Компьютерные технологии для экспертизы пожарной безопасности объектов Текст научной статьи по специальности «Математика»

ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ, ОБЪЕКТОВ

Д-р техн. наук, профессор, академик РАЕН, начальник НИЦ управления безопасностью сложных систем Академии Государственной противопожарной службы МЧС РФ

Н. Н. Брушлинский

Д-р техн. наук, профессор, начальник отдела ФГУ "Главгосэкспертиза России"

Ю. М. Глуховенко

Д-р техн. наук, профессор, главный специалист ФГУ "Главгосэкспертиза России"

В. Б. Коробко

Д-р техн. наук, профессор, член-корр. РАЕН, профессор Академии Государственной противопожарной службы МЧС РФ

С. В. Соколов

УДК 614.841

КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ЭКСПЕРТИЗЫ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ОБЪЕКТОВ

Рассматриваются вопросы применения компьютерных технологий для экспертизы пожарной безопасности объектов. Показано, как с помощью компьютерной имитационной системы можно оценить возможности гарнизона противопожарной службы по обеспечению необходимого количества сил и средств в случае возникновения пожара на объекте.

Введение

Оценивая уровень пожарной безопасности того или иного объекта, эксперты тщательно анализируют, прежде всего, пути и время эвакуации людей из него в случае пожара, параметры внутреннего противопожарного водопровода, степень огнестойкости строительных конструкций и ряд других параметров. Предположим, что все они не вызывают у эксперта возражений.

Далее, анализируя возможности пожарного гарнизона в тушении пожара, который может возникнуть на данном объекте, эксперты стараются найти поблизости от него (в 2-3 км по прямой) какое-нибудь пожарное депо с выездной техникой. Если таковое находится, то делается вывод о том, что объект в достаточной степени защищен от пожаров.

В последнем случае эксперты допускают принципиальную ошибку, которую необходимо устранить в практике экспертизы пожарной безопасности объектов. Анализу и способу устранения этой стандартной ошибки посвящена настоящая статья.

Анализ ошибки

Суть ошибки заключается в следующем. Неявно предполагается, что дежурный караул пожарной части всегда свободен, находится в депо в режиме дежурства и ждет вызова на пожар.

Очевидно, что это не так. Определенную часть своего рабочего времени дежурный караул находится на выездах (т.е. в депо его нет) и занят где-то в городе (может быть, на значительном расстоянии от своего депо) боевой работой. При этом, чем крупнее город, тем больше число выездов данного дежурного караула и общее время занятости его боевой работой в течение суток.

Проиллюстрируем данное положение на нескольких примерах.

Рассмотрим средний, большой, крупный и крупнейший города (в соответствии с классификацией СНиП 2.07.01-89* "Градостроительство. Планировка и застройка городских и сельских поселений"). Пусть из любой пожарной части этих городов дежурный караул выезжает за год в среднем 200,500,1000 и 3000 раз соответственно (см. таблицу).

Будем предполагать, что потоки вызовов пожарных подразделений в городах, как правило, подчиняются закону Пуассона [1], средняя продолжительность одного выезда подразделения для всех городов составляет 0,75 ч, что хорошо согласуется с реальностью. Вычислим суммарное время занятости боевой работой дежурного караула для каждой пожарной части соответствующего города в течение года (см. таблицу).

Из таблицы следует, что в среднем городе России каждый дежурный караул в 98,3% всего време-

Время занятости дежурных караулов в городах

Город Среднее число выездов одной пожарной части в год Приведенная плотность потока выездов " ^^ср.зан Вероятность отсутствия вызовов Po = е-" Вероятность занятости караула P = 1 - P * зан 1 * o Суммарное время занятости части за год, ч

Средний (от 50 до 100 тыс. чел.) 200 0,017 0,9830 0,0170 148,9

Большой (от 100 до 250 тыс. чел.) 500 0,057 0,9445 0,0555 486,0

Крупный (от 250 тыс. чел. до 1 млн чел.) 1000 0,086 0,9179 0,0821 718,8

Крупнейший (свыше 1 млн чел.) 3000 0,257 0,7735 0,2265 1984,3

ни действительно свободен от выездов, но, тем не менее, почти 150 ч в течение года он отсутствует в депо, так как работает в городе на обслуживании выездов.

В крупном городе любой дежурный караул занят уже более 8% всего рабочего времени, т.е. почти 720 ч отсутствует в депо.

