Статистика пожаров / Центр пожарной статистики CTIF / ctif_report10_world_fire_statistics_2005

World fire statistics / Мировая пожарная статистика / Weltfeuerwehrstatistik

реализации современной вычислительной техники.

Вдействительности все выглядит значительно сложнее даже для проблемы пожаров в зданиях, а ведь не меньшую сложность представляют для изучения и моделирования пожары вне зданий, например, крупномасштабные пожары, пожары резервуаров, в шахтах, туннелях, газовых и нефтяных фонтанов, на транспорте, степные, лесные пожары и т.д.

Всамом деле, важнейшим параметром возможного пожара в помещении, характеризующим пожарную опасность данного объекта, является так называемая удельная тепловая мощность пожара в единицу времени. ¸е оценка требует учета вида горючей нагрузки (ее физико-химических параметров, общего количества), строительных и архитектурных особенностей этого объекта, возможных условий и сценариев развития в нем пожара (степени разрушения остекленных проемов, ограждающих конструкций), от чего существенно зависит характер тепло- и массообмена при пожаре в данном помещении,

азначит, и его последствия, условия его ликвидации.

Совершенно очевидно, что значительная часть перечисленных здесь факторов и параметров не может быть задана каким-то единственным набором числовых значений. Наоборот, здесь принципиально допустимо широкое варьирование этих значений и огромное количество возможных вариантов их сочетаний. К этому следует добавить вероятностные оценки надежности и эффективности автоматических систем пожарной сигнализации и пожаротушения, условий эвакуации людей из горящего здания, чтобы сделать вывод о том, что любой реальный пожар можно и нужно рассматривать как сложнейший случайный процесс (в теоретиковероятностном смысле), характеризуемый многократной неопределенностью. В частности, по нашему мнению, теория огнестойкости дальнейшее существенное развитие получит именно на стохастической основе.

Следовательно, наряду с аналитическими детерминированными моделями пожаров разных типов и классов, необходимо развивать и аналитические вероятностные модели пожаров.

Однако, учитывая ограниченность возможностей любых аналитических моделей, обусловленную нынешним состоянием математической науки, выход нужно искать на пути создания все более мощных имитационных моделей пожаров и связанных с ними процессов. Напомним, что имитационные модели представляют собой совокупность программ для ЭВМ, с помощью которых воспроизводятся алгоритмы и процедуры, описывающие свойства и динамику

интересующих нас процессов. Их использованию способствует быстрое развитие современной вычислительной математики и вычислительной техники.

Fig. 22.6-5: Example for result of 3D-modeling fires with field model SOPHIE - temperature fields at fire of electric cables in a big room

Рис. 22.6-5: Пример результата 3Dмоделирования пожарав с помощью полевой моделью SOPHIE - поля температур в большом помещении при горении потока кабелей

Bild 22.6-5: Beispiel für Ergebnis einer 3DBrandmodellierung mit dem Feldmodell SOPHIE –

Temperaturfelder bei der Verbrennung von elektrischen Kabeln in einem Raum

В заключительной части этого раздела мы предлагаем вернуться к вышеупомянутой статье ЭММОНСА. Успехи науки о пожарах в ХХI в. Эммонс видит, во-первых, в создании и широком использовании негорючих материалов на минеральной основе (к 2025 г.); во-вторых, в создании к 2030 г. принципиально нового поколения оптических компьютеров, что позволит в период с 2030 по 2080 гг. полностью пересмотреть все теоретические концепции науки о пожарах. В начале ХХII в., по мнению Эммонса, новые идеи, новые математические методы и высокопроизводительные компьютеры окончательно откроют путь к полному пониманию турбулентности, что позволит решить все проблемы динамики пожара.

Наконец, в ХХIII в. автор работы предсказывает заключительный переворот в науке о пожарах благодаря замечательным открытиям и упрощениям в области квантовой химии, что должно позволить получить адекватные физико-химические модели пожара. Это и будет означать (по мнению Эммонса) победу человечества над пожарами (но, добавим мы, только в научном, теоретическом плане).

Report №10 – CFS of CTIF

130

INTERSCHUTZ 2005

World fire statistics / Мировая пожарная статистика / Weltfeuerwehrstatistik

Во всяком случае, мы не сомневаемся в том, что исследование и расследование многих пожаров уже в ººI в. будет проводиться с помощью их моделей. Это же относится к реализации идей гибкого нормирования.

22.6 - Brandmodellierung

Um die realen Brandrisiken in verschiedenen Objekten der Volkswirtschaft (Gebäude, technische Bauwerke usw.) einzuschätzen sowie effizient mit ihnen umgehen zu können (aus Sicht der Brandsicherheit), ist es erforderlich, aus der Position der gegenwärtigen wissenschaftlichen Vorstellungen über „Brände“, so tiefgründig und detailliert wie möglich die Gesetzmäßigkeiten von Bränden aller Klassen und Typen zu erforschen.

Folglich ist es in erster Linie erforderlich, die Bewegungen der Wärmeund Gasströme im Brandobjekt unter Brandbedingungen mathematisch zu beschreiben. Zur Ausarbeitung solcher Modelle werden hauptsächlich die Gleichungen nach NOVIER-STOKES, d.h. Differentialgleichungen zur Beschreibung der Bewegung viskoser Flüssigkeiten oder von Gasen, verwendet. Diese Gleichungen sind der mathematische Ausdruck des Impulsund Massenerhaltungsgesetzes. Zur Untersuchung von unter Druck stehenden Strömungen (Gase, Flüssigkeiten) sind weiterhin Zustandsgleichungen einzuarbeiten, welche die Wechselwirkungen zwischen Druck, Dichte und Temperatur beschreiben. Abgerundet wird das Modell mit einer Gleichung, die den Energiehaushalt des Brandobjektes beschreibt.

