Прогнозирование опасных факторов пожара / Brushlinskiy - Chelovechestvo i pozhary 2007

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. [4,40].

В самом деле, важнейшим параметром возможного пожара в помещении, характеризующим пожарную опасность данного объекта, является так называемая удельная тепловая мощность пожара в единицу времени. Ее оценка требует учета вида горючей нагрузки (ее физикохимических 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, а значит, и его последствия, условия его ликвидации [4].

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 [4,38].

Однако, учитывая ограниченность возможностей любых аналитических моделей, обусловленную нынешним состоянием математической науки, выход нужно искать на пути создания все более мощных имитационных

78

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 [4,5,45].

Вчастности, моделирование процесса пожаротушения противопожарными службами, начатое в России, Великобритании и США в середине 1960-х годов на уровне построения аналитических моделей, оказалось недостаточно эффективным из-за того, что эти модели описывали исследуемый процесс только во времени, хотя он носит принципиально пространственно-временной характер [4,5]. Поэтому пришлось создавать для этого процесса имитационные модели (сначала элементарные, затем все более сложные). Наконец, в России в начале 1990-х годов была создана имитационная система “КОСМАС”, получившая широкую известность в мире как информационная технология XXI века, которая с высокой степенью точности описывает реальные процессы функционирования любых аварийноспасательных служб в городах и территориях [5]. Это была одна из первых в мире сложных специализированных имитационных систем (рис.16). Кстати говоря, в мае 2005 года Консультативный комитет по информационным технологиям при Президенте США представил Джорджу Бушу аналитический доклад под названием “Вычислительная наука: обеспечение конкурентоспособности Америки” [45]. Термин “вычислительная наука” появился в научно-технической литературе сравнительно недавно. Он обозначает быстро развивающуюся область научно-технического прогресса, связанную с созданием алгоритмов решения задач, имитационным моделированием различных явлений и процессов в науке и технике, а также с созданием программного обеспечения для целей имитационного моделирования [45].

Ваналитическом докладе Президенту США достаточно убедительно показано, что развитие “вычислительной науки” создает уникальные возможности для проведения научных исследований, необходимых мировому

79

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ										МОДЕЛИРУЮЩИЙ
(регулируемыепараметры)										АЛГОРИТМ
	Параметры
										Генерирование:
	города:									типа, времени и места
	топография									вызова
•					Целевая
•	уличная сеть				установка
•	скорости движения
•	основные объекты									Генерирование
										времени
•	и др.
										диспетчеризации
	Параметры
					Программа
	аварийной									Процесс диспетчеризации
					проведения
	службы:									(выбор и высылка
					экспериментов
•	число депо (станций)									оперативных отделений)

•	дислокация депо
•	районы обслуживания
•	число отделений	МОДУЛЬ	Генерирование
•	типы отделений	УПРАВЛЕНИЯ	времени сбора и выезда
•	распределение отделений	КИС	оперативных отделений
	по депо
•	варианты
	диспетчеризации		Процесс следования
•	расписание выездов	Обработка	оперативных отделений
•	графики дежурства	результатов	к месту вызова
	численность персонала
•
•	и др.

									Генерирование
									(вычисление) времени
	Статистические				Анализ
	параметры:				результатов				ликвидации причины
•	интенсивность и								вызова
	структура потока вызовов
•	распределение потока
	вызовов во времени и по
					Варианты
	территории города
					решений				Специальные операции
•	распределение времени
									конкретной аварийной
	диспетчеризации
									службы
•	распределение времени
	сбора и выезда

•распределение времени занятости

•распределение времени

для выполнения
специальных операций		Процесс следования
• другие временные		к месту дислокации или на
параметры		следующий вызов

Рис.16 Общая структура имитационной системы “КОСМАС”

80

сообществу XXI века. С использованием ее методов и средств ученые могут изучать самые разнообразные проблемы, исследование которых другими методами является неэффективным, а зачастую и просто невозможным. Диапазон этих проблем чрезвычайно широк (от исследования Вселенной до биофизических процессов головного мозга, от крупномасштабных природных катаклизмов до распространения вирусов и анализа ядовитых веществ, используемых террористами, и многое, многое другое) [45].

