2. Предложения по совершенствованию методов защиты лесов от пожаров

Как показывает опыт [3, 6-12], в борьбе с лесными пожарами большое значение имеет фактор времени. При этом важнейшей задачей является организация и эффективное использование имеющихся сил и средств пожаротушения [5].

При определении количества сил и средств для тушения лесных пожаров необходимо учитывать интенсивность процесса горения и скорость распространения лесного пожара, а также степень пожарной опасности [9, 12, 16]. На основании прогноза развития пожара с учетом лесопирологичних характеристик участков, окружающих пожар, с учетом возможных опорных линий (Рек, ручьев, лощин, дорог и др.) Разрабатывается план тушения лесного пожара, определяются приемы и способы остановки фронта огня. Руководитель тушения лесного пожара во всех случаях должна исходить из необходимости обеспечения наиболее быстрой локализации пожара силами, находящимися в его распоряжении, и средствами, используя, прежде всего, природные препятствия, что есть на местности, для устранения потенциальных путей распространения фронта огня, а также возможности современных эффективных средств и способов пожаротушения [6-8, 12].

1. Моделирование процесса течения лесных пожаров

В связи с тем, что экспериментальное изучение механизмов распространения лесных пожаров является дорогостоящим и не всегда удается проводить даже частичное физическое моделирование [11], сегодня представляют интерес теоретические методы исследования [3, 6-9]. В настоящее время существует значительное количество работ по прогнозированию путей распространения лесных пожаров. Одни из них основаны на физике процесса горения [11], другие - на статистических данных о реальных пожара [28, 10]. Успешность использования статистических моделей ограничена условиями, подобными тем, при которых происходили реальные пожары. Физико-математические же модели универсальны, поскольку учитывают любые природные условия.

Ранее для исследования процесса течения лесных пожаров, в основном использовали регрессионный анализ и статистические методы обработки экспериментальных данных [2, 7, 10]. Однако, регрессионные модели, полученные по результатам пассивных экспериментов, описывают результаты только определенной серии опытов соответствующего эксперимента, то есть не позволяют выявить закономерности влияния отдельных факторов на исследуемый объект. Поэтому одним из перспективных направлений исследования многостадийных процессов тушения лесных пожаров является имитационное моделирование [15, 19], основанное на физико-математических моделях процесса горения лесных горючих материалов (ЩЗМ), поскольку оно позволяет последовательно воспроизводить те события, которые должны происходить в физической системе в течение определенного времени с учета штатных и внештатных ситуаций.

Для моделирования процесса течения лесных пожаров на сегодня широко используется схема, которая использует классические шаблоны проектирования MVC (Model-ViewController1) [3, 16], которые состоят из трех уровней:

• модель (Model) - предоставляет данные (обычно для представления), а также реагирует на запросы (обычно от контроллера), изменяя свое состояние;

• представление (View) отвечает за отображение как входящей, так и полученной в процессе моделирования информации (пользовательский интерфейс);

• поведение (Controller) - интерпретирует данные, введенные пользователем, и информирует модель и представление о необходимости соответствующей реакции (управляющая логика).

В такой схеме проектирования как представление, так и поведение напрямую зависят от модели, однако модель не зависит ни от представления, ни от поведения. Это одно из ключевых преимуществ подобного разграничения, которая позволяет строить модель объекта управления независимо от визуального его представления, а также создавать несколько различных представлений для одной модели.

Поведение, то есть логическая часть шаблона проектирования MVC (уровень поведения) состоит из четырех основных блоков, каждый из которых направлен на решение одной из задач:

• прогнозирования причин возникновения ЛП, где осуществляется расчет пожарной опасности;

• прогнозирования путей распространения ЛП;

• оценка ущерба от ЛП;

• поддержка принятия управленческих решений для предупреждения и тушения ЛП.

Блок прогнозирования причин возникновения лесных пожаров состоит из двух подзадач: долгосрочное и краткосрочное прогнозирование.

Результаты долгосрочного прогнозирования причин возникновения лесных пожаров являются входными данными для разработки стратегии их предупреждения. Результаты краткосрочного прогнозирования используются при построении оперативных планов тушения лесных пожаров.