Erstmals wurden diese Gleichungen 1822 vom französischen Wissenschaftler NOVIER (17851836), später vom Franzosen POISSON (1781-1840) sowie vom Engländer STOKES (1819-1903) hergeleitet. Gleichwohl, bis zur heutigen Zeit, also nach mehr als 150 Jahren, liegt kein streng mathematisches Ergebnis zur Lösung von Randbedingungen dieser Prozesse (insbesondere betreffs der Hydromechanik der Gleichung für unter Druck stehende Gase) vor.

Es gibt einige Ergebnisse in der mathematischen Theorie zur Dynamik viskoser nicht komprimierter Flüssigkeiten. Der bestehende mathematische Formelapparat nutzt Näherungsberechnungen, die auf vereinfachenden Modellansätzen beruhen.

Zur Lösung einiger Aufgabenklassen der Dynamik viskoser Flüssigkeiten oder von Gasen wurden hinreichend effektive EDV-Algorithmen, auf Differenzenschemen basierend, ausgearbeitet. Doch deren breite Anwendung ließ bis 1960-70 auf sich warten. Grund hierfür war die fehlende Computertechnik.

Fig. 22.6-6: K.D.T. RUNGE (1856-1927)

Genau in dieser Zeit begann die aktive Konstruktion von Brandmodellen, zuerst im zweiund später im dreidimensionalen Raum. Heute spricht man schon über „vierdimensionale Modelle„ (Modelle nach MINKOWSKI (1864-1909) im Raum-Zeit-Kontinuum). Diese Modelle basieren auf den oben genannten Gleichungssystemen der Mechanik deformierbarer Medien:

rheologisches Gesetz nach STOKES,

Gesetz der Wärmeleitung nach FOURIER (17681830),

Diffusionsgesetze,

Gesetze der Wärmestrahlung in Gasen,

u.a.m.

Dennoch weist dieses Brandmodell (System von Differentialgleichungen in Form von partiellen Ableitungen) nicht unerhebliche Nachteile auf:

es ist sehr umfangreich, da die Berechnung eines Brandszenarios, und dies sogar mit moderner leistungsfähiger Computertechnik, einen großen Zeitaufwand erfordert;

eine Vielzahl von Varianten muss berechnet werden, um ein sicheres Ergebnis zu erzielen;

prinzipielle Abhängigkeit der Berechnungsergebnisse von den Charakteristika des gewählten Brandherdes (Brandausbruchstelle);

prinzipielle Abhängigkeit von den ausgewählten Variationen der

Brandausbreitung im Brandobjekt.

Ein anderes Problem bei der Anwendung der Differentialmodelle (Feldmodelle) besteht darin, dass die Problematik der Turbulenzen (unkontrollierbare und unvorhersehbare

Report №10 – CFS of CTIF

131

INTERSCHUTZ 2005

World fire statistics / Мировая пожарная статистика / Weltfeuerwehrstatistik

Massenbewegungen von Gasen im Raum) bislang nur unzureichend erforscht, deren Berücksichtigung aber zwingend erforderlich ist.

Ungeachtet dieser Schwierigkeiten wurden in den letzten 15 Jahren unter den gemeinsamen Anstrengungen von Wissenschaftlern verschiedener Staaten leistungsfähige computerorientierte Feldmodelle entwickelt:

SOFIE

JASMINE

PHOENICS

und andere mehr.

In Osteuropa wurde die Ausarbeitung von Feldmodellen zur Brandmodellierung fast ausschließlich in der Sowjetunion betrieben (ab Ende der 70er Jahre):

KOSCHMAROW J.A., MOLSCHTADSKIJ I.C.;

RIGOW A.M., ATABEKOW I.U.;

MACHWILADZE G.M., ASTACHOVA I.F.,

SNEGIREW A.J.

Diese Systeme ermöglichen die Realisierung und Untersuchung verschiedenartiger Brandszenarien. Insgesamt gesehen befinden wir uns erst am Anfang eines komplizierten und langen Prozesses der Schaffung adäquater mathematischer Feldmodelle, anwendbar für die Computersimulation in verschiedenartigen Objekten und ihrer effektiven Anwendung in der Praxis (d.h. nicht nur im Bereich der Forschungseinrichtungen). Zwar ermöglichen Feldmodelle, im Vergleich zu allen anderen mathematischen Brandmodellen, im Prinzip hinreichend vollständige und genaue Informationen des zu untersuchenden Brandprozess zu beschaffen, dennoch sind solche Informationen nicht für alle brandschutztechnischen Anwendungsfälle erforderlich. Aufwand und Nutzen stehen oft in keinem vertretbaren Verhältnis zueinander.

Darum werden in vielen praktischen Fällen sehr erfolgreich andere, weitaus einfachere mathematische Brandmodelle angewandt. Hierbei sind in erster Linie die so genannten Intergralmodelle (Zonenmodelle) zu nennen.

