firesmiПожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion SafetyPozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety0869-74932587-6201ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»10.22227/0869-7493.2023.32.01.57-68firesmi-1196Research ArticleМАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ И КОМПЛЕКСЫ ПРОГРАММMATHEMATICAL MODELING, NUMERICAL METHODS AND PROGRAM COMPLEXESМоделирование в области обеспечения пожарной безопасности (обзор)Modeling in the field of fire safety (review)https://orcid.org/0000-0003-0973-7095БрушлинскийН. Н.BruslinskiyN. N.

д-р техн. наук, профессор, академик РАЕН, заслуженный деятель науки РФ, профессор кафедры организации деятельности пожарной охраны (в составе учебно-научного комплекса систем обес­печения пожарной безопасности)

Dr. Sci. (Eng.), Professor, Acade­mician of Russian Academy of Natural Sciences, Honoured Scientist of the Russian Federation, Professor of Scientific and Educational Department.

nbrus1934@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2992-8510СоколовС. В.SokolovS. V.

д-р техн. наук, профессор, академик РАЕН, профессор кафедры организации деятельности пожарной охраны (в составе учебно-научного комплекса систем обеспечения пожарной безопасности)

Dr. Sci. (Eng.), Professor, Professor of Scientific and Educational Department

albrus-ssv@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3634-7842ГригорьеваМ. П.GrigorievaM. P.

канд. техн. наук, старший преподаватель кафедры организации деятельности пожарной охраны (в составе учебно-научного комплекса систем обеспечения пожарной безопасности)

Cand. Sci. (Eng.), Senior Lecturer of Scientific and Educational Department

margarita_theone@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9485-8766ВагнерП.WagnerP.

канд. техн. наук, заместитель начальника Пожарной Академии города Берлина, Германия, 13503, г. Берлин, Руппинер Шоссе, 268

Ph. D., Deputy Head of the Fire Academy of Berlin, Ruppiner Chaussee, 268, Berlin, 13503, Germany

Scopus Autor ID: 57201767243

 

drpeterwagner@freenet.deАкадемия Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий, Россия, 129366, г. Москва, ул. Бориса Галушкина, 4РоссияThe State Fire Academy of the Mini­stry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimi­nation on Consequences of Natural Disasters, Borisa Galushkina St., 4, Moscow, 129366, Russian FederationRussian FederationFire Academy of Berlin, Ruppiner Chaussee, 268, Berlin, 13503, GermanyGermany2023280220233215768Copyright © Брушлинский Н.Н., Соколов С.В., Григорьева М.П., Вагнер П., 20232023Брушлинский Н.Н., Соколов С.В., Григорьева М.П., Вагнер П.Bruslinskiy N.N., Sokolov S.V., Grigorieva M.P., Wagner P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.fire-smi.ru/jour/article/view/1196Введение

Введение. На сегодняшний день в области обеспечения пожарной безопасности существует множе­­ство (более 150) различных математических моделей, которые призваны решать задачи теплотехники, тепломассопереноса, движения людских потоков, динамики пожара в помещении и на открытых пространствах, а также определения параметров функционирования противопожарной службы. Системное исследование моделей в области пожарной безопасности было начато в 1970-е гг. и продолжается по сей день. В данной статье представлены результаты научного обобщения математических методов в области обеспечения пожарной безопасности и даны краткие исторические предпосылки их создания.

Цели и задачи

Цели и задачи. Научное обобщение основных математических моделей, применяемых для решения научно-­технических задач в области обеспечения пожарной безопасности.

Методы

Методы. Методы системного анализа.

Результаты

Результаты. В статье представлены результаты обзора разнообразных математических моделей в области обеспечения пожарной безопасности. Исследование охватило множество теорий в сфере пожарной без­опасности (теории пожарной безопасности веществ и материалов, технологий, зданий и сооружений, огнестойкости строительных конструкций и зданий, профилактики пожаров, организации, функционирования и управления противопожарной службой и многое другое). Рассмотрены основные прикладные матема­тические методы (аналитические, вероятностные, имитационные), содержащиеся в описанных теориях пожарной безопасности.

Обсуждение

Обсуждение. В статье перечислены более 150 моделей пожаров разных типов и классов. В большинстве из них описываются процессы тепломассопереноса при пожарах, динамика пожаров, поведение веществ, материалов, строительных конструкций и прочее в условиях пожара. Также в исследовании уделено внимание вероятностным моделям теории функционирования экстренных и аварийно-спасательных служб.

