Прогнозирование и ликвидация чрезвычайных ситуаций на торфяных предприятиях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Прогнозирование и ликвидация чрезвычайных ситуаций на торфяных предприятиях

На территории Российской Федерации часто складывается чрезвычайная обстановка, связанная с лесными и торфяными пожарами. По степени пожарной опасности возникновения торфяных пожаров территории делятся на пять классов - высокая, выше средней, средняя, ниже средней, низкая. По данным, приведенным в [1] высокая степень пожарной опасности характерна для территорий с верховым залеганием торфов (Новгородская область и Ханты-Мансийский автономный округ). Опасность выше средней характерна для Вологодской Калининградской, Псковской, и Томской областей. Средней степенью опасности характеризуются Архангельская, Ивановская, Московская, Смоленская, Сахалинская, Тверская области и Республика Карелия. Остальные субъекты РФ имеют ниже средней и низкую степень опасности торфяных пожаров.

Возникновение и развитие торфяных пожаров может приводить к чрезвычайным ситуациям различного рода - созданию угрозы жизни и здоровью людей, нанесение ущерба окружающей природной среде и хозяйственным объектам.

Рис.1. Источники чрезвычайных ситуаций

На рис.1 указаны основные факторы возникновения пожара. Антропогенный фактор определяется небрежным обращением людей с огнем или умышленными поджогами. Техногенный - работой производственного оборудования и нарушением условий хранения горюче-смазочных материалов. Наиболее распространенными природными факторами возникновения возгорания являются грозовые разряды и саморазогревание и самовозгорание торфа.

Опасность возникновения торфяных пожаров зависит от многих факторов. На рис. 2 представлена когнитивная модель, которая описывает состав и взаимозависимость основных природных процессов влияющих на способность торфов к возгоранию и поддержанию процесса горения.

Рис. 2. Когнитивная модель процессов возгорания и горения торфа.

Вероятность возникновения пожаров на торфяных месторождениях определяется конкретными особенностями данной территории, влагозапасом, влажностью торфа и напочвенного покрова, складывающейся метеорологической обстановкой, генетическими свойствами торфа и другими факторами.

Часть параметров, характеризующих степень пожароопасности отдельных участков торфяного месторождения, меняется с течением времени, т.е. рассматриваемая система является динамической.

Структурно-генетические свойства торфа, определяющие количественные и качественные показатели торфяной залежи, такие как тип торфа, вид торфа, степень разложения, толщина торфяного слоя изменяются по площади месторождения, что обусловлено различными условиями ее формирования. Кроме того, распределение влажности по толщине слоя торфяной залежи также существенно зависит от геологических особенностей строения торфяных месторождений и определяется рельефом дна и гидрологическим режимом.

Очевидно, что опасность торфяного пожара на отдельном торфяном месторождении различна на отдельных его участках и может изменяться во времени.

На рис 1. отражены различные виды торфяных пожаров. Изначально пожар развивается как обычный низовой пожар. Для торфяных пожаров можно отметить характерную пространственную особенность их распространения Области, охваченные огнем, часто несвязны, что объясняется воздействием сильного ветра, который вызывает перенос горящих частиц на достаточно большие расстояния. Эта особенность указывает на стохастическую природу самого торфяного пожара, что является весомым аргументом для использования вероятностного подхода для математического описания динамики пожара.

По мере развития торфяного пожара, при наличии благоприятных условий, на месте низового пожара возникаю очаги подземного горения. Особенность подземного торфяного пожара является то, что его горение происходит в режиме тления в отсутствии внешнего источника кислорода. Пожар углубляется в толщу торфяной залежи до тех пор, пока не достигнет достаточно влажного слоя торфа или минерального дна.

На торфяных предприятиях часто горит складированный в штабеля торф. Причиной пожара является саморазогревание и самовозгорание торфа.

В результате торфяных пожаров воздух перенасыщен продуктами горения торфа: В нем увеличивается не только содержание угарного и углекислого газов, но и несгоревших продуктов в виде мельчайших частиц - полютантов. Данные по выбросам в атмосферу вредных веществ при сжигании 1 тонны торфа натуральной влаги приведены в табл. 1.

Таблица 1

Продукты сгорания торфа при больших пожарах распространяются на значительные расстояния и негативно влияют на здоровье десятков и даже сотен тысяч людей.

Как отмечается в [1] сил и средств, централизованно осуществляющих обнаружение и тушение торфяных пожаров в связи с сокращением торфоразработок в настоящее время нет. Эти задачи возложены на территориальные и местные власти. При этом могут привлекаться структурные подразделения МЧС России.

Как показывает практика, при массовых торфяных пожарах сил и средств для их тушения не хватает и торфяники горят, нанося ущерб здоровью людей, окружающей среде и хозяйственным объектам до тех пор, пока не начнутся осенние дожди.