Под уровнем представления в схеме MVC понимается электронная карта, предоставляется руководителю тушения ЛП для визуального ознакомления с особенностями местности. Карта имеет послойную структуру и состоит из основных (статических) и дополнительных (динамических) слоев. Статические слои обычно отражают лисопирологичну характеристику местности, на которой могут возникать пожары. К таким слоев относятся участки леса (отражающие слои лиственных и хвойных пород, лесного молодняка или подстилки и т.д.), почвы, водные источники (которые показывают озера, болота, реки и т.д.), подъездные пути (дороги и тропы, которые отражают как в плане, так и с учетом набора высоты / спуска) и т.д. Динамические слои отражают данные, которые проходят предварительная обработка на уровне поведения. Это такие слои, как картографическая схема распределения пожарной опасности (заранее рассчитывается в блоке прогнозирования причин возникновения лесного пожара), динамика лесного пожара (определяется в блоке прогнозирования путей распространения лесных пожаров), а также системы поддержки принятия решений. Кроме этого, на динамическом слое визуально отображается штаб тушения лесного пожара, личный состав пожарно-спасательных подразделений (ПРП), а также размещения технических средств пожаротушения, количество и состав которых определяются в соответствующем блоке).

Модель - одна из трех составляющих шаблона проектирования MVC (уровень данных), которая описывает состояние пространственных данных на момент обнаружения лесного пожара, состоит из двух взаимосвязанных частей: картографической и атрибутивной. Картографические данные описывают позиционные характеристики участков местности (векторных объектов - топографию и инфраструктуру). Атрибутивные данные задают характеристики векторных объектов - динамику перемещения противопожарных сил и средств, а также метеорологические, лесорастительных и гидрологические условия.

Рассмотренная выше структура системы поддержки принятия решений при тушении лесных пожаров позволяет моделировать не только процесс их течения, но и спрогнозировать вероятность их возникновения, а также провести оценку материальных, экологических и социально-организационных последствий возможных пожаров с целью проведения мероприятий по их предупреждению и ликвидации.

2. Методы принятия управленческих решений при тушении лесных пожаров. В общем случае управление процессом тушения лесного пожара можно рассматривать как управление сложными организационными системами [15, 17, 18], который состоит из следующих этапов:

• сбор информации;

• принятия (изготовления и выбор) решения;

• реализация принятого решения.

Эти этапы циклически повторяются, при этом на каждом следующем шаге оценивается качество процесса управления на предыдущем шаге.

Для оценки качества процесса управления критерий, как правило, берут степень достижения поставленной цели [19] - минимальную продолжительность процесса тушения ЛП, минимальные убытки от ЛП (материальные, экологические, социально-организационные). Однако возможны и другие критерии, связанные с выбором траектории движения к достижению заданной цели [31]. Критерием эффективности в этом случае может быть максимальное быстродействие (скорость развертывания сил и средств) или минимальные затраты ресурсов (количество сил и средств) для достижения цели. В то же время, критерием эффективности системы управления может выступать точность, с которой она ведет объект / процесс по выбранной траектории. Для этого выясняют, не выходят отклонения (которые все равно неизбежны) за допустимые пределы (планировалось задействовать одни силы и средства, а использовано еще и резервные.

Система управления, основанная на обработке и анализе входящей и текущей информации об объекте / процесс управления, принимает соответствующие решения или подает некоторые распоряжения по желаемых дальнейших действий (текущие и перспективные планы процесса тушения ЛП, установки, приказы, комплекс физических управляющих воздействий и т.п.). Принятие управленческого решения всегда заключается в выборе некоторой альтернативы из множества допустимых вариантов.

Процессы принятия решений в сложных организационных системах базируются прежде всего на использовании эвристических методов [17], а они в то же время основываются на применении правил, приемов, упрощений, которые обобщают соответствующий опыт оисполнителя.

В процессе принятия управленческого решения руководителем тушения лесного пожара можно выделить несколько этапов [5, 19]. Основу принятия решения составляет так называемый модельный (воображаемый) эксперимент, предусматривает:

• построение мысленной модели объекта / процесса управления - управление процессом тушения лесного пожара;

• формулировка идеализированных условий, влияющих на модель управления - наличие достаточного количества сил и средств пожаротушения;

• произвольное комбинирование этих условий и их возможных воздействий на модель управления и оценивания мысленно соответствующих ситуаций и возможных последствий.

