Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Совершенствование информационного обеспечения в охране лесов от пожаров

ВАК РФ 06.03.03, Лесоведение и лесоводство, лесные пожары и борьба с ними

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование информационного обеспечения в охране лесов от пожаров"

•Ъ

На правах рукопнси МУХИН Александр Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ В ОХРАНЕ ЛЕСОВ ОТ ПОЖАРОВ

Специальность 06.03.03. — «Лесоведение, лесоводство: лесные пожары и борьба с ними»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Москва —

1996

Работа выполнена на кафедре лесоустройства и охраны л» са Московского государственного университета леса.

Научный руководитель —доктор технических наук,.

профессор Н. С. Кондауров

Научный консультант —доктор сельскохозяйственных

наук, профессор О. А. Харин

Официальные оппоненты — доктор сельскохозяйственных

наук, профессор В. И. Обыденников;

кандидат технических наук, Колодин И. П.

Ведущая организация —Федеральная служба лесного

хозяйства России

Защита диссертации состоится « » ^^^^ 1996 ] /ПЪО

в /У. . час. на заседании диссертационного совета Д 053.31.0

при Московском государственном университете леса, 14100

Мытищи, Московской области.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотек МГУЛ.

Автореферат разослан . А/Ф.Я. . . . 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент

В. Г. АНИСОЧКИН

Поди, к псч. 20.05.-96 г.

Объем 1 п. л.

Зак. 202 Тир. 10'

- з - ...

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Рациональное использование лесных ресурсов и охрана лесов от пожаров являются важнейшими задачами, стоящими перед лесным хозяйством страны. Ущерб, наносимый лесными пожарами, - не только-сгоревшая древесина и.затраты на тушение пожаров, это и нарушение экологических функций леса (водоохранной, санитарно-гигиенической, кислородообразующей и др.) й жизнедеятельности насаждений (снижение их продуктивности и сопротивляемости болезням и вредителям леса). В огНе лесных пожаров гибнут не только растения и животные, но и ухудшается среда их обитания. Нередко жертвой лесных пожаров становится человек.

Несмотря на увеличение затрат на охрану лесов от пожаров и использование новых средств и способов тушения, пло'дадь, пройден^ ная огнем, и число пожаров не сокращаются, а, наоборот, увеличиваются. Одной из причин этого является ограниченный об^ем информации для оценки и прогноза -пожарной опасности и обнаружения лесных пожаро, т.е. отсутствует методический системный подход к этому вопросу. Решение этого'вопроса должно быть построено на изучении процесса возникновения и распространения лесных пожаров, совершенствовании методов сбора, обработки и хранения информации при оценке пожарной опасности и принятии решений при тушении лесных пожаров, что й определяет актуальность теш.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью данной диссертационной' работы является совершенствование системы сбора, обработки, хранения информации при оценке пожаркой опасности и методы принятия ретений' руководителями лесопсжарных подразделений для поЕШления эффективности работ по охране лесов от пожар'з. В связи с этим были поставлены следующее задачи: •.

- - анализ информационного обеспечения, используемого при оценке и прогнозировании пожаркой опасности в стране и за рубежом; ' ■.''■■

- определение факторе", окадываюгта существенное влияние на. возникновение и распространение лесных ттаров;

- - сценка пожарной опасности насаждений;

- анализ информации, используемой руководителями лесопожар-ных подразделений при принятии ре-иений;

- определение необходимых сил и' средств для ликвидации лес-

нык иоларов в начальный период своего развития; •

- оптимизация маневрирования силами и средствами пожаротушения б период высокой TOPHNÍOCTU.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТУ. "В результате проведенных исследований получены: '

- модели динамики запаса основных видов лесных горючих материалов (ЛГМ) к их влажности;

- модель оценки и прогнозирования пожарной опасности насаждений; . -у

- алгоритм и программа определения сил и средств для ликви-, дации лесных пожаров в начальный период своего развития;

- модель многоуровневой информационно-управляющей системы контроля и охраны лесов от пожаров.;

- критерий оптимизации при маневрировании силами и1средства-- • ми пожаротушения в период высокой горимосги;

- рекомендации по повышению эффективности системы контроля и охраны лесов от пожаров.

1РЛКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Предлагаемые мо/"чш, алгоритмы и программы для оценки'И прогноза пожарной опасности насаждения, определения сил и средств для ликвидации лесных пожаров и оптимизации маневрирования силами и средствами пожаротушения позволят повысит] эффективность решений, принимаемых руководителями подразделений системы контроля и охраны лесов от пожаров.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертации были доложены на ежегодных научно-технических конференциях • Московского Государственного Университета леса в 1989-1995 годах.

ПУБЛИКАЦИЯ РАБОТ. По материалам исследования опубликовано 3 печатных работы, 4 работы находятся в печати.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД /АВТОРА, Автор являлся соисполнителем по государственным тематикам "Разработка методов метрологического обеспечения систем азрокосмического мониторинга", "Обоснование методов 'решения, водач ггэниторинга лесных ресурсов с борта орбитально{ ^стеШ^у^'ММ1],)", "Исследоьание антропогенной динамики биологичес-, ких?С*Все работы, связанные со сбором и обработкой экспериментам .ного и анаиивом полученных результатов, сделаны лично или под егс руководством. ' .-i " СТРУКТУРА И'СВЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, пя'.и глав, заключения, библиография окого списка ив i43 нацменов;

ний, содержит 167 страниц текста, 17 рисунков, 22 таблицы и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1-. ИСТОРИЯ ВОПРОСА И СОВРЕМЕННОЕ ЕГО СОСТОЯНИЕ.

Пожарная опасность, т.е., вероятность- возникновения и распространения лесных пожаров, определяется совместным влиянием трех групп факторов (Мелехов, 19"3):

- наличием лесных горючих материалов (ЛГМ);

- наличием условий, благоприятных для возникновения и распространения лесных похаров (метеорологические условия);

- наличием источников огня.

При оценке пожгрной опасности учитываются факторы только одной из групп ( Нестеров, 1938,• 1949; Мелехов, 1947, 1948, 1965, 1978; КурбатсКИЙ, 1954, -1957, 1963; Скворецкий, 1955; .Чданко, 1960; Вонский, Жданко, 1957, 1971, 1976, 1931; Снытган, 1963;.Фу-ряев, 1963; Валендик, 1963; Софронов, 1973, 1985; Коровин, 1977). Оценки пожарной опасности на основе факторов тслько одной группы не всегда достоверны. В США пожарная опасность оценивается комплексно (Deeming, 1972,- 1977),- но эта модель достаточно громоздка,- и как показала опытная проверка, трудна для реализации в наших условиях. В связи с этим остро встает проблема выбора необходимого объема доступной информации для достоверной оценки пожарной опасности насаждений. Разрешение этой проблем возможно кз основе детального изучения влияния факторов юздой группы j;a 'воэникнэзение и распространение пожаров. В связ}' с те?,!, что лесной пожар является случайным событием, 'то оценкой пожарной опасности должен • слу--жить такой показатель как вероятность его возникновения.

Вопрос прогноза и оценки пожарной опасности с учетом случайного характера возникновения пежаров в настоящее время мало изучен, поэтому в этой работе предлагается комплекс мероприятий, направленных на совериенствогание сбора, обработки и использования информации с целью повышения, достоверности оценки пожарной опасности насаждений. ' '•'■-'..'

Глава 2. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ. ПРОГРАММА, МЕТОДИКА И ОБЪЕМ ВЫПОЛНЕННЫХ РАБОТ.

Ленинградская область и республика Карелия находятся на Северо-Западе Европейской части Российской Федерации. Природная пожарная опасность этого региона чрезвычайно высока. На более 70% покрытой лесом площади распространены хвойные насаждения, которые относятся к I—III классам природной пожарной опасности по шкале Мелехова. Большое количество естественных водоемов и влажный климат, определяемый близостью Балтийского и Белого морей и Онежского озера, создают хорошие предпосылки для эффективной охраны лесов от пожаров. Однако большое'количество источников огня (хорошо развитая лесозаготовительная промышленность и дорожная сеть, местное население) делает этот регион чрезвычайно опасным в пожарном отношении.

Sto послужило основанием для выбора региона в качестве объекта, в котором должны продолжаться всесторонние исследования, направленные на повышение эффективности охраны лесов от пожаров.

В соответствии с поставленной целью и задачами программа исследований включало решение следующих вопросов:

' - ¿лализ достоверности оценки, пожарной опасности существующими методами;

- выбор факторов, используемых для оценки пожарной опасности насаждений; ' .

