Использование дискретно-событийного моделирования (дсм) для чс.
Считаем, что чрезвычайная ситуация представляется как некий конвейер с меняющимися параметрами обработки.
Люди представляются как заявки, которые этому конвейеру предлагается обработать. Каждая обработка сопровождается определенной задержкой Пострадавшие и непострадавшие – это типы различно обработанных заявок.
РИС 3.3. План эвакуации можно представить и как конвейер, и как среду для взаимодействия агентов. Черные эллипсы – линии уровня интенсивности поражающих факторов при пожаре.
Классический заводской конвейер в штатном режиме представляется детерминированным автоматом. В отличие от этого, «конвейер ЧС» следует представлять вероятностным автоматом.
Применение агентного моделирования чс.
А. Моделирование поведения людей на пожаре.
А1. Люди на пожаре – агенты. Задаются классами.
А2. Вводятся отличия в подвижности, прыгучести, размерах, устойчивости к поражающим факторам, обученности и т.д.
А3.Пожар задается линиями уровня поражающих факторов: температурой и загазованностью, которые меняются со временем. Люди стремятся уйти в сторону противоположную градиенту поражающего фактора.
А4. «Прогоняем» модель несколько раз, находим среднее число пострадавших для данного набора параметров.
Б. Моделирование социальных конфликтов или беспорядков, спровоцированных терактами.
Как можно использовать агентов для моделирования конфликтов:
Б1.Берем какую-либо модель личности, весьма упрощенную, но допускающую моделирование конфликта, на её основе строим класса агентов.
Б2. Вводим параметры, влияющие на вероятности конфликтов.
Б3.Запускаем «жизнь» сообщества агентов. Смотрим, до чего они «дожили».
Б4. Снимаем статистику с модели.
Б5.Сравниваем с реальностью, уточняем модель.
Б6.Проверяем другие модели личностей и конфликтов.
20. Методики оценки санитарной и медицинской обстановки в ЧС
Основные подходы в моделировании распространения пожаров.
Анализ существующих имитационных систем и моделей пожаров показывает наличие различных недостатков, существенно ограничивающих применение их в процессе подготовки специалистов Государственной противопожарной службы. Так, в одной группе моделей используется «псевдо-имитационный» подход, при котором обстановка на пожаре отображается дискретно в определённой последовательности в виде фрагментов, имитирующих форму площади пожара в плане здания или помещения, разделенного на секторы различной формы, которые подсвечиваются, отображая ту или иную площадь пожара.
Технические возможности таких моделей очень ограниченны и не позволяют увидеть увеличение площади пожара (или уменьшение в процессе тушения) в режиме реального времени. В связи с этим занятия проектируются таким образом, что обучаемым сразу предлагается определенная форма площади пожара и размеры помещения, по которым необходимо рассчитать необходимое количество сил и средств и определить решающее направление действий по тушению пожара. В случае ошибки площадь пожара увеличивают (включением дополнительных секторов), и расчет производится снова.
Другая группа включает в себя более современные мультимедийные имитационные системы в форме компьютерных игр с трехмерной графикой и стереозвуком, которые не имеют под собой логико-математического процессора и сколько-нибудь реальной модели распространения пожара, например [1]. Изменения оперативной обстановки в таких имитаторах запрограммированы заранее как некий сценарий игры, что существенно искажает оценку происходящих на пожаре процессов и делает невозможным их применение в процессе подготовки инженеров пожарной безопасности.
Рис. 1. Общая структура моделей пожаров в зданиях
Более детального рассмотрения, с точки зрения перспектив применения в учебном процессе, требует третья группа моделей, представляющая собой совокупность дифференциальных, интегральных и зонных моделей пожаров, которые максимально приближены к реальности [2]. В математическом отношении эти виды моделей характеризуются разным уровнем сложности, обусловленным степенью детализации физико-математической картины пожара.
Рис. 2. Определение площади пожара геометрическим методом
Наиболее сложны полевые (дифференциальные) модели, так как состоят из системы трех- или двумерных нестационарных дифференциальных уравнений в частных производных. Поэтому из-за большого объема вычислений и требуемого для этого машинного времени (иногда для моделирования некоторых условий требуется более месяца) такие модели пока малоприменимы для практического использования в системе обучения специалистов.
В зонных моделях [3] помещение разбивается на отдельные зоны, в которых для описания тепломассообмена используются соответствующие уравнения законов сохранения. Размеры и количество зон выбираются таким образом, чтобы в пределах каждой из них неоднородности температурных и других полей параметров газовой среды были минимальными, или из каких-то других предположений, определяемых задачами исследований и расположением горючего материала.
Такой подход не может быть реализован в тренажёре в условиях неопределенности конфигурации объекта: заранее неизвестны ни планировка помещений, ни расположение горючей нагрузки, проемов и источников зажигания. Особенно если принять во внимание, что эти условия могут изменяться в процессе моделирования (открываться-закрываться проемы, появляться новые источники зажигания и др.).
Наиболее подходящим для использования в тренажёрах и имитационных системах нам представляется метод интегрального моделирования. Интегральная математическая модель пожара представлена системой обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих изменение среднеобъёмных параметров состояния газовой среды в помещении в процессе развития пожара, которые впервые были сформулированы в 1976 г. проф. Ю.А. Кошмаровым. Они вытекают из фундаментальных законов природы − первого закона термодинамики для открытой термодинамической системы и закона сохранения массы.