Изменить ситуацию можно только наладив систематический контроль параметров определяющих текущую пожароопасность торфяных месторождений, используя математические методы и вычислительную технику для прогнозирования изменения этого состояния.

Далее рассматривается концепция информационной системы предназначенной для прогнозирования, предупреждения и ликвидации торфяных пожаров. На рис.3 представлены

Рис.3. Структура интеллектуальной информационной системы основные компоненты такой системы и их связи.

Важное место в системе отводится дистанционному экологическому мониторингу, в задачу которого входит оценка гидрологических параметров с помощью СВЧ - радиометров авиационного базирования, с целью своевременной и достоверной оценок пожарной опасности торфяных месторождений и штабелей торфа, оперативный поиск и картирование очагов пожара

Большое значение для принятия мер по предотвращению и ликвидации пожаров имеет возможность предвидения того, как будет складываться ситуация в дальнейшем. Решение этой задачи построено на основе имитационного моделирования процессов возникновения и развития торфяных пожаров. С этой целью разработаны математические модели процесса горения торфа, на основе которых рассчитываются важнейшие характеристики пожара такие, как перемещение его контура, скорость распространения огня, температура кромки горения и т.п. Рассмотрены математические модели распространения задымления от торфяных пожаров и влияние метеоусловий на эти процессы, определены методы оценки последствий задымления атмосферы. Описаны процессы изменения влагосодержания торфа в залежи под влиянием климатических условий. На основе характеристик (параметров), определяемых на основе вышеперечисленных моделей и динамики их изменения дается прогноз возможности возгорания торфа, направления и скорости развития пожара, объемов выброса загрязняющих веществ, направления задымления и т.д. Это в свою очередь позволяет определять возможные экономические и экологические последствия и принимать решения по предупреждению, локализации и ликвидации пожара. Рассмотренные модели включаются в контур управления пожарной безопасностью для имитации реальных процессов и определения возможных ситуаций и вероятности их возникновения.

Для исследования возможного изменения состояния торфяного месторождения или процесса распространения пожара и изменения сложившейся ситуации применяется сценарный подход. Синтез сценария осуществляется с использованием базы знаний (БЗ), содержащей описание элементов сценария и связей между ними. Механизм взаимодействия знаний, хранящихся в БЗ, определяется на основе причинно-следственных связей и математических зависимостей между элементами сценария.

Кроме цифровой информации для принятия решений в различных ситуациях необходима также и картографическая. Для хранения подобной информации используют геоинформационные системы (ГИС), которые позволяют проводить пространственное моделирование природных процессов на торфяных месторождениях. Особенностью всех систем, связанных с управлением природными объектами, является необходимость привязки всей хранимой в них информации к определенной территории. Это также достигается путем использования ГИС для территориальной идентификации текущей и возможной ситуаций.

Система реализует концепцию ситуационного управления пожарной безопасностью, изложенную в работе [1]. Задачи прогнозирования, предупреждения и ликвидации торфяных пожаров представлены в виде набора задач ситуационного управления динамической системой в условиях неопределенности.

Это означает, что с каждым допустимым управлением можно связать некоторую обобщенную ситуацию, которая ему соответствует. Текущая ситуация определяется параметрами (атрибутами), характеризующими состояние объекта.

С точки зрения управления пожарной безопасностью понятие обобщенной ситуации естественным образом связывается с понятием “степень пожарной опасности”. Под степенью пожарной опасности будем понимать вероятность возникновения пожара (возгорания) на определенной территории. Чем выше вероятность возгорания, тем выше степень пожарной опасности.

Для исследования возможного изменения состояния торфяного месторождения или процесса распространения пожара и изменения сложившейся ситуации применяется сценарный подход. Под сценарием понимается последовательность взаимосвязанных событий, имеющую место при определенных условиях. Между событиями существуют причинно-следственные связи, которые приводят к изменению параметров, а, следовательно, и к изменению текущей ситуации. Эти изменения, в конечном счете, могут привести к изменению общей ситуации и к необходимости использовать управляющие воздействия для ее корректировки. Синтез сценария осуществляется с использованием базы знаний (БЗ), содержащей описание элементов сценария и связей между ними. Механизм взаимодействия знаний, хранящихся в БЗ, определяется на основе причинно-следственных связей и математических зависимостей между элементами сценария. Результаты моделирования приведены на рис. 4.

При реализации системы на ЭВМ решалась задача организации взаимодействия между геоинформационными системами, например, MapInfo, с одной стороны, и системами компьютерной математики, например, MATLAB, с другой стороны.