- выбор модели оценки пожарной опасности с учетом случайного характера возникновения лесных пожаров;

- выработка рекомендаций руководителям лесопожарных подразделений, необходимых для принятия решений при тушении лесных пожаров;

- обоснование критерия оптимизации при маневрировании силами и средствами пожарстутекал в период высокой горимости;

- разработка угу:ли информационно-управляющей системы контроля и охраны лесов от пожаров.

Исследования пр;ведены на территории 20 лехозов Ленинградской области и республики Карелия. Данные о горимости лесов на згой территории оа-1980-1993 получены из отчетов Северо-Западной базы" авиационной охраны лесов от пожаров.

На основе д:шной программы была составлена методика работ,

которая содержала в себе следующие этапы:

- сбор статистических данных о лесных пожарах на территории объекта исследования, их математико-статистическая обработка с целью определения факторов, оказывающих существенное влияние на возможность возникновения лесных пожаров. Данные о лесных псжарах за 1986-1993' годы на территории, охраняемой Сегежским, Суоярвским, Петрозаводск™ и Сортавальским авкаотделениями содержали следующую информацию: место возникновения (удаленность от населенного пункта и вид охраны); таксационная характеристика насаж^енгя, где возник позчар (состав, груп "а возраста и полнота); метеоусловия (температура воздуха, температура точки росы, относительная влажность и скорость ветра); количество лесных горших материалов, т.е. были собраны данные, представлявшие три группы факторов. Для удобства хранения, обработки и анализа данные были представлены в виде двухмерной матрицы;

- закладка временных пробных площадей (ВПП) для определения запаса и изменения влажности ЛГМ;

- взятие и взвешивание образцов ЛГМ;

- опытное определение "вменения влажности ЛГМ;

- математико-статистыгская обработка полевых материалов;

- анализ и обобщение результатов исследований.

Закладка пробных площзйей и взятие обраВцов ЛГМ осуществлялись в наиболее.горимых типах леса (сосняках-лишайниковых, сосняках брусничниковых; сосняках черничниковых) с учетом принятых' в лесной таксации и пирологии теоретических положений. Всего было заложено 28 ВПП, на которых методом случайной выбор]« были ?ыб-раны ло 10 площадок для взятия образцов ЛГМ. Всего было вввзшено и проанализировано 1900 пробных обрагюв ЛГМ.

Математическая обработка, экспериментального материала проводилась на персональном компьютере IBM PC AT"386 и включала современные статистические и численные методы: корреляционный, per-■ рессионный, многофакторный и системный анализы, а также, аппарат теории массового сбслуживагяя. Полученные данные достоверны на 5% уровне значимости.

Глава 3. ФАКТОРЫ, ОКАЗЫВАЮЩИЕ ВЛИЯНИЕ НА ВОЗНИКНОВЕНИЕ-ЛЕСНЫХ ПОЙАРОВ

Возможность возникновения и распространения лесных пожаров определяется влагосодержанием ЛГМ и их количеством, а в особен-. ности, так называемых проводников горения, к которым относится мохово-лишайниковый покров и покров из мелких растительных остатков ( опрда и травяной ветоши) ( Курбатский, 1954, 1962, 1964, 1970, 1976, 1986, 1987; Молчанов, 1949, 1954, 1957; Софронов, 1968, 1970, 1974, 1975, 1979, 1983, 1985; Волокитина, 1978, 1979, 1984, 1985; и др.). Разрозненность данных по запасу лесных горючих • материалов в различных типах леса не позовляет широко их использовать при решении практических задач охраны лесов от пожаров. В связи с этим, в данной работе ставилась задача дополнения, . систематизации данных' и составления моделей динамики запаса ■ ЛГМ для наиболее пожароопасных, типов леса. С этой целью были заложены 28 ВПП, на которых были взяты образцы ЛГМ. Результаты обработки данных представлены в таблица 1. Как показал анализ таблицы 1 большинство регрессионных ааьисшюсагей носат параболический характер, г.еч с EospacroM происходит накопление запаса VM при условии отсутствия лесных пожаров.

