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

Шаталов, Павел Сергеевич

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

Стихийные природные пожары – опасные и динамичные процессы,
возникающие, как правило, случайно во времени и пространстве, зачастую в
труднодоступных местах, являются весьма неудобным объектом для изучения и
воздействия на него. С точки зрения теории управления – это объекты с
распределенными параметрами типа движущейся волны в нестационарной и
анизотропной среде на поверхности Земли. Управление такими объектами также
носит пространственно распределенный характер.
Усилия по решению всего комплекса проблем, вызываемых природными
пожарами, формулируются в РФ как пожароуправление. Это сложная природно-
административная система, в которой участвуют различные ведомства,
вырабатывается и принимается множество решений на различных уровнях
управления, для чего создаются соответствующие системы поддержки принятия
решений, основанные, как правило, на использовании различных математических
моделей и соответствующих информационных систем, в том числе с
использованием космических данных.
Нормативной базой для принятия решений в системе пожароуправления
являются Лесной и Земельный кодексы РФ, федеральные законы, указы Президента
и постановления Правительства РФ, государственные стандарты и ведомственные
инструкции. Спектр принимаемых решений весьма широк. Они могут касаться как
проектирования противопожарных мероприятий при лесоустройстве, устранения
антропогенных рисков возникновения пожаров, так и управления
противопожарными силами и средствами при борьбе с действующими пожарами.
Во всех этих случаях большую роль играют автоматизированные системы
поддержки принятия решений.
В настоящее время доступны данные трех отечественных систем мониторинга
состояния лесов: ИСДМ-Рослесхоз (Рослесхоз), Космоснимки (фирма СКАНЭКС),
Космоплан (МЧС России). За рубежом для поддержки принятия решений
используются системы BehavePlus, FARSITE и ряд других. Однако в указанных
системах либо совсем отсутствуют функции прогнозирования динамики пожаров,
либо эти функции основываются на упрощенных математических
(экспериментальных) моделях, которые не позволяют достаточно точно
прогнозировать параметры пожара и принимать обоснованные решения по
управлению пожарной ситуацией.
В то же время интенсивно развиваются системы прогнозирования природных
пожаров, опирающиеся на описание физико-химических процессов, протекающих
при горении растительного горючего. В основе математических моделей таких
систем лежат законы сохранения энергии, массы и импульса (А.М. Гришин с
сотрудниками, 1984-2013, R.R.Lynn, 1997, W.Mell, 2007, D. Morvan, 2004 и др.). С
помощью таких моделей можно достаточно точно рассчитывать параметры
процесса горения растительного горючего в трехмерном пространстве, однако в
силу своей сложности они требуют большого объема исходных данных и очень
сложных вычислений, поэтому программные реализации таких моделей появились
сравнительно недавно. Одной из таких систем является программа WFDS (Wildland-

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.

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Помогаем с подготовкой сопроводительных документов

    Совместно разработаем индивидуальный план и выберем тему работы Подробнее
    Помощь в подготовке к кандидатскому экзамену и допуске к нему Подробнее
    Поможем в написании научных статей для публикации в журналах ВАК Подробнее
    Структурируем работу и напишем автореферат Подробнее