Точно также и наука о пожаре, ее дальнейшие успехи в борьбе с ними, существенно зависят от ожидаемых в XXI веке достижений математики, физики, “вычислительной науки” и иных дисциплин.

Взаключение приведем таблицу 23, в которой мы перечислили существующие в мире основные модели пожаров [46].

Вэтой таблице перечислены более 150 моделей пожаров разных типов

иклассов. В большинстве из них описываются процессы тепломассопереноса при пожарах, динамика пожаров, поведение веществ, материалов, строительных конструкций и пр. в условиях пожара. Вопросы тушения пожаров в этих моделях, как правило, не рассматриваются.

Поэтому, по нашему мнению, к этому перечню моделей необходимо добавить уже существующие разнообразные модели поведения людей и животных в условиях пожара, их эвакуации, процессов функционирования пожарной охраны, подготовки кадров для нее и пр.

Втаком случае, всего моделей возникновения, развития и тушения пожаров и связанных с ними процессов можно насчитать около 200. Именно эти модели являются предметом и основой современной науки о пожарах. В результате создания и использования таких моделей пожаров появятся (и уже появляются) негорючие материалы, пожаробезопасные приборы, технологические процессы, здания, сооружения, новые средства и способы тушения пожаров и т.д.

81

									Таблица 23
			Статистика моделей пожаров
	Уровень	Объект					Страны-		Ориентировочное
	модели-	моделирования					разработчики		число моделей
	рования						моделей
		1. Пожар в помещении (комнате)					Великобритания,
		2. Пожар в здании (несколько					Россия,	США,
	1	смежных комнат)					Швеция,	Япония,	Около
		3. Пожары	технологических				Китай и др.		100 моделей
		объектов	(с	учетом		их
		спецификации)
	2	Крупномасштабный			(массовый)		Россия,	США,	Не менее
		пожар в населенном пункте					Япония и др.		5 моделей
		Пожары в городе и их					Россия,	США,
		ликвидация	силами		пожарной		Великобритания,		Около
	3	охраны	(в		основном,		Япония и др.
									10 моделей
		организационно-управленческие
		аспекты)
		Пожары	на		открытых		Россия,	США,	Около
	4	пространствах		(резервуары,			Япония и др.
									15 моделей
		лесобиржи и др.)
		Лесные и другие		растительные			Австралия,		Около
	5	пожары					Россия,	Канада,
									10 моделей
							США.
		Подземные и подводные пожары					Россия,	США,	Не менее
	6	(метрополитен, шахты, тоннели					Германия и др.
									15 моделей
		и др.)

82

Часть 3 Динамика пожарных рисков в мире

3.1 Обстановка с пожарами в Древнем мире

Во времена Иисуса Христа на Земле по оценкам специалистов проживало 230 млн.чел.[37]. Примерно 1-1,5 % из них были жителями городов (в одном только Риме насчитывалось более 1 млн.чел.).

Остальные 98,5 % были жителями маленьких сельских поселений. Таким образом, нам известны значения величин Q и α , и мы можем найти значения Qг и Qс (см. раздел 1.3).

Дадим теперь оценку пожарным рискам R1г и R1c . По свидетельству древнеримского юриста и историка Ульпиана, в Древнем Риме ежесуточно бывало несколько пожаров [35]. Предположим, что в среднем их было 2-3 за сутки. Значит, в год в Древнем Риме было около 1000 пожаров.

В таком случае, значение пожарного риска R1 для Древнего Рима будет

1000

пожар

−3

пожар

равно

R1

=

= 0,001

= 1 10

.

1000000

чел. год

чел. год

Примем

это

значение

для

всех

городов Древнего мира, то есть

R1

= 1 10

. Тогда для сельской местности в Древнем мире примем

г

−3

пожар

чел. год

, то есть примерно в 3 раза меньше, чем в городах, учитывая

R1

= 0,3 10

с

−3

пожар

чел. год

очень низкую плотность сельского населения и его практически нулевую энерговооруженность.

Отсюда следует, что число пожаров на Земле в Древнем мире ориентировочно можно вычислить по формуле (4´´):

NРп.Х . = 2,3 108 {0,015 1 10−3 + 0,985 0,3 10−3 }= 71415 пожаров.