Наконец, в крупнейшем городе, где, как правило, и находится большинство пожароопасных объектов, подлежащих обязательной экспертизе их пожарной безопасности, любой дежурный караул почти четверть рабочего времени находится на выезде, т.е. работает на обслуживании вызовов без малого 2 тыс. ч ежегодно.

Эти примеры убедительно показывают, что наличие поблизости от объекта пожарного депо абсолютно не гарантирует своевременного прибытия пожарных подразделений в случае возникновения пожара. Ситуация осложняется еще и тем, что на такие объекты в случае пожара, как правило, необходимо высылать не один, а несколько дежурных караулов из разных пожарных частей. Таким образом, оценка своевременного прибытия необходимого количества сил и средств на объект представляет собой отнюдь непростую и весьма актуальную задачу.

Так как никакие аналитические модели не могут помочь решить эту сложную задачу [1], выход нужно искать в построении имитационных моделей оперативной деятельности пожарных подразделений, реализуемых на современных компьютерах. Такие модели (точнее говоря, имитационные системы) созданы в нашей стране в последние десятилетия, хорошо известны во всем мире и все шире используются для решения разнообразных практически важных задач обеспечения безопасности городов и объектов.

В частности, с их помощью разработаны проекты реорганизации противопожарных служб (ППС) г.г. Москвы и Санкт-Петербурга, одобренные и утвержденные руководством этих городов. Такая же работа выполнена для многих городов Германии, Хорватии, Эстонии, Турции (и не только для противопожарных служб, но и для скорой медицинской помощи, газовой службы), а в настоящее

время выполняется для Объединенных Арабских Эмиратов.

Авторами разработана методология использования указанных компьютерных технологий для проведения экспертиз пожарной безопасности особо важных объектов городов и территорий, сущность которой изложена ниже.

Общее описание компьютерной имитационной системы КОСМАС

Созданию данной системы предшествовало построение математической теории функционирования экстренных и аварийно-спасательных служб (ЭАСС), разработанной в 70-80-е гг. XX в. и опирающейся, главным образом, на теорию марковских случайных процессов. Основным недостатком этой теории является то, что она, вполне удовлетворительно описывая процесс функционирования ЭАСС во времени, не может описывать его в пространстве, что в данном случае чрезвычайно важно [1].

Поэтому уже в середине 70-х гг. прошлого столетия начали создавать первые простейшие имитационные модели процесса функционирования ЭАСС. С быстрым ростом возможностей вычислительной техники совершенствовались и имитационные модели. В результате к середине 90-х гг. были разработаны первые современные версии системы КОСМАС (Компьютерная Система Моделирования Аварийных Служб).

Что же такое КОСМАС? Это — программный продукт, т.е. объединенный в единую систему комплекс программ для ЭВМ, воспроизводящий алгоритмы, последовательно описывающие (имитирующие) все детали процесса функционирования ЭАСС.

В компьютерной имитационной системе (КИС) КОСМАС город (территория) представляется в виде графа уличной сети и непрерывного пространства заданной конфигурации, на котором определены места дислокации различных городских объектов, больниц, подразделений ЭАСС, районы их обслуживания, техника, размещенная в каждом депо и др.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ (регулируемые параметры)

Параметры города:

топография уличная сеть скорости движения основные объекты другие

Параметры ППС:

число депо (станций)

дислокация депо

районы обслуживания

число отделений

типы отделений

распределение отделений по депо

варианты диспетчеризации

расписание выездов

графики дежурства

численность персонала

другие

Статистические параметры:

• распределение потока вызовов во времени (по месяцам, дням недели, часам суток) и в пространстве

(по территории города)

• структура потока вызовов

• распределение временных характеристик: времени диспетчеризации, сбора и выезда, следования и ликвидации, причины вызова

• другие

ЦЕЛЕВАЯ УСТАНОВКА

Программа проведения экспериментов

т

МОДУЛЬ УПРАВЛЕНИЯ КИС

Обработка результатов

Анализ результатов

▼

Варианты решений

МОДЕЛИРУЮЩИИ АЛГОРИТМ

К

Моделирование типа, места и времени вызова (запрос на обслуживание)

I

Моделирование времени и процесса диспетчеризации (выбор и высылка оперативных отделений на вызов)

Моделирование времени и процесса сбора и выезда оперативных отделений по вызову

Моделирование процесса следования оперативных отделений к месту вызова

Моделирование времени и процесса ликвидации причины вызова

Моделирование специальных операций конкретной аварийной службы (доставка пострадавшего в больницу, реабилитация отделения и другие операции)