Реализуя модельный эксперимент, руководитель тушения лесного пожара должен проверить наличие в рабочей памяти руководящего устройства (в нашем случае системы поддержки принятия решения) готового "рецепта" (тактического плана тушения ЛП) для достижения поставленной цели (решение соответствующей задачи). Если такой план-рецепт существует и ситуация, ситуации подобная той, в которой этот план уже применялся, необходимо проанализировать возможные последствия от его реализации, предусмотреть при этом возможны отклонения, а также выработать соответствующие корректирующие решения.

Для принятия управленческих решений в детерминированных условиях успешно применяют математическое моделирование [6-8, 12]. Ведь с помощью таких моделей удается исследовать реальные лесные пожары, отыскивая при этом их характерные особенности и количественные параметры [12]. После длительных модельных экспериментов можно даже формулировать задачу прогнозирования [9], суть которой заключается в определении последствий, которых можно ожидать при реализации различных вариантов решений.

В процессе решения задач с помощью математического моделирования широко используют методы прикладной математики [11], в частности математическое программирование, методы прогнозирования, методы математической статистики, теории игр и т.п., а также компьютерную технику и соответствующие пакеты прикладных программ. Заметим, что для многих сложных организационных систем, имеющих детерминированный характер поведения, построено достаточно апробированы модели, которые хорошо зарекомендовали себя на практике. В частности, модели математического программирования широко используются для обоснования принятия решений по планированию пожаро - охранных мероприятий при имеющихся ограничений на ресурсы [7], планирование транспортных маршрутов доставки личного состава и технических средств [7], минимизации материальных затрат [13] и т.д.

Итак, руководителю тушения лесного пожара часто приходится принимать решения в условиях риска и неопределенности. Важное значение здесь имеет формализация процесса управления, разработка соответствующих методов принятия решений. В теории управления сложными организационными системами за последние годы разработаны и успешно применяются на практике различные подходы к решению этой проблемы. Одним из таких простых подходов является построение упрощенной модели объекта (процесса тушения лесного пожара) [9], причем упрощение достигается благодаря пренебрежению второстепенными факторами, обращению к простым общих правил, приспособлению к ближайшему горизонта планирования, пренебрежение риском, то есть заменам неопределенности возможных ситуации определенными определенными соотношениями. Эти методы позволяют осуществлять поиск управленческого решения даже тогда, когда не сформулированы постановку задачи и неизвестные способы ее решения. Рациональное сочетание алгоритмических и эвристических методов в процессе решения управленческих задач дает наибольший эффект.

Технологические методы так же могут активно применяться. Использование новых систем мониторинга уже проходят тестирование во многих лесничествах страны, есть такие системы и на рассматриваемом объекте, но их использование недостаточно эффективное. В частности опыт установки простых камер подобные тем что устанавливаются для контроля дорожного движения, охраны объектов показал что это не решение проблемы. Необходимо разработать специальное программное обеспечение (ПО) и создать ряд подходов, позволяющих эффективно использовать камеру. Без ПО к одной-двум камерам должен быть прикреплен человек, если же этих камер будет сто, то численность персонала возрастет в разы, при этом никто не отменял человеческий фактор. Пожар может возникнуть в тот самый момент, когда оператор отойдет от монитора. В связи с этим необходимо решение об автоматизации процесса наблюдения, позволяющей сократить использование человеческого труда при мониторинге леса.

Уже сейчас существует система « лесной дозор». "Система рассчитана так, что за наблюдением ста камер может отвечать один человек. Инновация заключается в том, как организована система, с минимальными затратами и максимальной эффективностью.