Diese Modelle beschreiben die Veränderung der auf das Volumen bezogenen mittleren Parameter des Gassystems im Brandobjekt (Dichte, Druck, Konzentration der verschiedenen Medien, Temperatur) während eines Raumbrandes.

Die Bestimmung der Mittelwerte dieser Kenngrößen wird theoretisch unter Anwendung der Mittelwertsätze und praktisch durch vereinfachte Rechenalgorithmen erzielt. Weiter werden auf der Grundlage des Gesetzes über die Erhaltung der Masse und des Ersten Gesetzes der Thermodynamik die so genannten

„Brandgleichungen“ abgeleitet:

Materialbalance,

Sauerstoffbalance,

Balance der Verbrennungsprodukte,

Balance der inerten Gase,

Energiebalance.

Dann werden

die gemittelte Zustandsgleichung der Brandmedien (Stoffe, die sich im Brandobjekt befinden ),

die durch sie hervorgerufene bzw. erwartete mittlere Raumtemperatur,

die mittlere Druckund Dichtekomponente hinzugefügt.

Schließlich werden dem so formulierten Brandszenario die Ausgangsbedingungen, d.h. die mittleren Kenngrößen des Zustandes des Brandobjektes vor Brandausbruch vorgegeben.

Die Gesamtheit aller oben aufgezählten Verhältnisgleichungen, dessen Großteil gewöhnliche Differentialgleichungen der 1. Ordnung sind, gewährleistet die mathematische Beschreibung eines Raumbrandes auf dem Niveau gemittelter thermodynamischer Zustandsparameter des Brandmediums. Eben diese Wechselwirkungen werden als integrales Brandmodell bezeichnet. Sie wurden Ende der 70er Jahre des vorigen Jahrhunderts erstmals beschrieben.

Die analytische Lösung eines solchen Systems von Differentialgleichungen zur Beschreibung eines Brandes in einem geschlossenen Raum kann, wie es in der Praxis allzu oft anzutreffen ist, lediglich für einige spezifische Fälle erfolgen. Allgemein gesehen wird ein solches System in Form mathematischer Algorithmen aufgestellt und danach in die Maschinensprache eines Computers umgesetzt.

Beispiel hierfür ist die so genannte „RUNGE- KUTTA- Methode (KUTTA M. W. - 1867-1944, RUNGE K. D. T - 1856-1927).

In vielen Fällen ist es bei der Untersuchung eines Brandes mittels mathematischer Modelle innerhalb des Brandobjektes sinnvoll, Zonen, d.h. das Brandobjekt wird künstlich in Teilvolumen aufgeteilt, auszuwählen. Für jede dieser Zonen wird ein eigenes integrales Brandmodell entwickelt. Die Gesamtheit der Modelle bezeichnet man als Zonenmodelle eines Raumbrandes.

Zonenmodelle kommen zur Anwendung, wenn beispielsweise die Kumulationsprozesse der gefährlichen Brandfaktoren in Räumen oder die Berechnung der kritischen Branddauer als Brandszenario zu betrachten sind.

Folgende Aufzählung vermittelt eine Übersicht zu Zonenmodellen, entwickelt in westlichen Industriestaaten:

ASET, CFAST, COMPBURN, COMPF2, FAST, FIRST (HARVARD V) – alle USA;

BRI2 (Japan);

CFIRE-X (Deutschland/Norwegen);

CiFi, FISBA, MAGIC (Frankreich);

DSLAYV, Sfire (Schweden);

NRCC 1 und 2 (Kanada);

RADISM (Norwegen).

In der UdSSR wurden erste Zonenmodelle Mitte der 70er Jahre entwickelt:

Report №10 – CFS of CTIF

132

INTERSCHUTZ 2005

World fire statistics / Мировая пожарная статистика / Weltfeuerwehrstatistik

	Ein-Zonenmodelle (KOSCHMAROW J. A.,		-	Steppenund Waldbrände.
	MOLSCHTADSKIJ I. C., ZOTOW S. W., W. N.			In vielen dieser speziellen
	GUTOW);		Brandschutzbereiche wurde ab Mitte des XX.
	Mehr-Zonenmodelle (KOSCHMAROW J. A.,		Jahrhunderts an der Schaffung von Brandmodellen
	WOLJANIN E. (Polen)).		gearbeitet. Folgend eine kurze Übersicht aus der
			damaligen Sowjetunion:
				Modellierung von Personenströmen seit 1940
				(BELJAEV S.V., PREDTETSCHENSKIJ V.M.,
				MILINSKIJ A.I., CHOLTSCHEVNIKOW V.V.,
				GELEJEV G.A., NIKONOV S.A.);
				Waldbrandmodelle seit 1970 (VALENDIK E.N.,
				GRISHIN A.M., GRUZIN A.D., WOROBJEW O.J.,
				ZWEREJEV V. G.);
				Modellierung von Bränden in
				Untergrundbahnen (ILIN V.V., BELJAVSKIJ
				V.P.);
				Modellierung von Großbränden (KOPYLOW
				N.P., RYSHOV A. M., CHAZANOV I.P.);
				Modellierung von Bränden in Industrieanlagen
				(SCHEBEKO J.N., KOROLTSCHENKO A.J.,
				WOGMAN L.P.);
				Modellierung der Brandbekämpfung in Städten
				(BRUSCHLINSKY N.N.).
				Kehren wir aber nochmals zu
			Raumbränden zurück. Wichtigster aller
			Brandparameter eines Raumbrandes ist die so
			genannte spezifische Wärmemenge des Brandes je
			Zeiteinheit. Zu ihrer Einschätzung muss
Fig. 22.6-7: Fragment of a model for simulating the				die Art der Brandlast (physisch-chemische
				Eigenschaften, Mengenverhältnisse),
evacuation of a building				Art der baulichen und architektonischen
Рис. 22.6-7: Фрагмент из модели для				Besonderheiten des Brandobjektes,
моделирования процессов эвакуации людей из				mögliche Brandbedingungen und Szenarien der
зданий				Brandentwicklung im Brandobjekt (Grad der
Bild 22.6-7: Fragment aus einem Modell zur				Zerstörung verglaster Flächen, raumteilender
Simulation der Evakuierung eines Gebäudes				Konstruktionen),
	Bislang haben wir in allgemeiner Form		bekannt sein bzw. definiert werden. Von diesen
			Informationen hängen der Charakter des Wärme-
lediglich die Frage der Brandmodellierung in			und Massenaustausches im Brandobjekt während
Räumen betrachtet. Hierbei wurden nur analytisch			des Brandes und folglich auch die Brandfolgen
determinierte Modelle vorgestellt. Die			sowie die Bedingungen der Brandbekämpfung ab.
Aufmerksamkeit des Lesers wurde auf die				Es ist offensichtlich, dass die Mehrzahl der
Unmöglichkeit des Erhaltes genauer und			aufgezählten Faktoren und Parameter nicht mit
eindeutiger Lösungen sowie die Notwendigkeit der			einem einmalig gewählten Szenario dargestellt
Anwendung verschiedenartiger Zahlenmethoden			werden können. Es ist eher so, dass prinzipiell
mittels moderner Mathematik (und der Anwendung			gesehen eine breite Variation der Werte und eine
moderner Computertechnologien) gerichtet. Es			große Anzahl ihrer möglichen Kombinationen
kann der Eindruck entstehen, dass die			erforderlich ist. Weiter muss diese
grundlegenden Probleme der Modellierung von			Herangehensweise durch eine
Bränden gelöst sind.			wahrscheinlichkeitsbezogene Einschätzung der
	In Wirklichkeit sieht alles weitaus		Zuverlässigkeit und Effizienz automatischer
schwieriger aus, als bislang beschrieben. Dies gilt			Brandmeldeund Brandlöschanlagen, sowie um die
sowohl für die Modellierung von Bränden in			erforderlichen Evakuierungsbedingungen für
geschlossenen Räumen, als auch für die			Menschen aus dem brennenden Gebäude ergänzt
Brandmodelle außerhalb von Gebäuden. Beispiele			werden. Erst dann können Schlussfolgerungen
hierfür sind:			darüber gezogen werden, dass jeglicher reale Brand
-	Flächenbrände,		als komplexer und zufälliger Prozess (im
-	Brände in Flüssigkeitstanks,		theoretisch-wahrscheinlichen Sinn) betrachtet
-	Brände in Bergwerken,		werden kann und muss. Dieser Prozess wird durch
-	Brände in Tunnelanlagen,		vielfältige Unbestimmtheiten charakterisiert.
- Brände von Gas– und Erdölfontänen,			Unserer Meinung nach muss, beispielsweise, die
-	Brände in Transportmitteln (Eisenbahn,		Theorie über die Feuerwiderstandsdauer von
	Flugzeuge, Schiffe, usw.),		Gebäuden, Baustoffen und Konstruktionen auf
Report №10 – CFS of CTIF		133		INTERSCHUTZ 2005