Моделирование процесса следования отделений к месту дислокации или на следующий вызов

Рис. 1. Общая структура имитационной системы КОСМАС

Уличная сеть в КИС представляется в "векторном" виде. В качестве "узлов" транспортной сети рассматриваются концы отрезков различной длины, из которых состоит уличная сеть (в том числе и перекрестки, т.е. места пересечения отдельных отрезков). Каждому отрезку может быть присвоена своя скорость движения (скорость может меняться в зависимости от времени суток) и направление движения, каждому перекрестку — возможности поворотов в ту или иную сторону. В качестве базового алгоритма поиска оптимальных маршрутов в транспортной сети используется алгоритм Дейкст-ры [2].

В процессе имитации КОСМАС решает широкий спектр практически важных задач. Так, например, варьируя число пунктов дислокации ЭАСС (пожарных депо, станций скорой помощи и пр.), места их расположения, количество и типы размещенной в них техники, границы районов выезда, варианты диспетчеризации, скорости движения автомобилей в разных частях города, плотность потоков вызовов в целом по городу и в отдельных его районах и т.д., можно получать любые характеристики процессов функционирования ЭАСС и выбирать наиболее рациональные и экономичные варианты их организационных структур.

КОСМАС предназначена для ответов на вопросы типа: что произойдет в городе, если а) закрыть часть депо (станций) или, наоборот, построить несколько новых депо? б) изменить границы районов обслуживания? в) убрать (или добавить) несколько оперативных отделений (на автоцистернах, машинах скорой помощи и др.)? и на другие подобные вопросы.

На рис. 1 представлена общая структура имитационной системы КОСМАС. Эта система хорошо

известна специалистам многих стран мира и имеет множество международных наград (дипломов и медалей).

Авторы данной статьи, в частности, предложили новый метод проведения экспертизы пожарной безопасности объектов с помощью этой системы. Рассмотрим его сущность на конкретном примере.

Экспертиза пожарной безопасности

нового стадиона в г. Санкт-Петербурге

В г. Санкт-Петербурге, на западной оконечности Крестовского острова, на берегу Финского залива ведется строительство главного футбольного стадиона города. В дни футбольных матчей на трибунах стадиона будут собираться до 50 тыс. чел., комплексная (в том числе и пожарная) безопасность которых должна быть обеспечена на самом высоком уровне.

Первый шаг экспертизы заключается в выяснении дислокации ближайших подразделений гарнизона ППС города. Обнаруживается, что на самом Крестовском острове вообще отсутствуют какие-либо подразделения пожарной охраны, но в пределах 9 км от стадиона (по существующей транспортной сети города) дислоцируются 7 пожарных частей, первые подразделения которых могут прибыть к объекту только через 11-15 мин после поступления вызова, если все они окажутся свободными от обслуживания других вызовов (рис. 2).

Эти заключения можно сделать с помощью любой географической информационной системы (ГИС).

Далее авторами был разработан комплекс имитационных экспериментов, которые можно реализовать только с помощью компьютерной имитационной системы КОСМАС.

Рис. 2. Дислокация ближайших к исследуемому объекту пожарных частей (расстояния от исследуемого объекта до пожарных частей представлены по существующей транспортной сети города)

35,0 | 30,0 й 25,0

20,0 15,0 10,0 5,0

ю К

в

22,6 22,7 22,7 23,1 23,1 23,1 23,1 24,0 24,0 24,0 24'3

27,1 27,1 27,3

28,2 28,2 29,2 29,2

31,3 31,3 31,9

18,0 18,3 18,4 21-2

15,6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

Число отделений

Рис. 3. Распределение времени прибытия к исследуемому объекту для различного числа оперативных отделений

Комплекс экспериментов состоит из четырех серий (каждая по пять прогонов). В предположении, что на стадионе может возникнуть крупный пожар (взята наихудшая ситуация — ранг вызова № 5), на который в соответствии с расписанием выездов пожарных подразделений г. Санкт-Петербурга должны быть собраны порядка 27 оперативных отделений, были проиграны четыре возможных сценария сборатребуемых сил и средств гарнизона при:

• текущих параметрах оперативной обстановки в городе;

• гипотетическом увеличении плотности потока вызовов в 2 раза;

• возникновении ситуации одновременного обслуживания двух крупных пожаров (один —

Рис. 4. Кумулята времени прибытия к исследуемому объекту

0,9

на исследуемом объекте, другой — в соседних районах);

• изменении скоростных характеристик уличной сети города (образование "пробок", перекрытия улиц и т.п.).