«Лесной дозор» представляет собой автоматизированный программно-аппаратный комплекс, предназначенный для мониторинга леса и раннего обнаружения лесных пожаров. Создание системы начинается с выбора вышек, принадлежащих операторам связи, на которых будут установлены камеры. При отборе вышек специалисты учитывают ряд важных параметров: особенности рельефа местности региона, технические характеристики основного оборудования, высоту вышки - все это требуется для оптимального расположения управляемых камер, способных менять угол обзора и приближать изображение объекта наблюдения. Затем камеры подключаются к единому программному обеспечению, собирающему видео с этих камер в единое целое. После того как система запущена, видео или фото (вопрос технологии) автоматически обрабатывается и в диспетчерский центр или лесхоз поступает готовая информация о возможном возгорании на основе признаков дыма. Диспетчер системы обрабатывает полученные данные, анализирует их и, установив факт возгорания, определяет координаты возможного пожара. На это уходит менее часа. Дальше итоговая площадь пожара зависит от скорости его тушения на месте. Основные характеристики системы: точность определения координат возгорания, надежность и скорость времени обнаружения задымленности. Именно эти показатели и данные важны и необходимы для того, чтобы силы и средства пожаротушения смогли добраться до очага возгорания и приступить к тушению пожара.

Еще одним техническим средством мониторинга является система беспилотного воздушного патрулирования. Отмечается, что сегодня именно беспилотные летательные аппараты широко используются, поскольку является недорогой альтернативой самолетам, вертолетам, мотодельтопланам и спутникам. Кроме высокой экономической эффективности (удешевление в десятки раз), БПЛА имеют дополнительные преимущества по сравнению с традиционным видом воздушного транспорта:

• небольшая высота работы возможно действовать на высотах от 10 до 200 метров для получения сверхвысокой точности (единицы и десятые сантиметра) на местности;

• точность - возможность детального облета небольших объектов и малых участков там, где это вполне нерентабельно или технически невозможно сделать другими способами, например, в условиях городской застройки;

• мобильность - не нужны аэродромы или специально подготовленные взлетные площадки, БПЛА легко транспортируются легковыми автомобилями (или переносятся вручную), отсутствует сложная процедура разрешений и согласования полетов;

• высокая оперативность - весь цикл, от выезда на снятие до получения результатов, занимает несколько часов;

• экологическая чистота полетов - используются маломощные бензиновые или бесшумные электрические двигатели, обеспечивается практически нулевое нагрузки на окружающую среду.

Эффективность применения беспилотных аппаратов различного назначения во многом определяется качеством функционирования командного и информационного каналов. Первый из них предназначен для передачи сигналов управления БПЛА из пункта управления на его бортовую аппаратуру, обрабатывания полученные команды управления. И по этим командами летательный средство меняет высоту, курс и скорость полета, а также отрабатывает смену режимов работы разведывательной и другой аппаратуры.

Рассмотрим плюсы и минусы применения БПЛА в лесном хозяйсве.

Плюсы:

• по своей цене за комплекс, БПЛА выгоднее аренды воздушных судов для авиапатрулирования и лесных работ.

• беспилотник позволит осуществлять патруль при любой необходимости и выдерживать необходимую кратность авиапатрулирования при определенном классе КПО.

• для управления беспилотником, требуется минимум 2 специалиста. Их обучение не превышает 2-х недель.

• работа БПЛА в воздухе может выполняться до 4 часов от взлета до посадки (в зависимости от погодных условий)

• при потере сигнала, активируется возврат на точку старта или посадка на месте при помощи парашюта. Любой отказ и аварийное приземление самолета не угрожает человеческим жизням при отсутствии экипажа на борту.

• Кроме того беспилотный аппарат как это уже говорилось ранее может совершать полеты на меньших высотах, за счет лучшей маневренности и способности испытывать большие перегрузки без опасности для жизни пилотов.

Минусы:

Их меньше, по сравнению с плюсами, но они на корню влияют на целесообразность некоторых работ, проводимых в лесном хозяйстве.

• Один из минусов БПЛА – ограничение по выбору места запуска. В таежных условиях, даже вертолетная площадка для транспортного воздушного судна типа Ми-8 может быть не пригодна для старта высокотехнологичного дрона. Это связано с перекрытием радиосигнала ближайшими сопками и высоким древостоем (до 40 метров). Площадка старта, для успешной работы должна располагаться на открытых и возвышенных местах, чтобы иметь устойчивый сигнал с беспилотным аппаратом.