Выводы

Выводы. В настоящее время происходит формирование общей теории обеспечения пожарной безопасности, представляющей собой совокупность физико-химических, математических, экономико-математических и иных моделей возникновения, развития и ликвидации пожаров в зданиях и вне их в условиях применения пассивных и активных средств борьбы с ними.

Introduction

Introduction. To date, there are many (over 150) different mathematical models developed in the field of fire safety. These models are designed to (1) solve problems of heat engineering, heat and mass transfer, human flows, indoor and outdoor fire behaviour, and (2) determine parameters of operation of fire service departments. System research into fire safety models was initiated in the 1970s, and it has been conducted since then. This article presents the results of scientific generalization of mathematical methods of fire safety and provides a brief historical background of the issue.

Targets and goals

Targets and goals. Scientific generalization of basic mathematical models used to solve research and engineering problems of fire safety.

Methods

Methods. Methods of systems analysis.

Results

Results. The article presents the results of a review of various mathematical models of fire safety. The study encompasses many theories (theories of fire safety of substances and materials, technologies, buildings and structures, fire resistance of building structures and buildings, fire prevention, organization, operation and management of fire service departments, etc.). Principal mathematical methods (analytical and probabilistic ones, as well as simulation), employed by the above theories of fire safety, are considered.

Discussion

Discussion. The authors list more than 150 fire models of different types and classes. Most of them deal with processes of heat and mass transfer during fires, the fire behaviour, the behavior of substances, materials, building structures, etc. on fire. The study also focuses on probabilistic models of the theory of emergency rescue services operation.

Conclusions

Conclusions. Currently, a general theory of fire safety is being developed. It is a combination of physicochemical, mathematical, economic-mathematical and other models describing the break-out, development and elimination of fires inside and outside of buildings in case of application of passive and active fire-fighting appliances.