World fire statistics / Мировая пожарная статистика / Weltfeuerwehrstatistik

stochastischer Grundlage betrachtet werden.		versperrten Wege zum vollständigen Verständnis
Folglich müssen neben den schon bestehenden		zum Problem der turbulenten Strömungen in Gasen
analytisch determinierten Brandmodellen		und Flüssigkeiten, was alle Fragen der
verschiedener Klassen und Typen analytisch-		Branddynamik löst. Schließlich sagt der Autor der
wahrscheinliche Brandmodelle entwickelt werden.		zitierten Arbeit für das XXIII. Jahrhundert voraus,
		dass mit den grundlegenden Entdeckungen in der
		Quantenchemie die letzte abschließende Etappe der
		Entwicklung der Brandwissenschaft eingeleitet
		wird: erste adäquate physikalisch-chemische
		Brandmodelle werden ausgearbeitet. Dies bedeutet
		nach EMMONS Auffassung den „...endgültigen Sieg
		der Menschheit über das Brandproblem“. Wir, die
		Autoren der vorliegenden Arbeit, ergänzen: diese
		erwarteten Ergebnisse werden sich wohl eher auf
		theoretisch-wissenschaftliche Seiten der
		Problemstellungen beschränken.
			Wie auch immer, wir zweifeln nicht daran,
		dass die Forschung und Untersuchung bzw.
		Analyse vieler Brände schon im XXI. Jahrhundert
		unter Anwendung der bestehenden Brandmodelle
		erfolgreich durchgeführt wird und zu neuen
		Erkenntnissen führt. Dies bezieht sich auch auf die
		Idee der flexiblen Normierung.
		22.7		- Modelling of the fire and rescue
		services operations
Fig. 22.6-8: STOKES (1819-1903)			In the previous chapter, several models of
		fire outbreak, fire development and fire fighting
		were discussed. Some of these models can consider
Gleichwohl, unter Berücksichtigung der		the influence of automatic fire alarm and fire
Leistungsgrenzen aller analytischen Modelle		extinguishing systems, evacuation ways and other
(begründet auf dem gegenwärtigen Zustand der		aspects. There is no doubt– these models support
Mathematik als Wissenschaft), ist der Ausweg aus		the solution of the different problems of ensuring
der sich andeutenden Entwicklungskrise der		fire safety.
Brandmodelle in der Schaffung komplexer			However, it was not discussed so far, how
imitierender Brandmodelle zu sehen. Ein echtes		the aforementioned models have to be accompanied
Imitationsmodell, d.h. ein wirkliches		by models dealing with aspects of fire brigades'
Simulationsmodell, ist die Gesamtheit an PC-		organisation. It is well known from history (having
Programmen, mit deren Hilfe alle Algorithmen und		in mind the history until end of the 20th century)
Prozeduren zur Beschreibung der Eigenschaften		that an efficient fire protection - besides all
und Dynamik der uns interessierenden Prozesse		progress made - cannot be realised without well-
dargestellt werden. Die Anwendung von		organised fire brigades.
Imitationsmodellen unterstützt die schnelle			Models that illustrate the work of fire
Entwicklung der Mathematik und der		brigades are required to answer the following
Computertechnik sowie umgekehrt.		question: How a rational fire protection and fire-
Kehren wir, wie eingangs angedeutet,		fighting shall be organized in a concrete city or
noch einmal zum Artikel von EMMONS zurück. Die		rural district? It shall be considered in this respect
Fortschritte in der Entwicklung der		that costs for the maintenance of fire brigades are
Brandwissenschaft im XXI. Jahrhundert sah		quite considerable, with a tendency to increase.
EMMONS:			Which dimensions shall a fire brigade
in der Schaffung und breiten Anwendung nicht		have? Certain endeavours to investigate this
brennbarer Materialien auf mineralischer		problem and develop a concept are already known
Grundlage (bis 2025),		from the 19th century, when professional fire
in der Entwicklung einer prinzipiell neuen		brigades were set up in many large cities
Generation optischer Computer, was die		throughout the world. First trials to solve the
komplette Überarbeitung aller theoretischen		dimension problem regarding a fire brigade were
Konzeptionen der Brandwissenschaft nach sich		made in the mid of the 20th century – applying
ziehen wird (Zeitraum von 2030 bis 2080).		semi-empirical and analytical methods (applied
Zu Beginn des XXII. Jahrhunderts		mechanics, queue theory, linear and dynamic
eröffnen, nach Auffassung von EMMONS, neue		programming etc.). We highlight here the analyses
Ideen, mathematische Methoden und		and research done in Poland, Germany, the
Hochleistungscomputer endgültig alle bis dahin		Netherlands, Great Britain, the United States and
Report №10 – CFS of CTIF	134			INTERSCHUTZ 2005

World fire statistics / Мировая пожарная статистика / Weltfeuerwehrstatistik

the Soviet Union/NIS. The most important steps were made by experts in the United Sates and in Russia.

However, it became obvious already in the mid of the 70ies that the capacities of analytical models are limited. This is caused by the difficulties to model details of running processes in dependence to time and - just more important - to model functional processes of a fire and rescue service – applying spatial reference parameters in sufficiently small partitions.

Main reference parameters are

the total number of emergency calls,

the number of emergency calls, which can simultaneously be served by the mobile units in the respective responce area,

the number of units in operation.

These parameters highly depend on the flows of the emergency calls and on the time of operations.

On condition that the flow of emergency calls or rescue operations subordinates to the POISSON-distribution and the temporal criteria of serving emergency calls subordinate to the ERLANG-distribution, the respective random variables (as for instance simultaneous operations, simultaneously operating units etc.) may be described applying methods of the theory of probabilities.

It is also of great importance to understand, how the coordinates of possible places of operations and the opportunities of vehicle dislocation within a responce area pass certain changes over the times (changes in the socioeconomic infrastructure, shifting in risk potentials etc.). The models belonging to this class shall examine the real processes in view of mediumand long-term planning scenarios. However, analytical models cannot determine quantitative factors (f.i.: What is the minimum of mobil units and fire stations required to properly serve each emergency situation – that means ensuring a system without refusals) and qualitative factors (observance of a medium time-limit for the service, arrival of the required amount of staff within prescribed period and a intended level of achievement). This task may be solved only if applying methods of simulation modelling.

As analytical models do not sufficiently consider details of the processes to be analysed, scientists in the United States (at the end of the 60ies) and in Russia (at the end of the 70ies) initiated the elaboration of simulation models of special services - in parallel to the development of analytical models. Such models are able to generate various processes with a sufficient degree of accuracy. The simulation models are permanently improved - using the opportunities of innovative computer technologies. As a consequence, different models were generated, completing each other and jointly forming so-called complex simulation systems.