Краш запаса ЛГМ отмечалось ватаое значение влажности ЛГМ на возникновение и распространение лесных пожаров ( Серебренников, Матренинский, 1937; Мелехов, 1939, 1947, 1978; Нестеров, 1945, 1949; Софронйв, 1968, 1970, 1974,_ 1975, 1979,.1983, 1985; Волокитина, 1978, 1979, 1984, 1985; Вонский, 1957; Вокский, Жданко, 1967, 1971, 1976, 1981 и др.), которая в течение пожароопасного сезона значительно варьирует и зависит от многих условий, главными из которых являются погодные условия (относительная влажное: и температура воздуха, количество и продолжительность осадков), строение насаждений и затененность покрова проводников горения верхними ярусами, а для горных лесов еще экспозиция и крутизна . склонов.

Определение влг~осодержания ЛГМ требует значительных трудо ' затрат, поэтому в данной работе одним из вопросов явилось опреде ление зависимостей между влажностью ЛГМ и легко измеримыми метео рологическими факторами (относительной влажностью и температуро возгуха, количеством ь^ладаемых осад"ов), ¡.старые поступают в ра

поражение лесопожарных подразделений ежедневно.

Таблица 1

Зависимость запаса основных групп лесных горючих материалов от возраста насаждений

1 I Вид ЛГМ 1 1 1 . Вес ЛГМ, кг/ЮОкз.м !

| 1 1 1 I Лишайники, мхи|У ! и опад | = 7 Сосняк лишайниковый | 08*10Е-4*Х"2 + О.35*Х + 70.06 |

| Подстилка .. 1 IV 1 = 53.24 + 36.25*1еХ |

| Хвоя (т/га) 1 IV 1 =-5 99*10Е-4*Х~2 + 0.12*Х - 1.Р1 I

| Кустарнички, | травы 1 IV 1 ' 1 = 1 59*10Е-3*Х~2 + 0.31*Х +23.01 |

| Охвоенные ве-| точки (т/га) - 1 IV 1 1 = 7 ?в*10Е-5*Х-2+1.34*10Е-2*Х+0.43|

1 Лишайники, мху | и опад 1 1 IV 1 1 - 1 Сосняк брусничникошй ! 76*10Е-3*Х~2 - 0.0885*Х + 93.7!

I Подстилка 1 1 =-7. 07*10Е-4*""С - 0.1о*Х + 4.12 |

| Хвоя (т/га) 1 IV 1 «-1. 62*10Р-5*Х"2 - 0.0144*Х » 3.3 |

| Кустарнички, I травы 1 |У 1 = £Ю*10£-:4*Х"2 - 0.21*Х. + 122.3 | " 1

| Охвоенные ве- | точки (т/га) | 1 IV 1 04*1 ОЕ -1 '1*Х"2+1.02*10Е-3*Х+1.11

Автором Сиди проведены исследования по установлению зависимости влажности ЛГМ от температуры и относительной влажности воздуха. Результаты анализа этих исследований представлены в таблице 2. По-ченные зависимости носят гиперболический характер. С увеличением

Таблица 2

Зависимость равновесной влажности ЛГМ (У) от относительной I влажности воздуха (X)

1 1 | Вид ЛГМ 1 Вид уравнения Коэффициент. корреляции,

1 |Опавшие листья У 696.33' / ( X - 121.578 ) 0.90

| (ОтыеГ'Еиэ ветви | ели У 691.29 / '( X - 128.348 ) 0.92

1........-■-'.'■ |Черника У 536.705 / ( X - 114.335 ) о.аз

1 ' ........"■ IПодстилка сосняка-брусничника У = 1 / ( 0.179 - 1.37Е-003 * X ) 0.86

1 |Сфагнум 1 У = 1 / ( 0.146 - 1.24Е-003 * X ) . 0.85

I . ¡Опад хвои сосны У « — 664.972 / ( X - 125.049 ) 0.87

1 ■ . |Кислица У = 1 / ( 0.213 - 2.01Е-003 * X ) 0.80

Г )0гзд хвои ели 1 У =2.26Е-003*Х~2-9,34Е-002*Х1-?. 32 0.94

1 |Кукушкин лен 1........ ... У = 1 / ( 0.172 - 1.49Е-003 * X ) 0.88

.относительной влажности воздуха происходит поглощение влаги из воздуха, но у разных видов ЛГМ процесс поглощение происходит с различной скоростью,- интенсивность которой характеризует табл. 2.