Итак, учитывая достаточно грубую оценку значений пожарных рисков в Древнем мире и численность народонаселения Земли в то время, можно сказать, тем не менее, что общее число пожаров на планете в Древнем мире составляло примерно 65-75 тыс. в год. Заметим, что если принять для

сельской местности значение R1 = 0,5 10		, то число пожаров составит
с	−3	пожар

чел. год

примерно 117 тыс. в год.

83

Нам эти оценки представляются вполне правдоподобными. Сейчас народонаселение Земли выросло с тех пор примерно в 30 раз, а число пожаров на планете – в 100 раз, но тому есть вполне определенные причины (прежде всего, колоссальная энергонасыщенность всей жизни). Пожарный же риск R1 вырос только в 3-4 раза!

Добавим к этому, что в современном Риме проживают почти 2,5 млн.чел., а пожаров ежегодно бывает около 12-13 тыс., то есть для

сегодняшнего Рима имеем значение R1	= 5 10				(следовательно, за два
		−3		пожар

чел. год

тысячелетия пожарный риск вырос в 5 раз).

Что же касается второго пожарного риска, оценивающего гибель людей

при пожарах, то здесь можно пользоваться оценкой, что на каждые 100

пожаров в среднем приходятся 1-2 жертвы, то есть R2 = 1 10−2 ÷ 2 10−2 жертва .

пожар

Этот риск сравнительно мало меняется во времени. Отсюда следует, что в Древнем мире за год при пожарах погибало примерно от 600 до 2000 чел., что тоже нам представляется вполне правдоподобным. Сейчас столько же человек (в среднем, 1300) ежегодно гибнет при пожарах в Японии, население которой составляет 128 млн.чел.

В заключение уточним оценку древнего историка Ульпиана относительно частоты пожаров в Древнем Риме. Для этого используем распределение Пуассона, которому, как известно, подчиняется поток пожаров в любом городе [5].

Выше мы предположили, что в Древнем Риме ежегодно возникало 1000 пожаров. Значит, среднее число пожаров в сутки в Древнем Риме равнялось 2,7, то есть параметр закона Пуассона λ = 2,7 (N / C) . Тогда пуассоновское распределение числа пожаров по суткам года будет выглядеть так (табл. 19).

Из табл.19 следует, что только около 25 суток в году в Древнем Риме вообще были без пожаров, в остальные сутки года их было от 1 до 8-10 пожаров, причем 8 и более пожаров в сутки могли быть только 2-3 раза в год. Чаще всего в Риме было 2-3 пожара в сутки. Таким образом, оценка Ульпиана,

84

Таблица 19

Распределение числа пожаров по суткам в Древнем Риме

	Число пожаров	0	1	2	3	4	5	6	7	8	≥9	Всего
	в сутки
	Число суток в
	году с	24,5	66,2	89,4	80,5	54,3	29,3	13,2	5,1	1,7	0,8	365,0
	указанным
	числом пожаров

по-видимому, правильная, и она помогла нам реконструировать ситуацию с пожарами в Древнем мире.

Теперь, располагая таким удобным и простым инструментарием, мы можем попытаться оценить распределение пожаров по континентам нашей планеты.

3.2 Распределение пожаров по континентам Земли

Мы уже приводили свое ориентировочное представление о распределении пожаров по континентам в конце ХХ в. [36]. С тех пор на основании наших последующих исследований мы получили возможность существенно уточнить эту картину. Теперь мы располагаем основной пожарной статистикой более чем 80 стран мира, в которых живут ¾ населения планеты [2]: практически всех стран Европы, Австралии и Океании, большинства стран Северной Америки (кроме Мексики и некоторых небольших стран), примерно половины стран Азии (включая гигантские Китай и Индию). Хуже обстоят дела с информацией о странах Южной Америки и особенно плохо – со странами Африки (здесь мы располагаем относительно достоверной пожарной статистикой по северным африканским странам и ЮАР, но почти ничего не знаем о ситуации с пожарами в бедных странах Центральной Африки). Тем не менее, используя ряд дополнительных сведений, мы смогли оценить обстановку с пожарами в этих странах и убедились в том, что в предыдущем исследовании мы завысили эту оценку. Наконец, мы сочли необходимым выделить отдельно страны СНГ, которые вносят особый вклад в обстановку с пожарами на Земле.

