Система поддержки принятия решений по управлению природными пожарами с использованием высокопроизводительных вычислительных систем и данных космического мониторинга

ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………………………………………………. 4
1 СИСТЕМА ПОЖАРОУПРАВЛЕНИЯ В РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ …………… 12
1.1 Основные нормативные документы……………………………………………………………….. 13
1.1.1 Федеральное законодательство …………………………………………………………………… 13
1.1.2 Указы Президента РФ и постановления Правительства РФ …………………………. 19
1.1.3 Стандарты, методические и прочие документы …………………………………………… 20
1.2 Типовые задачи принятия решений при пожароуправлении …………………………… 21
2 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРИРОДНЫХ ПОЖАРОВ …………………………… 25
2.1 Классификация математических моделей природных пожаров ………………………. 25
2.1.1 Аналитические модели природных пожаров ……………………………………………….. 31
2.1.2 Экспериментальные модели природных пожаров ……………………………………….. 33
2.2 Математическая модель природного пожара, на основании уравнения
Гамильтона-Якоби ……………………………………………………………………………………………… 42
2.3 Обзор программного обеспечения для компьютерного моделирования
природных пожаров ……………………………………………………………………………………………. 43
2.4 Компьютерная система моделирования природных пожаров Wildland-urban
interface Fire Dynamics Simulator …………………………………………………………………………. 51
2.4.1 Подсистема WFDS-PB. Аналитическая модель природного пожара …………….. 53
2.4.2 Подсистема WFDS-LS. Экспериментальная модель природного пожара ……… 57
2.5 Выводы по главе 2 ………………………………………………………………………………………… 59
3 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МОДЕЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ………………………………………………………… 62
3.1 Создание аппроксимационной модели пожара на основе WFDS-LS ……………….. 62
3.1.1 Обработка экспериментальных данных ……………………………………………………… 69
3.2 Гибридная модельWFDS-LS ………………………………………………………………………….. 74
3.3 Выводы по главе 3 ………………………………………………………………………………………… 80
4 ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ
ПРИ ПОЖАРОУПРАВЛЕНИИ …………………………………………………………………………… 81
4.1 Понятие модели горючего …………………………………………………………………………….. 81
4.2 Использование таксационных описаний леса для оценки параметров РГМ …….. 86
4.3 Использование космических снимков рельефа для формирования входных
файлов для WFDS ………………………………………………………………………………………………. 91
4.4 Модель тонкого слоя …………………………………………………………………………………….. 97
4.5 Выводы по главе 4 ………………………………………………………………………………………… 98
5 ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПО
ПОЖАРОУПРАВЛЕНИЮ………………………………………………………………………………….. 99
5.1 Влияние теплового потока на воспламенение растительных горючих
материалов …………………………………………………………………………………………………………. 99
5.2 Оценка опасности природного пожара для населенных пунктов и иных объектов
инфраструктуры ……………………………………………………………………………………………….. 101
5.3 Динамические задачи принятия решений …………………………………………………….. 102
5.3.1 Прогнозирование распространения лесного пожара и оценка опасности для
объектов инфраструктуры ………………………………………………………………………………… 102
5.3.2 Математическая модель процесса взаимодействия человека с природным
пожаром …………………………………………………………………………………………………………… 103
5.4 Выводы по главе 5 ………………………………………………………………………………………. 109
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………………………………………………… 111
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………………………………………………………. 113
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ……………………………………………………………………………………………… 134
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 ……………………………………………………………………………………………… 153
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 ……………………………………………………………………………………………… 155
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 ……………………………………………………………………………………………… 156
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 ……………………………………………………………………………………………… 158

В работе получены следующие результаты.
1. Проведен анализ пожароуправления как сложной природно-
административной системы. Впервые разработана модель деятельности по
пожароуправлению в РФ в виде IDEF0 диаграмм, проведена классификация
принимаемых решений.
2. Разработан метод повышения точности моделей динамики природных
пожаров оперативного назначения на основе обработки результатов компьютерного
моделирования в системе WFDS-PB, локализованной на высокопроизводительных
вычислительных системах.
3. Впервые предложена методика создания гибридных моделей процесса
распространения растительного пожара, объединяющая возможности аналитических
(WFDS-PB) и экспериментальных (WFDS-LS) систем и позволяющая повысить
достоверность процесса моделирования при сохранении приемлемого
быстродействия (в 10-20 раз быстрее реального времени).
4. Произведена привязка моделей лесного горючего и топографии местности к
системе отечественного лесоустройства и космическим снимкам лесов.
5. На основе физически обоснованных 3D-моделей решен ряд задач по
поддержке принятия управленческих решений в пожароуправлении:
• расчет ширины противопожарных разрывов;
• оценка теплового воздействия природного пожара на объекты
инфраструктуры;
• расчет запаса времени при приближении пожара к объектам инфраструктуры;
• построение путей локализации пожара противопожарными командами;
• построение путей уклонения от встречи с пожаром.
Дальнейшее развитие рассмотренного в работе направления связано, на наш
взгляд, с уточнением постановок задач моделирования и принятия решений,
созданием баз данных характеристик растительных горючих материалов и
проведением процесса прогнозирования действующих пожаров в режиме реального
времени, в том числе, на базе мобильных средств. Актуальным представляется
также получение и использование оперативной информации о пожарах с
беспилотных летательных аппаратов.