Кн$ор.мация о запасе ЛГМ и их влажности поеволит определить возькшше виды псжаров и их интенсивность, планировать работы по их 11 щению. Одна;» одного наличия ЛГГ неда.хаточно длл возникнове-

ния и распространения лесных пожаров. Необходимыми условиями являются источники огня и метеоусловия.

Все видь; источников огня можно условно разделить на 4 группы:

- природные (молнии, и другие);

- антропогенные, связанные с хозяйственной деятельностью человека в лесу (лесозаготоЕки, очистка лесосек, сельхозпалы, экспедиции, выполнение огнеопасных работ в л^су);

- рекреационные (отдых, сбор грибов и ягод, охота, рыболовство и другие);

- прочие виды источников огня.

Структура источников существенно различается на территории . страны, но ока относительно стабильна во времени для конкретного района. В регионах, где отсутствуют лесные пожары от молний или их процент мал, а Карелия и Ленинградская область относится к их числу, возникновение пожаров происходит в непосредственной близости от населенных пунктов. • •

. В данной работе автором было исследовано распределение лесных пожаров по удаленности от населенных пунктов (таблица 3).

Таблица 3

Распределение лесных пожаров ( в % от общего числа) по удаленности от населенных пунктов'

---г

Наименование. | оперативных Н авиаотделеаий |

Удаленность от населенных пунктов ,

-Г-1-1-[-;-,--(--1-

3 Г б | 9 | 12 | 15 | 18 ( 21 | 24

км

+-1--1----Ь

+

27 I

Сегежское

141.6[25.9! 10.1| 7.,91 6.7| 2.2| 1.1| 3.4

1.11

Н--1—I—н

+

Суоярвское

Ь

|20.0|35.6|22.2| 2.2|'4.4| 6.7| 8.9!

4---1----1-(_---1--1-

Сортавальское |44.0|24.0!16.0!12.0|

4.0|

ч—-I-—ь—н

Петрозаводское |40.0|50.П| - ¡10.0] - ! - I - I

!--Ь

Всего

|36.1!29.5|13.б| 7.1| 4.71 3.0| 3.0! 1.8

_1_J__I. .- . -I___\ ... . -1_-_

1.21

Его анализ показал, что это распределение подчиняемся экспоненциальному закону.

- -

Знание этой особенности позволит выделить на охраняемой территории зоны, где возникновение лесных пожаров маловероятно, т.е. тем самым сократить'Осматриваемую территорию и тем самым снизить затраты на патрулирование, что важно в современных условиях.

Для установления связи между распределениями лесных пожаров и метеоусловиями в течение пожароопасного сезона автором был использован корреляционный анализ, в результате которого была установлена тесная связь между распределениями лесных пожаров, относительной влажностью и температурой воздуха.

Для учета случайного характера возникновения и распространения лесного пожара, автором было предложено оценивать пожарную опасность насаждений, используя модель Байеса. Известно, что для повышения достоверности оценок -необходимо использование априорных и апостериорных данных. Прогноз пожарной опасности базируется на . статистике горкмссти лесов за предыдущие годы и экспериментальных данных, полученных на пробных площадях. Для реализации этой модели выдвигали две гипотезы:

.51 - на охраняемой территории возможно возникновение пожара;

S2 - на охраняемой территории пожар невозможен. Априорные вероятности.этих гипотез P(Sl) и Р(52) определяются по отчетным данным лесопожарных подразделений за длительный период. Ежедневно б подразделения системы охраны лесов поступает текущая информация о погоде и действующих пожарах. Используя данную информацию, а та-тее модели динамики ЛГМ и их влажности определяются P(A/S1) - апостериорная вероятность первой гипотезы и P(A/S2) -апостериорная вероятность второй гипотезы. Тогда вероятность возникновении лесного определяется по формуле (1):

P(S1) * PÍA/SI)

Р(А) ----------------. (1)

PÍSl' м P(A/S1) + P(S2) * P(A/S2)

•По значении вероятности возникновения лесного пожара рукоао--" дителем лесопожарнсго подразделения принимается решение о направлении к месту вероятного пожара сил и средств.