математическая модельметоды системного анализавероятностный методимитационный методфункционирование экстренных службпожарная опасностьmathematical modelmethods of systems analysisprobabilistic methodsimulation methodemergency service activitiesfire hazardReferencesCohen J. Human ancestors tamed fire earlier than thought. 2018. URL: https://www.history.com/news/human-ancestors-tamed-fire-earlier-than-thought (Accesed September 15, 2022).Cohen J. Human ancestors tamed fire earlier than thought. 2018. URL: https://www.history.com/news/human-ancestors-tamed-fire-earlier-than-thought (Accessed September 15, 2022).Брушлинский Н.Н., Соколов С.В., Вагнер П. Человечество и пожары (краткий очерк). М. : ИПЦ Маска, 2007. 140 с.Brushlinsky N.N., Sokolov S.V., Wagner P. Humanity and Fires (short essay). Moscow, IPC Maska, 2007; 140. (rus).Моделирование пожаров и взрывов / под ред. Н.Н. Брушлинского, А.Я. Корольченко. М. : Пожнаука, 2000. 482 с.Simulation of fires and explosions. Brushlinskogo N.N., Korolchenko A.Ya. (ed.). Moscow, Pozhnauka Publ., 2000; 482. (rus).Пузач С.В. Методы расчета тепломассообмена при пожаре в помещении и их применение при решении практических задач пожаровзрывобезопасности : монография. М. : Академия ГПС МЧС России, 2005. 336 c.Puzach S.V. Methods for calculating heat and mass transfer during a fire in a room and their application in solving practical problems of fire and explosion safety. Moscow, Akademiya GPS MChS Rossii, 2005; 336. (rus).Молчадский И.С. Пожар в помещении. M. : ВНИИПО, 2005. 456 c.Molchadskiy I.S. Fire in the compartment. Moscow, VNIIPO, 2005; 456. (rus).Гришин А.М. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними. Новосибирск : Наука, 1992. 408 c.Grishin A.M. Mathematical modeling of forest fires and new ways to fight them. Novosibirsk, Nauka Publ., 1992; 408. (rus).Drysdale D. An introduction to fire dynamics. 2nd ed. Chichester : John Wiley & Sons, 2002.Drysdale D. An introduction to fire dynamics. 2nd ed. Chichester, John Wiley & Sons, 2002.Freedman R. Survey of competer models for fire and smoke. Factory Mutual Research Corp. USA, 1991.Freedman R. Survey of competer models for fire and smoke. Factory Mutual Research Corp. USA, 1991.Гинзбург В.Л. Какие проблемы физики и астрофизики представляются сейчас особенно важными и интересными (тридцать лет спустя, причем уже на пороге XXI века)? // Успехи физических наук. 1999. T. 169. № 4. С. 420–441.Ginzburg V.L. What problems of physics and astrophysics seem especially important and interesting now (thirty years later, and already on the threshold of the 21st century)? Advances in the Physical Sciences. 1999; 169(4):420-441. (rus).Zhang T., Wang Z., Wong H.Y., Tam W.Ch., Huang X., Xiao F. Real-time forecast of compartment fire and flashover based on deep learning // Fire Safety Journal. 2022. Vol. 130. P. 103579. DOI: 10.1016/j.firesaf.2022.103579Zhang T., Wang Z., Wong H.Y., Tam W.Ch., Huang X., Xiao F. Real-time forecast of compartment fire and flashover based on deep learning. Fire Safety Journal. 2022; 130:103579. DOI: 10.1016/j.firesaf.2022.103579Nguyen H.T., Abu-Zidan Y., Zhang G., Nguyen K.T.Q. Machine learning-based surrogate model for calibrating fire source properties in FDS models of facade fire tests // Fire Safety Journal. 2022. Vol. 130. P. 103591. DOI: 10.1016/j.firesaf.2022.103591Nguyen H.T., Abu-Zidan Y., Zhang G., Nguyen K.T.Q. Machine learning-based surrogate model for calibrating fire source properties in FDS models of facade fire tests. Fire Safety Journal. 2022; 130:103591. DOI: 10.1016/j.firesaf.2022.103591Yakhou N., Thompson P., Siddiqui A., Abualdenien J., Ronchi E. The integration of building information modelling and fire evacuation models // Journal of Building Engineering. 2021. Vol. 63. P. 105557. DOI: 10.1016/j.jobe.2022.105557Yakhou N., Thompson P., Siddiqui A., Abualdenien J., Ronchi E. The integration of building information modelling and fire evacuation models. Journal of Building Engineering. 2021; 63:105557. DOI: 10.1016/j.jobe.2022.105557Пузач С.В., Колодяжный С.А., Колосова Н.В. Модифицированная зонная модель расчета термогазодинамики пожара в помещении, учитывающая форму конвективной колонки // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2015. Т. 24. № 12. С. 33–39. DOI: 10.18322/PVB.2015.24.12.33-39Puzach S.V., Kolodyazhnyy S.A., Kolosova N.V. Modified zonal model for calculating of the fire gas dynamics in the room taking into account the form of convective column. Pozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety. 2015; 24(12):33-39. DOI: 10.18322/PVB.2015.24.12.33-39 (rus).