• При дальности полета свыше 50-70 км от точки старта, требуется послеполетная обработка данных. Дело в том, что онлайн-трансляция не возможна на дальних расстояниях, поэтому видео полета по маршруту необходимо просматривать на месте базирования после всех воздушных работ. Это влияет на оперативность принятия решения при обнаружении нарушения либо лесного пожара, на точность определения его местоположения и на принятия необходимых мер по ликвидации пожара, если полет выполнялся по лесопатрулю.

• Еще одна проблема при применении беспилотных аппаратов: усложненное согласование маршрута полетов с Управлением воздушного движения. План на полет (flight plan) подается за сутки до начала работ. При этом, в районе работы БПЛА запрещаются полеты всех ВС от 0 метров до заявленной в плане высоты. Из таёжных мест приходится запрашивать разрешение у диспетчера УВД на начало работ за час до вылета и докладывать о ходе работы и окончании полетов. Это определено федеральными авиационными правилами в целях безопасности полетов всех ВС.

Анализируя все плюсы и минусы, напрашивается вывод, что применение беспилотных летательных аппаратов для лесного хозяйства возможно в регионах с равнинной местностью, либо в тех местах, где не требуется большая дальность полётов. По своим географическим условиям данные характеристики подходят к Иркутскому лесничеству, при этом стоимость часа патрулирования с помощью БПЛА среднего класса составляет 3000 рублей в час, в то же время самолет АН-2 в 2018 г. составляла 36000 рублей. То есть применение таких аппаратов, тем более при условии что территория лесничества относительно не большая является экономически оправданной.

Внедрение новых перспективных технологий создания огнезащитных опорных полос с использованием высокоэффективных огнетушащих составов с применением пенообразователей и пропиток является еще одним важным технологическим методом.

Рядом научных учреждений проводится работа по внедрению новых перспективных технологий создания огнезащитных опорных полос с использованием высокоэффективных огнетушащих составов с применением пенообразователей и пропиток, что по производительности равно прокладке минполосы механизированным способом, но менее затратно.

Так, стоимость работ по созданию минерализованной полосы механизированным способом составляет 4700 руб/км, а с использованием быстроотвердевающей негорючей минеральной пены с помощью моторизованного огнетушителя или воздуходувки – 2291 руб/км. Значительным преимуществом является возможность применять противопожарные полосы из быстроотвердевающей негорючей минеральной пены в тех местах, где работа тракторов невозможна или нет возможности доставить туда технику.

Кроме того, прорабатывается метод создания опорных полос из быстротвердеющей пены авиационным способом. В результате испытаний вертолётных сливных устройств для применения быстротвердеющей пены с дозировкой до 0,5 л/м², протяжённость пенной полосы за один слив составляла от 500 до 700 метров, в зависимости от скорости вертолета при сливе огнегасящей жидкости под высоким давлением. Отмечена целесообразность применения быстротвердеющей пены на открытых участках и редкостойных насаждениях, где пена создает протяженный негорючий противопожарный барьер.

Как альтернатива быстроотвердевающей негорючей минеральной пене ФБУ СПбНИИЛХ был разработан рулонный негорючий огнезащитный экраном, эффективный при высоте пламени до 1,5 м. В 2015 году огнезащитный экран в экспериментальном режиме применяли в Ульяновской и Ленинградской областях, в Краснодарском крае, а в 2016 году – при ликвидации ЧС в лесах, возникшей в следствие лесных пожаров на территории Республики Бурятия. Результаты испытаний в 2015 году показали эффективность его использования для локализации низовых пожаров на незахламленных лесных участках при условии обработки антипиреном напочвенного покрова вдоль нижней границы барьера. При соблюдении всех технологических условий барьер пригоден для многократного применения. Время установки экрана 7-10 минут протяженностью 50м.

Несомненным плюсом является возможность многократного применения экрана, высокая пригодность для транспортировки авиацией и выброски парашютным способом вместе с парашютистами-пожарными в район очага лесного пожара в труднодоступной местности, а также возможность использования в безводных районах.

Таким образом применение новых методов защиты лесов от лесных пожаров могут оказать реальную пользу для решения поставленных задач, при этом затраты на данные мероприятия, особенно по первому подблоку, сравнительно не велики.