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Егор В. кандидат наук, доцент
    5 (428 отзывов)
    Здравствуйте. Занимаюсь выполнением работ более 14 лет. Очень большой опыт. Более 400 успешно защищенных дипломов и диссертаций. Берусь только со 100% уверенностью. Ск... Читать все
    Здравствуйте. Занимаюсь выполнением работ более 14 лет. Очень большой опыт. Более 400 успешно защищенных дипломов и диссертаций. Берусь только со 100% уверенностью. Скорее всего Ваш заказ будет выполнен раньше срока.
    #Кандидатские #Магистерские
    694 Выполненных работы
    Вики Р.
    5 (44 отзыва)
    Наличие красного диплома УрГЮУ по специальности юрист. Опыт работы в профессии - сфера банкротства. Уровень выполняемых работ - до магистерских диссертаций. Написан... Читать все
    Наличие красного диплома УрГЮУ по специальности юрист. Опыт работы в профессии - сфера банкротства. Уровень выполняемых работ - до магистерских диссертаций. Написание письменных работ для меня в удовольствие.Всегда качественно.
    #Кандидатские #Магистерские
    60 Выполненных работ
    Дмитрий М. БГАТУ 2001, электрификации, выпускник
    4.8 (17 отзывов)
    Помогаю с выполнением курсовых проектов и контрольных работ по электроснабжению, электроосвещению, электрическим машинам, электротехнике. Занимался наукой, писал стать... Читать все
    Помогаю с выполнением курсовых проектов и контрольных работ по электроснабжению, электроосвещению, электрическим машинам, электротехнике. Занимался наукой, писал статьи, патенты, кандидатскую диссертацию, преподавал. Занимаюсь этим с 2003.
    #Кандидатские #Магистерские
    19 Выполненных работ
    Дарья Б. МГУ 2017, Журналистики, выпускник
    4.9 (35 отзывов)
    Привет! Меня зовут Даша, я окончила журфак МГУ с красным дипломом, защитила магистерскую диссертацию на филфаке. Работала журналистом, PR-менеджером в международных ко... Читать все
    Привет! Меня зовут Даша, я окончила журфак МГУ с красным дипломом, защитила магистерскую диссертацию на филфаке. Работала журналистом, PR-менеджером в международных компаниях, сейчас работаю редактором. Готова помогать вам с учёбой!
    #Кандидатские #Магистерские
    50 Выполненных работ
    Александр О. Спб государственный университет 1972, мат - мех, преподав...
    4.9 (66 отзывов)
    Читаю лекции и веду занятия со студентами по матанализу, линейной алгебре и теории вероятностей. Защитил кандидатскую диссертацию по качественной теории дифференциальн... Читать все
    Читаю лекции и веду занятия со студентами по матанализу, линейной алгебре и теории вероятностей. Защитил кандидатскую диссертацию по качественной теории дифференциальных уравнений. Умею быстро и четко выполнять сложные вычислительные работ
    #Кандидатские #Магистерские
    117 Выполненных работ
    Оксана М. Восточноукраинский национальный университет, студент 4 - ...
    4.9 (37 отзывов)
    Возможно выполнение работ по правоведению и политологии. Имею высшее образование менеджера ВЭД и правоведа, защитила кандидатскую и докторскую диссертации по политоло... Читать все
    Возможно выполнение работ по правоведению и политологии. Имею высшее образование менеджера ВЭД и правоведа, защитила кандидатскую и докторскую диссертации по политологии.
    #Кандидатские #Магистерские
    68 Выполненных работ
    Алёна В. ВГПУ 2013, исторический, преподаватель
    4.2 (5 отзывов)
    Пишу дипломы, курсовые, диссертации по праву, а также истории и педагогике. Закончила исторический факультет ВГПУ. Имею высшее историческое и дополнительное юридическо... Читать все
    Пишу дипломы, курсовые, диссертации по праву, а также истории и педагогике. Закончила исторический факультет ВГПУ. Имею высшее историческое и дополнительное юридическое образование. В данный момент работаю преподавателем.
    #Кандидатские #Магистерские
    25 Выполненных работ
    Мария Б. преподаватель, кандидат наук
    5 (22 отзыва)
    Окончила специалитет по направлению "Прикладная информатика в экономике", магистратуру по направлению "Торговое дело". Защитила кандидатскую диссертацию по специальнос... Читать все
    Окончила специалитет по направлению "Прикладная информатика в экономике", магистратуру по направлению "Торговое дело". Защитила кандидатскую диссертацию по специальности "Экономика и управление народным хозяйством". Автор научных статей.
    #Кандидатские #Магистерские
    37 Выполненных работ
    Кормчий В.
    4.3 (248 отзывов)
    Специализация: диссертации; дипломные и курсовые работы; научные статьи.
    Специализация: диссертации; дипломные и курсовые работы; научные статьи.
    #Кандидатские #Магистерские
    335 Выполненных работ

    Другие учебные работы по предмету