Fig. 22.7-1: CIS-KOSMAS - simulation system with fire stations, fire units, staff schedule and other important parameters

Рис. 22.7-1: КИС-КОСМАС - имитационная система включает в себе пожарные депо, оперативные отделения и план дежурства караула, а таже другие важные параметры

Bild 22.7-1: CIS-KOSMAS - Simulationssystem mit den Feuerwachen mit ihren Einsatzfahrzeugen, den Dienstplan der Wachschichten sowie weitere wichtige Parameter

Fig. 22.7-2: CIS-KOSMAS - during the simulation the vehicles move in a real road network

Рис. 22.7-2: КИС-КОСМАС - во время имитации отделения пользуются реальной уличной сетью

Bild 22.7-2: CIS-KOSMAS - während der Simulation bewegen sich die Fahrzeuge in einem realen Straßennetz

In Russia, the two simulation systems TIGRIS and KOSMAS do exist by the end of the 80ies; in the United States any research in this field stopped mid of the 70ies.

Mid of the 90ies, the two systems mentioned above were united into the computersimulation system CIS-KOSMAS®, the eighth version of which is currently elaborated. At the end of the 90ies, the system STRES® was developed - to be applied for ensuring a proper provision of data required for the CIS-KOSMAS®-system. The system STRES® analyses the statistical information

Report №10 – CFS of CTIF

135

INTERSCHUTZ 2005

World fire statistics / Мировая пожарная статистика / Weltfeuerwehrstatistik

exported from the local systems of operation. It is applied for

preparing the input of data for the computerimitation system,

analysing the results of the mathematical-

statistical modelling that come from the imitation system CIS-KOSMAS®,

comparing the data that come from the fire control stations against those resulting from the modelling, in order to determine, how adequate the modelling is in comparison to the reality.

Currently, the following developments that

are based on the system STRES are in progress:

enlargement of the system for the reception of statistical data according to AGBF-standards (Assoziation of professional fire departments of Germany) and to FEU 905 (standard of the German Fire Service Assoziation),

creation of the system InterSTRES as a system for a national fire statistics,

installation of the system STRES -CTIF as a system for an international fire statistics.

CIS-KOSMAS® is based on the simulation models created in 1960-70, which are integrated into the system. Initially, these models were separate and parameter-specialised models for analysing particular problems. They were created in result of the analysis of statistical regularities of functional processes taken from over 1.000 cities worldwide.

As consequence, it can be stated that - at the end of the 20th century - the problems of dimensioning fire-fighting and emergency rescue services in cities, rural districts and in objects but also the problems of their automated prognostication and their strategic guidance is solved in Russia on the theoretical, technological and practical level.

The principle of estimating the rational dimensions of a fire-fighting and emergency rescue service in cities and rural areas may be described as follows:

A fire-fighting and rescue service shall be organised in such a way, that the service in charge for this response area may react at any time on every case of emergency that occurs in the response area - in due time and through presenting a selection of suitable and sufficient amount of staff and means. The configuration of mobile appliances to serve the case of emergency shall answer the character of the concrete situation. Three framework conditions are to be considered here:

1.The units shall arrive at the place of emergency within a suitable time limit, which depends on the rules and the risk level of the destructive incident;

2.The operational units alarmed shall be sufficiently staffed and equipped for being able to restrict or reduce the damage towards an acceptable dimension or to eliminate it; the tactics of operation - as a rule – follows the order: to protect human life – to organise the

rescue of animals - protection of material values follows;

3.The general amount of staff and means of a fire and rescue service shall be economically justified, that means, it shall answer a permissible or desirable risk level, to be determined for each type or group of destructive incidents.

This principle requires substantiated answers on questions like “What is happening, if...?“ for instance

one or more stations have to be closed or reerected at other locations;

the borders of the responce area have to be changed,

the dislocation of mobile units among the stations has to be changed;

the spatial and temporal distribution of emergency calls has changed;

etc.

Fig. 22.7-3: Calculation of the cover zones of the protectorate considering different boundary conditions

Рис. 22.7-3: КИС-КОСМАС - расчет покрытия защищаемой территории с учсетом определенных стартовых условий

Bild 22.7-3: Berechnung der Abdeckung des Schutzgebiets unter Beachtung verschiedener Randbedingungen

All cases require a variety of experiments. This is due to the impossibility of making a reliable prediction about future incidents on the basis of one random sequence of incidents only. The respective experiments can be realised only applying mathematical models that are based on statistical regularities being inherent to all functional operation processes.

The different tasks specified here are solved by the system CIS-KOSMAS . Applying this simulation system and taking the statistical information of the specific response area (city, rural district, federal state) and its topographic description in form of a digital map (showing borders, roads, rivers etc.) as a basis, the following exemplary groups of parameters may be described:

Report №10 – CFS of CTIF

136

INTERSCHUTZ 2005

World fire statistics / Мировая пожарная статистика / Weltfeuerwehrstatistik

	variation of the number of stations and their		show a high level of adequacy between the
	dislocation throughout the response area,		empirical and the theoretically estimated situation.
	variation of the structure of mobile units		The system CIS-KOSMAS is well-
	distribution in stations and hospitals,		known to experts all over the world. The model was
	variation of the deployment of staff (duty		presented on several international conferences and
	rosters, „stand-by systems“ (one vehicle crew		fairs in Europe, America und Asia.
	for several vehicles), staff pools),		CIS-KOSMAS is currently used in
	variation of the alarm and turn out orders		practice in more than 20 concrete applications. As
	(operation catchwords, dispatching orders etc.),		the functions and processes applied in rescue
	differentiated spatio-temporal distribution of		services and fire brigades are quite similar, the
	operations within the response area,		application of CIS-KOSMAS is possible for
	variation of risk potentials,		 classic fire protection services (for
	variation of parameters for vehicle motions in		instance the professional fire brigade of
	the response area (medium speed in general,		the city of Moscow),
	per vehicle type, in dependency to time of day		 for pure emergency rescue services (for
	or to distance from place of emergency),		instance the Medical Rescue Association
	illustration of variable parameters of the road		of Saarland) and
	networks (road categories, one-way-streets,		 for combined fire-fighting and emergency
	speed, cross-ways, roadblocks),		rescue services (for instance the service of
	involvement of the hospitals in the field of		the city of Lübeck).
	medical emergency rescue (variation of the
	admission of injured or patients, specialisation
	of hospitals and variations of admission
	capacities, duty rosters),
	variations of dispatching (a system of appr.
	1000 rules and their combination regulating
	how fire-fighting and emergency rescue
	vehicles shall operate in the response area
	during the case of emergency and afterwards.
	Thus, repeatedly usable scenario
components may be created through the
compilation of certain constellations of parameters.
Die combination of the components results in
complete planning scenarios. The results of the
modelling can be evaluated and compared against
each other.			Fig. 22.7-4: CIS-KOSMAS - сalculation of the
	The advantages of a computer
simulation – in comparison to a classic evaluation			accessibility of call places by the road network
may be described as follows:			Рис. 22.7-4: КИС-КОСМАС - расчет покрытия
	Scenarios can be created by every interest		города по уличной сети
			Bild 22.7-4: CIS-KOSMAS - Berechnung der
	groups and may be introduced in the modelling
			Erreichbarkeit von Notfallorten nach dem
	process on equal terms, advantages and
			Straßennetz
	disadvantages of each scenario may be
	compared without reservation;		It is expected for the 21st century that a
	There is no necessity to execute high-risk
			large number of emergency services – in large and
	experiments in practice; the social peace is
	kept and damage avoided;		small cities as well as in rural districts and regions
			– will implement in practice such strategic planning
	It avoids non-necessary financial risks
			instruments as CIS-KOSMAS , as follows:
	connected with mistaken investments – for
	instance regarding the erection of stations or		financial shortages in the municipalities,
			leading to a urgent necessity to economise
	the determination of operation strategies.
			means;
	It shall be noted here finally, that the
consideration of the principle „...strategic planning			introduction of budgeting in public
is top priority management task! enables the local			administration;
experts and decision makers to independently			cost and activity accounting;
elaborate and offer different variations of solutions			risk and security analyses;
(being efficient and economically justifiable)			continuation of requirements planning.
instead of offering only one sub-optimal solution.			Mathematical models are being developed
	Another problem of applying		not only for operational and tactical activities of a
mathematical models is the level of adequacy the			fire-fighting and emergency rescue service –
results of modelling reach in comparison to the real			similar models are more and more used in other
situation. Special procedures were elaborated to			areas – such as preventive fire protection, training
assess this. A large number of practical applications			etc.
Report №10 – CFS of CTIF		137	INTERSCHUTZ 2005

World fire statistics / Мировая пожарная статистика / Weltfeuerwehrstatistik

22.7 - Моделирование деятельности противопожарных служб

До сих пор мы говорили о моделях возникновения, развития и ликвидации пожаров разных типов и классов в объектах различного назначения. Некоторые из этих моделей могут учитывать влияние на эти процессы автоматических систем пожаротушения, возможности эвакуации людей из горящих зданий и пр. Эти модели безусловно способствуют решению проблем обеспечения пожарной безопасности в мире, о чем мы выше уже говорили.

Однако весь комплекс этих моделей должен быть дополнен комплексом моделей деятельности противопожарных служб, без которых невозможна эффективная борьба с пожарами. Эти модели призваны ответить на главный вопрос: как рационально организовать противопожарную службу в том или ином городе, на определенной территории, на объекте

ит.д., учитывая, что стоимость содержания службы очень велика и имеет тенденцию к росту. Иными словами, как определить размеры противопожарных служб? Попытки осмыслить этот вопрос делались еще в ХIХ веке, когда во многих крупных городах мира была создана профессиональная пожарная охрана.

Первые попытки решения этой проблемы полуэмпирическими и аналитическими методами (прикладной механики, теории массового обслуживания, линейного и динамического программирования

идр.) относятся к середине ХХ века.

Они предпринимались в Польше, Германии, Голландии, Великобритании, США, России и других странах. Наибольших успехов при этом добились специалисты США и России.

Однако уже к середине 70-х годов стало ясно, что возможности аналитических моделей ограничены, так как с их помощью нельзя описать протекание процесса функционирования противопожарной службы во времени и, самое главное, в пространстве с достаточной степенью точности, с необходимой степенью детализации процесса.

Например, важнейшими параметрами, характеризующими этот процесс, являются число вызовов, которые одновременно обслуживаются оперативными подразделениями на территории города, и число занятых этим обслуживанием отделений (пожарных автомобилей). Оба эти параметра существенно зависят от плотности потока вызовов пожарных подразделений, поступающих в диспетчерскую службу, и времени их обслуживания.

При определенных предположениях относительно потока вызовов (пуассоновость) и времени их обслуживания (эрланговость) законы распределения соответствующих случайных величин (числа одновременных

вызовов и числа одновременно занятых отделений) определяются методами теории вероятностей. Но кроме этого очень важно иметь представление о том, как места вызовов и пункты дислокации свободных подразделений противопожарной службы в любой момент времени распределены по территории города (объекта), каково время прибытия к местам вызовов из этих пунктов соответствующих подразделений и многое другое. Эти факторы нельзя определить с помощью аналитических моделей, но их можно найти с помощью методов имитационного моделирования.