85

							Таблица 20
		Обстановка с пожарами на планете в начале XXI в. (2004 г.)
						Среднее число:
			Насе-	Среднее	Среднее			жертв
				число		пожаров	жертв на
			ление,		число			пожаров
	№	Регион		пожаров		на 1000	100
			млн.		жертв,			на 100 000
				в год,		чел.	пожаров
			чел.	млн.	тыс. чел.	R1	R2	чел.
								R3
	1.	Европа (без СНГ)	516	2,02	4,8	3,9	0,24	0,93
	2.	Сев. Америка	520	2,13	5,3	4,1	0,25	1,03
	3.	Южн. Америка	375	0,55	2,0	1,5	0,36	0,53
	4.	Азия (без СНГ)	3840	1,54	30,9	0,4	2,00	0,80
	5.	Африка	907	0,27	2,7	0,3	1,00	0,30
	6.	Австралия и	33	0,13	0,2	3,9	0,15	0,61
		Океания
	7.	СНГ (Европа)	205	0,31	23,7	1,5	7,65	11,56
	8.	СНГ (Азия)	74	0,04	1,2	0,5	3,00	1,62
		Мир в целом	6450	6,89	70,8	1,07	1,03	1,10

Результаты наших последних исследований представлены в табл. 20.

Из табл.20 следует, что в 2004 г. на Земле проживали 6,45 млрд. чел., зарегистрировано 6,9 млн. пожаров, при которых погибли 71 тыс. чел. Это означает, что на каждую 1000 землян в среднем ежегодно приходится один пожар, при каждых 100 пожарах в среднем погибал один человек, т.е. на каждые 100 тыс. чел. приходилась в среднем одна жертва пожара.

По поводу этих данных нужно заметить следующее. Во-первых, в разных странах регистрация пожаров проходит по-разному: в большинстве стран учитывают пожары мусора, свалок, травы, кустов и пр., но в ряде стран (например, в некоторых странах СНГ) такие пожары пока государственной регистрации не подлежат. Во-вторых, во многих странах лесные пожары не входят в общую статистику пожаров, их учитывают отдельно. Значит, число пожаров на Земле в действительности несколько больше, чем 6,9 млн. пожаров, указанных в табл.20. По нашим оценкам, их примерно 7,5 – 8 млн.

В-третьих, в табл.20 данные по Европе, Сев. Америке, Австралии и Океании, странам СНГ (как европейским, так и азиатским) практически

86

α (τ )

достоверны, т.к. опираются на официальную пожарную статистику стран этих регионов [2]. Погрешность данных по Азии составляет примерно 15-20 %, по Южной Америке и Африке – около 20-30%. Таково нынешнее состояние мировой пожарной статистики, которое, тем не менее, непрерывно улучшается.

Анализируя табл.20, можно заметить, что практически одинаковая ситуация с пожарами сложилась в Европе и Северной Америке. К ним очень близка обстановка с пожарами в Австралии и Океании. В этих регионах расположены наиболее развитые страны мира. Существенно менее напряженная обстановка с пожарами в Южной Америке, Азии и Африке.

Резко выделяется на этом фоне ситуация с пожарами (прежде всего, с гибелью людей при пожарах) в европейской части СНГ (Россия, Украина, Беларусь, Молдова). Число жертв пожаров в этом регионе составляет почти 35% всех жертв пожаров в мире. Причины этого мы здесь анализировать не будем, но отметим, что значения основных пожарных рисков в мире без европейской части СНГ выглядят так: R1=1,05; R2=0,72 и R3=0,73 (т.е. значения R2 и R3 существенно уменьшились). Заметим, в заключение, что можно было бы данные по России разделить на европейскую и азиатскую части, но это не даст принципиально новой информации.

Примем все эти комментарии к сведению, используем их в дальнейшем, а пока попробуем реконструировать обстановку с пожарами на Земле от глубокой древности до наших дней.

3.3 Реконструкция обстановки с пожарами на Земле в исторической ретроспективе

Для проведения этой реконструкции нужно знать, главным образом, численность Q(τ) народонаселения нашей планеты в разные промежутки времени τ, а также оценки значений основных пожарных рисков R1(τ) и R2(τ).

Долю городского населения в общей численности народонаселения Земли можно практически не учитывать до середины XVIII в.н.э., т.к. только в первой четверти XIX столетия она превысила 3%. Но, уже

87