Пузач С.В., Мустафин В.М., Акперов Р.Г. Новый подход к расчету времени блокирования путей эвакуации по потере видимости в дыму при пожаре в помещении // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2021. Т. 30. № 3. С. 76–87. DOI: 10.22227/0869-7493.2021.30.03.76-87Puzach S.V., Mustafin V.M., Akperov R.G. A new approach to calculating the time to the blocking of the escape routes due to the loss of visibility in the smoke of an indoor fire. Pozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety. 2021; 30(3):76-87. DOI: 10.22227/0869-7493.2021.30.03.76-87 (rus).Lafdal B., Djebbar R., Boulet P., Mehaddi R., Koutaib E.M., Beji T., Torero J.L. Numerical study of the combustion regimes in naturally-vented compartment fires // Fire Safety Journal. 2022. Vol. 131. P. 103604. DOI: 10.1016/j.firesaf.2022.103604Lafdal B., Djebbar R., Boulet P., Mehaddi R., Koutaib E.M., Beji T., Torero J.L. Numerical study of the combustion regimes in naturally-vented compartment fires. Fire Safety Journal. 2022; 131:103604. DOI: 10.1016/j.firesaf.2022.103604Cao R.F., Lee E.W.M., Xie W., Gao D.L., Chen Q., Yuen A.C.Y. et al. Development of an agent-based indoor evacuation model for local fire risks analysis // Journal of Safety Science and Resilience. 2022. Vol. 4. Issue 1. Pp. 75–92. DOI: 10.1016/j.jnlssr.2022.09.006Cao R.F., Lee E.W.M., Xie W., Gao D.L., Chen Q., Yuen A.C.Y. et al. Development of an agent-based indoor evacuation model for local fire risks analysis. Journal of Safety Science and Resilience. 2022; 4(1):75-92. DOI: 10.1016/j.jnlssr.2022.09.006Li Y., Ko Y., Lee W. RGB image-based hybrid model for automatic prediction of flashover in compartment // Fire Safety Journal. 2022. Vol. 132. P. 103629. DOI: 10.1016/j.firesaf.2022.103629Li Y., Ko Y., Lee W. RGB image-based hybrid model for automatic prediction of flashover in compartment. Fire Safety Journal. 2022; 132:103629. DOI: 10.1016/j.firesaf.2022.103629Юдович В.И. Глобальная разрешимость против коллапса в динамике несжимаемой жидкости // Математические события XX века. M. : ФАЗИС, 2003. C. 519–548.Yudovich V.I. Global solvability versus collapse in incompressible fluid dynamics. Mathematical events of the twentieth century. Moscow, FAZIS Publ., 2003; 519-548. (rus).Брушлинский Н.Н., Соколов С.В., Вагнер П. и др. Безопасность городов: имитационное моделирование городских процессов и систем. М. : ФАЗИС, 2004. 172 с.Brushlinskiy N.N., Sokolov S.V., Vagner P., et al. Security of cities: simulation of urban processes and systems. Moscow, FAZIS Publ., 2004; 172. (rus).Брушлинский Н.Н., Соколов С.В. Основы теории организации, функционирования и управления экстренными и аварийно-спасательными службами : монография. М. : Академия ГПС МЧС России, 2018. С. 92.Brushlinskiy N.N., Sokolov S.V. Fundamentals of the theory of organization, functioning and management of emergency and rescue services : monograph. Moscow, Akademiya GPS MChS Rossii 2018; 92. (rus).Алехин Е.М., Брушлинский Н.Н., Коломиец Ю.И., Соколов С.В., Вагнер П. Проблемно-ориентированные имитационные системы для автоматизированного проектирования и стратегического управления экстренными и аварийно-спасательными службами городов // Вестник РАЕН. 2012. Т. 12. № 3. С. 27–34. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=23640414Alekhin E.M., Brushlinskiy N.N., Kolomiyets Yu.I., Sokolov S.V., Vagner P. Task-oriented simulation systems for automating projection and strategic management of the city emergency services. Herald of Education and Science Development of the Russian Academy of Natural Sciences. 2012; 12(3):27-34. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=23640414 (rus).Carter G.M., Ignall E.J. A simulation model of fire department operations: Design and preliminary results // IEEE Transactions on Systems Science and Cybernetics. 1970. Vol. 6. Issue 4. Pp. 282–293. DOI: 10.1109/TSSC.1970.300303Carter G.M., Ignall E.J. A simulation model of fire department operations. Design and preliminary result. IEEE Trans. System Sci. and Cybernetics. 1970; 40:282-293.Sauders P.B. A computer model for simulating the response activities of a fire department. NBS report 10488. 1971.Sauders P.B. A computer model for simulating the response activities of a fire department. NBS report 10488. 1971.Grace M. Carter. Simulation model of fire department operation. Program description. RB-242-400. USA, NY : The New York Rand Institute, 1974. 214 p.Carter G.M. Simulation model of fire department operation. Program description. RB-242-400. USA, NY : The New York Rand Institute, 1974; 214.