Поскольку аналитические модели не могли обеспечить необходимый уровень детализации исследуемых процессов, то параллельно с разработкой этих моделей в конце 60-х годов в США и во второй половине 70-х годов - в России начали разрабатывать имитационные модели процессов функционирования противопожарных служб, которые в принципе могут воспроизвести эти процессы с любой разумной степенью точности. Эти модели непрерывно совершенствовались благодаря возрастающим возможностям вычислительной техники. Так в России в конце 80-х годов были созданы компьютерные имитационные системы (КИС) «ТИГРИС» и «КОСМАС» (в США работы были не закончены и прекращены в середине 70-х годов).

Fig. 22.7-5: STRES – analyze of distribution of call places by city districts and X-Y-coordinates

Рис. 22.7-5: СТРЭС – анализ распределения числа вызовов по районам города и º-µ- координатам

Bild 22.7-5: STRES – Analyse der Notfallorte nach Stadtbezirken und X-Y-Koordinaten

В 90-е годы обе эти системы были объединены в одну КИС КОСМАС (КОмпьютерная Система Моделирования Аварийных Служб), для которой разработано уже более 8 версий. Для обеспечения КИС КОСМАС необходимой объективной информацией в конце 90-х годов была создана специальная компьютерная система «СТРЭС» (СТатистика Работы Экстренных Служб),

Report №10 – CFS of CTIF

138

INTERSCHUTZ 2005

World fire statistics / Мировая пожарная статистика / Weltfeuerwehrstatistik

предназначенная для автоматизированной обработки и анализа статистических данных, полученных в процессе функционирования противопожарных служб и содержащихся в базах данных соответствующих АСµ.

С помощью системы СТРЭС производится, во-первых, подготовка исходных данных для КИС КОСМАС, во-вторых, последующая обработка результатов имитационного моделирования, выполненного «КОСМАС», что позволяет, в частности, проверять степень их адекватности реальности. По существу СТРЭС является подсистемой КИС КОСМАС.

Необходимо подчеркнуть, что в основе имитационных моделей, используемых в КИС КОСМАС, лежат все аналитические модели процесса функционирования противопожарных служб, полученные в 60-70-е годы. Аналитические модели, в свою очередь, опираются на статистические закономерности, выявленные в процессах функционирования противопожарных служб примерно 1000 городов мира.

Таким образом, можно констатировать, что в конце ºº в. проблема определения размеров противопожарных служб городов и объектов, их автоматизированного проектирования и стратегического управления ими решена в России и на теоретическом, и на технологическом, и на практическом уровнях.

Основной принцип определения рациональных размеров противопожарных служб в городах заключается в следующем: противопожарная служба должна быть организована таким образом, чтобы в любой момент времени на любое возникшее в городе деструктивное событие, в ликвидации последствий которого противопожарная служба обязана принять участие, она могла своевременно отреагировать набором сил и средств, адекватным характеру возникшего события.

При этом должны выполняться два основных ограничения:

1.прибытие сил и средств к месту вызова должно укладываться в допустимые временные интервалы, обусловленные закономерностями развития и уровнем риска конкретного деструктивного события (пожара, аварии и т.д.);

2.общее количество сил и средств противопожарной службы в городе должно быть экономически оправданным, т.е. соответствовать допустимому уровню риска, заданному для деструктивных

событий каждого типа.

µчет всех этих условий требует обоснованных ответов на вопросы: «·то произойдет, если ...?» (если закрыть или построить несколько пожарных депо, изменить границы их районов обслуживания, перебазировать часть пожарных автомобилей из

одних депо в другие и т.д.). Во всех этих случаях нельзя обойтись без многочисленных экспериментов, но их можно выполнить только с помощью математических моделей, опирающихся на статистические закономерности, объективно присущие процессам функционирования противопожарных служб.

Именно эти задачи и призвана решать КИС КОСМАС, которая использует электронные карты городов и позволяет, например, варьируя число пожарных депо, места их дислокации, количество и типы размещенной в них техники, границы районов выезда, варианты диспетчеризации, скорости движения пожарных автомобилей в разных частях города, плотности потоков выездов в целом по городу и в отдельных его районах и т.д., получать любые характеристики процессов функционирования противопожарной службы города и выбирать наиболее рациональные и экономичные варианты ее организационной структуры.

Fig. 22.7-6: STRES – results of analyzing in charts and on maps are possible

Рис. 22.7-6: СТРЭС – результаты анализа можно представить в графиках и на картах Bild 22.7-6: STRES – Analyseergebnisse in Form von Grafiken und auf Karten sind möglich

Разработаны специальные процедуры проверки адекватности получаемых при моделировании результатов реальным характеристикам процессов функционирования противопожарных служб городов, которые многократно проверены на практике. Все проверки адекватности моделей, сделанные в различных городах, дали хорошие результаты.

КИС КОСМАС достаточно хорошо известна специалистам всего мира, так как неоднократно демонстрировалась в последние годы на различных международных конгрессах, симпозиумах и выставках в странах ¸вропы, Америки и Азии, где получила высокие оценки специалистов.

В настоящее время разработаны и сданы в эксплуатацию КИС КОСМАС (в разных

Report №10 – CFS of CTIF

139

INTERSCHUTZ 2005