.

Виконано параметризацію концентраційного поля аерозольних викидів пожежі в заданій області, для чого визначений явний вид функціональної залежності концентрації забруднюючих домішок у приземному шарі атмосфери і на поверхні, що підстилає, від фізичних параметрів пожежі і кліматичних характеристик області.

Запропоновано метод рішення оптимізаційної задачі розміщення пожежонебезпечних об'єктів у заданій області з урахуванням впливу небезпечних факторів можливої пожежі і кліматичних умов.

Розроблено методику раціонального розміщення пожежонебезпечних об'єктів при побудові генеральних планів промислових підприємств або планів їхньої реконструкції.

Вирішено задачі раціонального розміщення спиртосховища при реконструкції хлібозаводу №2 м. Запоріжжя під ділянку по виробництву медичних настойок і раціонального розміщення автозаправної станції на території ЗАТ “ЗАЗ” м. Запоріжжя на етапі його реконструкції. Підприємства, у яких розміщаються пожежонебезпечні об'єкти, розташовані в густонаселених міських районах.

Ключові слова: математична модель, оптимізація розміщення, пожежонебезпечний об'єкт, аерозольні викиди пожежі, концентраційне поле.

Морщ Е.В. Размещение пожароопасных объектов с учетом воздействия опасных факторов пожара на окружающую среду.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.02 - пожарная безопасность. - Академия гражданской защиты Украины, МЧС Украины, Харьков, 2005.

Диссертационная работа посвящена оценке уровня загрязнения аэрозольными выбросами пожара заданной области и его снижению путем оптимизации размещения пожароопасных объектов. Размещение осуществляется с учетом воздействия на окружающую среду возможного пожара и геоклиматических факторов (направления и силы ветра) в области.

Проведен анализ математических моделей распространения аэрозольных примесей в атмосфере. Показано, что расчет уровня загрязнения приземного слоя атмосферы продуктами горения основывается на решении уравнения турбулентной диффузии. Количественной характеристикой, определяющей уровень загрязнения области выбросами пожара, служит их концентрация в точках области, полученная в результате решения краевой задачи для уравнения турбулентной диффузии.

Осуществлена постановка оптимизационной задачи размещения в заданной области пожароопасных объектов, которые в случае возникновения пожара являются источниками загрязнения окружающей среды аэрозольными выбросами. Исследована система ограничений основной оптимизационной задачи, включающая в себя условия геометрического и физического характера. Число ограничений квадратично зависит от числа размещаемых в области пожароопасных объектов.

Проведен анализ особенностей задачи оптимизации размещения пожароопасных объектов в заданной области. Показано, что в силу характера системы ограничений рассматриваемая задача относится к многомерным многоэкстремальным задачам нелинейного математического программирования.

Построена математическая модель влияния пожара на окружающую среду, для чего проведена ее структурная идентификация и проанализированы ее параметры. Показано, что основными параметрами модели являются интенсивность выброса продуктов горения и высота начального подъема продуктов горения.

Проведено моделирование возможной формы зоны загрязнения земной поверхности выбросами пожара. Показано, что возможная зона загрязнения моделируется восьмиугольником, каждая из вершин которого соответствует одному из направлений частей света. Расчет линий равных концентраций выбросов производится с учетом среднегодового значения скорости ветра.

Выполнена параметризация концентрационного поля аэрозольных выбросов пожара в заданной области, для чего определен явный вид функциональной зависимости концентрации загрязняющих примесей в приземном слое атмосферы и на подстилающей поверхности от физических параметров пожара и климатических характеристик области.

Предложен метод решения оптимизационной задачи размещения пожароопасных объектов в заданной области с учетом влияния опасных факторов возможного пожара и климатических условий. Метод состоит из следующих этапов: определение начального варианта размещения пожароопасных объектов и их зон загрязнения; поиск вектора параметров размещения пожароопасных объектов, соответствующего локальному минимуму функции цели задачи; перебор локальных минимумов с выделением экстремального значения функции цели и определение соответствующего ему вектора параметров размещения пожароопасных объектов.

Разработана методика рационального размещения пожароопасных объектов при построении генеральных планов промышленных предприятий или планов их реконструкции.

Решены задачи рационального размещения спиртохранилища при реконструкции хлебозавода №2 г. Запорожье под участок по производству медицинских настоек и рационального размещения автозаправочной станции на территории ЗАО “ЗАЗ” г. Запорожье на этапе его реконструкции.

Ключевые слова: математическая модель, оптимизация размещения, пожароопасный объект, аэрозольные выбросы пожара, концентрационное поле.

Morsch. E.V. Allocation of fire-dangerous objects accounting influence of dangerous factors of a fire on an environment.

A dissertation for seeking a scientific degree of Cand. Tech. Sci. on a specialty 21.06.02 - fire safety. - Civil Defense Academy of Ukraine, Ministry of Emergencies of Ukraine, Kharkiv, 2005.

Dissertation is devoted to estimation of a level of pollution by aerosol emissions during fire of the determined area and to its decrease by optimization of allocation of fire-dangerous objects.

The mathematical model of fire influencing on an environment is elaborated. It is proved that key parameters of model are intensity of emission of products of burning and the height of initial rise of products of burning.

Parameterization of a concentration field of aerosol emissions of a fire in the determined area is carried out and the obvious kind of functional dependence of concentration of pollutions in a ground layer of atmosphere and on a spreading surface from physical parameters of a fire and climatic characteristics of area is executed.

It is offered the method for the decision of the tasks of allocation of fire-dangerous objects in the determined area taking into account the influence of dangerous factors of a possible fire and climatic conditions.

The technique of rational allocation of fire-dangerous objects is developed while construing general plans of the industrial enterprises or plans of their reconstruction. It is solved the tasks of rational allocation of alcohol store while re-construing a bakery №2 in Zaporizha for a manufacture site of medical tinctures and rational allocation of a gasoline station in territory of Joint-Stock Company " ZAZ " of Zaporizha at a reconstruction stage.

Keywords: mathematical model, optimization of allocation, fire-dangerous object, aerosol emissions of a fire, a concentration field.

Размещено на Allbest.ru

...