Брушлинский Н.Н., Гришин А.Ф., Соболев Н.Н. Об имитационном моделировании процесса функционирования пожарной охраны // Вопросы экономики в пожарной охране : сб. науч. тр. Вып. 6. М. : ВНИИПО, 1977. С. 51–55.Brushlinskiy N.N., Grishin A.F., Sobolev N.N. On simulation modeling of the process of functioning of the fire department. Economics in the fire department/Proceedings of VNIIPO. Vol. 6. Moscow, VNIIPO, 1977; 51-55. (rus).Брушлинский Н.Н., Лысов Р.Н., Гришин А.Ф. Об одной имитационной модели процесса функционирования пожарной охраны // Вопросы экономики в пожарной охране. Вып. 7 : сб. науч. тр. М. : ВНИИПО, 1978. С. 10–14.Brushlinskiy N.N., Lysov R.N., Grishin A.F. On one simulation model of the process of functioning of the fire department. Economics and management in fire protection. Proceedings of VNIIPO, Vol. 7. Moscow, VNIIPO, 1978; 10-14. (rus).Гаврилей В.М., Гришин А.Ф. Совершенствование системы противопожарной защиты города на основе методов имитационного моделирования // Экономика и управление в пожарной охране : сб. науч. тр. М. : ВНИИПО, 1983. С. 54–59.Gavriley V.M., Grishin A.F. Improving the system of fire protection of the city based on simulation methods. Economics and management in fire protection. Proceedings of VNIIPO. Moscow, VNIIPO, 1983; 54-59. (rus).Сон Э.Г., Васильев Е.П., Копченов В.Н., Вилитенко А.Г. Имитационная модель функционирования пожарной охраны // Проблемы безопасности объектов народного хозяйства и административно-территориальных единиц : сб. науч. тр. М. : ВНИИПО, 1988. С. 66–74.Son E.G., Vasilyev E.P., Kopchenov V.N., Vilitenko A.G. Simulation model of the functioning of the fire department. Problems of security of objects of the national economy and administrative-territorial units. Moscow, VNIIPO, 1988; 66-74. (rus).Алехин Е.М., Брушлинский Н.Н., Соколов С.В. Компьютерные имитационные системы для деятельности экстренных служб города // Программные продукты и системы. 1994. № 4. C. 27–32.Alekhin Ye.M., Brushlinskiy N.N., Sokolov S.V. Computer simulation systems for the activities of emergency services of the city. 1994; 4:27-32. (rus).Alekhin E.M., Bruschlinsky N.N., Sokolov S.V., Wagner P. Russian simulation for strategic planning // Fire International. 1996. No. 11. Pp. 32–33.Alekhin E.M., Bruschlinsky N.N., Sokolov S.V., Wagner P. Russian simulation for strategic planning. Fire International. 1996; 11:32-33.Колин К.К. Будущее информатики в XXI веке: российский ответ на американский вызов // Открытое образование. 2006. № 2. C. 73–77.Kolin K.K. The future of informatics in the 21st century: Russian response to the American challenge. “OpenБрушлинский Н.Н. Мировая пожарная статистика и ее роль в обеспечении пожарной безопасности на планете // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 1997. Т. 6. № 4. С. 81–86.Education”. Open Education. 2006; 2:73-77. (rus).Самошин Д.А. Методологические основы нормирования безопасной эвакуации людей из зданий при пожаре : дис. … д-ра техн. наук. М., 2017. 357 с.Brushlinskiy N.N. World fire statistics and its role in ensuring fire safety on the planet. Pozharovzryvobezopasnost/Fire and explosion safety. 1997; 6(4):81-86. (rus).Холщевников В.В. Людские потоки в зданиях, сооружениях и на территории их комплексов : дис. … д-ра техн. наук. М., 1983. 357 с.Samoshin D.A. Methodological basics of regulation of safe people evacuation from buildings in case of fire : Dissertation of the Doctor of Technical Sciences. Moscow, 2017; 357. (rus).Babrauskas V. Analyzing ignition data for fire modeling purposes // Fire and Materials. 2021. Vol. 46. Issue 6. Pp. 896–904. DOI: 10.1002/fam.3037Kholshchevnikov V.V. Human flows in buildings, structures and on the territory of their complexes : Dissertation of the Doctor of Technical Sciences. Moscow, 1983; 357.Mendez A., Farazmand M. Quantifying rare events in spotting: How far do wildfires spread? // Fire Safety Journal. 2022. Vol. 132. P. 103630. DOI: 10.1016/j.firesaf.2022.103630Babrauskas V. Analyzing ignition data for fire modeling purposes. Fire and Materials. 2021; 46(6):-904. DOI: 10.1002/fam.3037-904. DOI: 10.1002/fam.3037Farazmand A.M.M. Quantifying rare events in spotting: How far do wildfires spread? Fire Safety Journal. 2022; 132:103630. DOI: 10.1016/j.firesaf.2022.103630Farazmand A.M.M. Quantifying rare events in spotting: How far do wildfires spread? Fire Safety Journal. 2022; 132:103630. DOI: 10.1016/j.firesaf.2022.103630

The authors declare that there are no conflicts of interest present.