Основным достоинством интегральных моделей является возможность проведения на ЭВМ относительно быстрого и нетрудоемкого многофакторного комплексного исследования динамики развития опасных факторов пожара в помещении. Интегральная математическая модель пожара по сравнению с другими менее требовательна к конкретике при описании расчетных исходных данных.
Конечно, по сравнению с другими интегральная модель менее детально отражает состояние опасных факторов пожара в помещении. Однако, с дидактической точки зрения, когда требуется показать только характер их изменения, общую картину происходящего на пожаре, показать влияние на развитие пожара активных систем (пожаротушения, вентиляции и др.), среднеобъемных значений вполне достаточно. Кроме этого, при интегральном моделировании может быть достигнута необходимая для работы в режиме реального времени скорость вычислений.
Вероятностная модель распространения пожара. Задачу имитации развития пожара в помещениях произвольной формы удалось решить благодаря разработанной вероятностной модели распространения горения по площади.
Площадь этажа здания представляется в виде множества элементов − расчётных единиц площади (соответствующих квадратному метру, сантиметру и т.д.), каждый из которых имеет свои характеристики горючей нагрузки, в том числе, линейную скорость распространения пламени. Распространение пожара в том или ином направлении от источника зажигания определяется вероятностью загорания каждого такого элемента.
Такой
подход обусловлен тем, что на имитационном
уровне распространение пламени подобно
теплообмену излучением: горючие
материалы, расположенные на некотором
расстоянии от фронта пламени в результате
такого теплообмена постепенно нагреваются
и воспламеняются, а теплообмен излучением
между телами обратно пропорционален
квадрату расстояния между ними. Расстояние
между центрами диагонально расположенных
элементов в
раз больше расстояния между элементами,
расположенными ортогонально, поэтому
имитируется в 2 раза менее интенсивное
взаимодействие между ними.
Рис. 3. Распределение параметра FP в разные моменты времени моделирования
Комбинированная модель пожара для системы нескольких помещений
Для определения газообмена между помещениями и моделирования на его основе распространения продуктов горения по зданию, изменений температуры в помещениях и пр. в рамках интегрального подхода здание заменяется гидравлической схемой − графом, узлы которого моделируют помещения здания, а ветви − связи между ними (проемы), через которые осуществляется газообмен (рис. 6). Таким образом, математическое моделирование динамики опасных факторов пожара в помещениях здания осуществляется путём решения системы уравнений газообмена и системы дифференциальных балансовых уравнений, соответствующих графу рассматриваемого здания.
Граф помещений строится путём заполнения массива, отражающего все имеющиеся связи и их параметры: номера связанных помещений (узлов), количество, расположение и ширина проемов, их коэффициент сопротивления, состояние (открыт/закрыт) и др. Такой подход позволяет автоматически генерировать систему уравнений в соответствии с введённой пользователем структурой здания без изменений кода программы.
Для прогнозирования опасных факторов пожара в настоящее время используются интегральные (прогноз средних значений параметров состояния среды в помещении для любого момента развития пожара), зонные (прогноз размеров характерных пространственных зон, возникающих при пожаре в помещении и средних значений параметров состояния среды в этих зонах для любого момента развития пожара. Примеры зон – припотолочная область, восходящий на очагом горения поток нагретых газов и область незадымленной холодной зоны) и полевые (дифференциальные) модели пожара (прогноз пространственно-временного распределения температур и скоростей газовой среды в помещении, концентраций компонентов среды, давлений и плотностей в любой точке помещения). Для проведения расчетов, необходимо проанализировать следующие данные: - объемно-планировочных решений объекта; - теплофизических характеристик ограждающих конструкций и размещенного на объекте оборудования; - вида, количества и расположения горючих материалов; - количества и вероятного расположения людей в здании; - материальной и социальной значимости объекта; - систем обнаружения и тушения пожара, противодымной защиты и огнезащиты, системы обеспечения безопасности людей. При этом учитывается: - вероятность возникновения пожара; - возможная динамика развития пожара; - наличие и характеристики систем противопожарной защиты (СППЗ); - вероятность и возможные последствия воздействия пожара на людей, конструкцию здания и материальные ценности; - соответствие объекта и его СППЗ требованиям противопожарных норм. Далее необходимо обосновать сценарий развития пожара. Формулировка сценария развития пожара включает в себя следующие этапы: - выбор места расположения первоначального очага пожара и закономерностей его развития; - задание расчетной области (выбор рассматриваемой при расчете системы помещений, определение учитываемых при расчете элементов внутренней структуры помещений, задание состояния проемов); - задание параметров окружающей среды и начальных значений параметров внутри помещений.
Интегральная модель пожара Интегральная математическая модель пожара описывает в самом общем виде процесс изменения во времени состояния газовой среды в помещении.
Зонная модель пожара Зонный метод расчета динамики ОФП основан на фундаментальных законах природы – законах сохранения массы, импульса и энергии. В зонной математической модели газовый объем помещения разбивается на характерных зоны, в которых для описания тепломассобмена используются соответствующие уравнения законов сохранения.
Полевой (дифференциальный) метод расчета Полевой метод является наиболее универсальным из существующих детерминистических методов, поскольку он основан на решении уравнений в частных производных, выражающих фундаментальные законы сохранения в каждой точке расчетной области. С его помощью можно расчитать температуру, скорость, скорость, концентрации компонентов смеси и т.п.в каждой точки расчетной области,