Очевидно, что подобных вариантов моделирования, их комбинаций может быть достаточно много и все они могут быть реализованы только с помощью КИС КОСМАС.

Результаты моделирования оказались следующими:

1) при текущих параметрах оперативной обстановки в городе время сосредоточения необходимого количества сил и средств к исследуемому объекту по рангу вызова № 5 (27 оперативных отделений) в случае возникновения пожара будет находиться в интервале от 16 до 32 мин (рис. 3), при этом 50% сил и средств смогут прибыть к месту вызова только через 22-23 мин (рис. 4). Следует иметь ввиду, что все оперативные отделения соберутся в указанный интервал только в 34% случаев, в других случаях это время окажется большим (рис. 5);

2) при гипотетическом увеличении плотности потока вызовов в 2 раза время сосредоточения необходимого количества сил и средств в исследуемый район будет находиться в интервале от 16 до 48 мин, при этом только в 22% случаев все оперативные отделения соберутся в течение указанного интервала

Число отделений

Рис. 5. Распределение вероятностей прибытия к исследуемому объекту различного числа оперативных отделений

(за счет увеличения случаев одновременных вызовов). Для некоторых типов оперативных отделений возможны отклонения во времени прибытия до 45%, связанные с их занятостью обслуживанием других вызовов;

3) при возникновении ситуации одновременного обслуживания двух крупных чрезвычайных ситуаций (ЧС) на исследуемом объекте и в соседних районах время сосредоточения необходимого количества сил и средств существенно повысится и будет находиться в интервале от 20 до 80 мин. При этом для некоторых отделений возможны существенные отклонения времени прибытия (до 60%), а некоторые из них вообще не смогут своевременно прибыть к месту вызова в силу своей занятости на других вызовах, т.е. вместо 27 к месту вызова в указанные временные рамки сможет прибыть меньшее число оперативных отделений;

4) при изменении скоростных характеристик уличной сети города время сосредоточения необходимого количества сил и средств к месту вызова (при текущих параметрах оперативной обстановки) увеличится и будет находиться в интервале от 18 до 39 мин.

Рекомендации. Для обеспечения своевременного прибытия необходимого количества сил и средств противопожарной службы МЧС для ликвидации возможного пожара на футбольном стадионе можно предложить следующее:

1) для защиты исследуемого объекта и всего Крестовского острова, инфраструктура которого в соответствии с Генеральным планом развития горо-

да на период до 2025 г. будет интенсивно развиваться, можно рекомендовать размещение на острове небольшого пожарного депо (на 2-3 бокса). В этом случае время прибытия первых пожарных подразделений к исследуемому объекту снизится с 16 до 2-3 мин;

2) на исследуемом объекте можно предусмотреть оборудование 1-2 боксов для размещения пожарной техники и личного состава противопожарной службы для осуществления дежурства в период работы спортивного комплекса;

3) целесообразна организация на стадионе частной пожарной охраны для оказания помощи в обеспечении пожарной безопасности (по аналогии со спортивным комплексом "Лужники" в г. Москве);

4) в случае возникновения крупных ЧС в исследуемом районе следует производить передислокацию свободной техники из удаленных пожарных частей в расположенные вблизи исследуемого объекта, что позволит (в случае необходимости) снизить время прибытия в данный район первых оперативных подразделений.

Заключение

По предложенной схеме авторами проводится экспертиза пожарной безопасности различных объектов в г.г. Москве, Санкт-Петербурге, Сочи и др. Результаты экспертизы, в частности, сразу выявляют принципиальные недостатки в структуре и организации деятельности гарнизонов противопожарной службы исследуемых городов и эффективно помогают их устранить.

ЛИТЕРАТУРА

1. Брушлинский, Н. Н. Безопасность городов. Имитационное моделирование городских процес-совисистем/Н. Н. Брушлинский, С. В. Соколов, П. Вагнер [идр.]. — М.: ФАЗИС, 2004. — 172с.

2. Гудман, С. Введение в разработку и анализ алгоритмов / С. Гудман, С. Хидетниеме. — М.: Мир, 1981. — 366 с.

Поступила в редакцию 06.06.08.