Моделирование в области обеспечения пожарной безопасности (обзор)

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

Методы. Методы системного анализа.

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. 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. 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.

1. Cohen 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).

2. Брушлинский Н.Н., Соколов С.В., Вагнер П. Человечество и пожары (краткий очерк). М. : ИПЦ Маска, 2007. 140 с.

3. Моделирование пожаров и взрывов / под ред. Н.Н. Брушлинского, А.Я. Корольченко. М. : Пожнаука, 2000. 482 с.

4. 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.

5. Молчадский И.С. Пожар в помещении. M. : ВНИИПО, 2005. 456 c.

6. Гришин А.М. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними. Новосибирск : Наука, 1992. 408 c.

7. Drysdale D. An introduction to fire dynamics. 2nd ed. Chichester : John Wiley & Sons, 2002.

8. Freedman R. Survey of competer models for fire and smoke. Factory Mutual Research Corp. USA, 1991.

9. 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.

10. 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.2022.103579

11. Nguyen 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.2022.103591

12. Yakhou 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.2022.105557

13. Пузач 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.2015.24.12.33-39

14. 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: 10.22227/0869-7493.2021.30.03.76-87

15. 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.2022.103604

16. Cao 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.2022.09.006

17. Li 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.2022.103629

18. Юдович В.И. Глобальная разрешимость против коллапса в динамике несжимаемой жидкости // Математические события XX века. M. : ФАЗИС, 2003. C. 519–548.

19. Брушлинский Н.Н., Соколов С.В., Вагнер П. и др. Безопасность городов: имитационное моделирование городских процессов и систем. М. : ФАЗИС, 2004. 172 с.

20. 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.

21. 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=23640414

22. 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.1970.300303

23. Sauders P.B. A computer model for simulating the response activities of a fire department. NBS report 10488. 1971.

24. Grace M. Carter. Simulation model of fire department operation. Program description. RB-242-400. USA, NY : The New York Rand Institute, 1974. 214 p.

25. 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.

26. 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.

27. 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.

28. 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.

29. 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.

30. Alekhin E.M., Bruschlinsky N.N., Sokolov S.V., Wagner P. Russian simulation for strategic planning // Fire International. 1996. No. 11. Pp. 32–33.

31. Колин К.К. Будущее информатики в XXI веке: российский ответ на американский вызов // Открытое образование. 2006. № 2. C. 73–77.

32. Брушлинский 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.

33. Самошин Д.А. Методологические основы нормирования безопасной эвакуации людей из зданий при пожаре : дис. … д-ра техн. наук. М., 2017. 357 с.

34. Холщевников В.В. Людские потоки в зданиях, сооружениях и на территории их комплексов : дис. … д-ра техн. наук. М., 1983. 357 с.

35. Babrauskas V. Analyzing ignition data for fire modeling purposes // Fire and Materials. 2021. Vol. 46. Issue 6. Pp. 896–904. DOI: 10.1002/fam.3037

36. 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.2022.103630