Рис.4. Результаты ситуационного моделирования

Взаимодействие между MapInfo и MATLAB осуществлялось с помощью технологии OLE (Object Linking Embedding - внедрение и связывание объектов), основанной на компонентной модели объекта (COM - Component Object Model). Технология COM предоставляет возможность одной программе (клиенту или контроллеру) работать с объектом другой программы (сервера). Это модель объекта, предусматривающая полную совместимость во взаимодействии между компонентами, написанными разными компаниями и на разных языках. Новая возможность технологии OLE, появившаяся в версии OLE 2.0, - это автоматизация OLE, которая обеспечивает доступ к объектам приложения и манипуляцию с ними извне. Такие объекты, предоставленные (экспонированные) для внешнего пользования, называются автоматными объектами OLE. Типы объектов, которые могут быть экспонированы, так же разнообразны, как и сами приложения Windows.

Главное отличие автоматных объектов от обычных объектов OLE состоит в том, что автоматные объекты доступны только программно, они создаются и используются при помощи программного кода и, следовательно, в принципе временны. Они могут существовать только в течение времени выполнения программ и не видны непосредственноконечному пользователю. Реализацию взаимодействия между компонентами MapInfo и MATLAB обеспечивал программный интерфейс, поддерживающий механизм COM, который является клиентом, управляющим серверами MapInfo и MATLAB.

С точки зрения COM приложение содержит несколько объектов (в частном случае может быть один объект). Каждый объект имеет один или несколько интерфейсов. В интерфейсе описаны методы объекта, к которым могут получить доступ внешние программы.

Объект является частью сервера COM. Сервером может быть исполняемый файл или библиотека. Внешние приложения, обращающиеся к объекту COM, являются клиентами COM. Клиент получает указатель на интересующий его интерфейс объекта и через этот указатель может вызывать методы объекта. торфяной пожар природный здоровье

Запуск компонента-сервера осуществляется путем вызова функции, создающей объект OLE и присвоения возвращаемого ею значения объектной переменной. Запустив или получив доступ к ранее OLE объекту, программа-клиент может управлять им с помощью методов, поддерживаемых этим объектом. Клиентская программа может обмениваться данными с сервером, пересылать в него команды, которые будут исполняться сервером, делать окно сервера видимым или скрытым и т.д. Для пересылки команд серверу MapInfo используется метод Do, а для получения данных от MapInfo используется метод Eval. Этот метод также пересылает в MapInfo соответствующую команду, и значение, возвращаемое этой командой, передает в программу-клиент в форме текстовой строки, которая, если позволяет ее значение, затем может быть преобразована в другой формат, например числовой или логический.

Нами было разработано приложение, осуществляющее взаимодействие между MapInfo и MATLAB. Программа-клиент была написана на языке Visual Basic. По нажатию соответствующей кнопок инструментальных панелей клиентского приложения запускаются в фоновом режиме MapInfo и MATLAB. Электронные карты, открываемые пользователем, отображаются в окне клиентского приложения. Для работы с картами в приложение были включены кнопки (рис.5), выполняющие основные команды MapInfo (увеличить, уменьшить, выделение, передвижение и др.)

Рис.5. Работа с сервером matlab, запущенным из картографического приложения-клиента

С помощью данного приложения возможно передавать данные из MapInfo в MATLAB и обратно. Например, можно выделить какой-либо линейный объект электронной карты и передать его координаты в MATLAB. Это может быть полезно в дальнейшем, например, для аппроксимации изолиний. Координаты узлов линии могут передаваться в MATLAB, там аппроксимироваться, полученные точки могут передаваться обратно в MapInfo и наноситься на карту.

Кроме реализации взаимодействия между MapInfo и MATLAB были также написаны функции, моделирующие распространение пожара по формулам, приведенным в [2]. Моделирование может проводиться в двух вариантах. В первом варианте для совершения очередного шага моделирования пользователь должен нажать соответствующую кнопку. При этом он может задать момент времени, соответствующий очередному шагу, путем ввода значения интервала времени, протекшего после предыдущего шага, в текстовое поле. Во втором варианте моделирование совершается автоматически и прекращается по команде пользователя. Шаги моделирования совершаются через фиксированные промежутки времени, например, каждые три секунды. Каждому такому промежутку времени соответствует интервал, заданный в текстовом поле

Проведение моделирования по элементарным формулам может осуществляться на универсальных языках программирования, таких как Delphi или Visual Basic. Но в случае перехода к более сложной модели может возникнуть потребность в использовании специализированных пакетов моделирования динамических систем, наиболее популярным из которых является пакет Simulink, входящий в состав системы MATLAB.

Работа выполнена при поддержке РФФИ и Администрации Тверской области (проект №04-07-96701)

Список литературы

1.Атлас природных и техногенных опасностей и рисков чрезвычайных ситуаций в Российской Федерации./Под общей редакцией С.К.Шойгу. М., ИЦП «Дизайн. Информация. Картография». 2005, 270 с.

2.Миронов В.А., Палюх Б.В., Ветров А.Н. Основы построения интеллектуальных информационных систем для прогнозирования, предупреждения и ликвидации торфяных пожаров. Монография. Тверь, ТГТУ. 2004, 103с.

Размещено на Allbest.ru