Д.зя радения ряда-практических задач в работе проводится ана-лип случайной функции вероятности возникновения лесного пожара с тек/. еронии предполагаемой стациоитрностМ. Для эт^го была опре-

делена нормированная корреляционная функция'вероятности возникновения лесных пожаров в течение пожароопасного сезона и определены статистические -оценки этой' функции: математическое ожидание, среднеквадратическое отклонение, корреляционные моменты. Получел-ная нормированная корреляционная функция подчиняется эакону, убн-. вещего косинуса:

,(Х /*2:/

:.£ • са/ЪЪ

(2).

Анализируя значения нормированной корреляционной функции, обращает на себя внимание присутствие отрицательных значений для некоторых £ . Это говорит о том, что в структуре случайной функ-. ции вероятности возникновения лесных пожаров есть элемент периодичности, т.е. вероятность возникновения лесных пожаров в течение пожароопасного сезона варьирует.

Полученные в результате проведенных исследований модели динамики ЛГМ' и их влажности, • а также характеристики случайной функции вероятности возникновения лесного пожара позволили автору разработать систему контроля и охраны лесов от пожаров.

Глава 4.МОДЕЛИРОВАНИЕ ШЮРМЭДО.'ЛО-УПРАВЛЯВДЕЙ СИСТЕМЫ.

КОНТРОЛЯ ИОХРАНЫ ЛЕСОВ ОГ ПШАРОВ.

Основными принципами построения эффективной системы являются:

- система д -лжна быть построена по иерархическому уровню;

■- система должна быть инвариантна к потребителю;

'- важнейшим элементом современной системы охраны лесов от пожаров является широкое использование'компьютерной техники, использование которой дает возможность получать оперативную информацию о пожарной опасности, о наличии свободы« сил и средств пожаротушения для принятия решений;

- система охраны лесов от пожаров должна осуществлять 'компьютерный обмен между вычислительными центрами разных уровней сис-. теш, возможностью получения необходимой информации из целевых баз данных;

- для отработки прикладных программ должно иироко использоваться математическое и экспертное моделирование процессов 'с целью нахождения зависимостей показателей эффективности работы

лесопсжарных подразделений от различных факторов и условий работы;

- иерархическая 'структура звеньев управления в условиях развивающихся принципов самоуправления регионов и административных округов приводит к необходимости иерархического построения системы охраны лесов от пожаров по следующим уровням: федеральный, региональный и локальный, что предусматривает строгую соподчинен-ность щ взаимодействие нижних уровней верхним и определенную централизацию контроля и управления охраной лесов от-пожаров.

Учитывая природу лесных пожаров и специфику работы лесопо-жарных подразделений, возникает необходимость представления системы охраны лесов от поваров на!* многоканальной системы массового обслуживания. Для планирования', различных работ по охране лесов от пожаров необходимо установить зависимости показателей эффективности системы от различных факторов, влияющих на работу лесопожар-ных подразделений. Система охраны лесов от пожаров как многоканальная система массового обслуживания с точки зрения оценки перехода системы из одного состояния в другое может быть описала-системой дифференциальных уравнений А.Н.Колмогорова.

В качестве показателя эффективности системы охраны лесов' от пожзрое целесообразно использовать вероятность' достижения гарантированного уровня охраны лесов от пожаров. Для планирования работ по охране лесов от пожаров геобходимо знание оптимальной кривой, полученной в стандартных условиях. Любое другое движение точки в реальных условиях, порождаемое действием случайных факторов, требует ее отслеживания и сопоставления ее местоположения относительно стандартной кривой. .

Планирование работ по охране лесов от пожаров для каждого могента времени должно осуществляться по критерию минимума разности вначенш дг.ух I :>чвк:

Д К1=€(XI. Х2, ХЗ,..., ХЛ; У1. У2, УЗ..... Уп) (3)

при взданноы времени локализации 01. В качеств показателя К1 ис-голъвовдпзсь производительность на тушении лесных пожаров.

Имея такие зависимости в процессе проведения мероприятий по охране лесов от пожаров, можно решать следующие'задачи:

1. При определенном уровне ограничения по силам и средствам

ггожаротуг.ения н по квалификации личного состава лесоиожлрмих подразделений, ыожно определить возможный уровень охрани лесов от патлров на данный момент времени, т.е. продолжительность локализации лесного пожара.

2. При последовательном наращивании сил и средств пожаротушения К1 и повышении уровня кзалификации личного состава лесопо-•жарных подразделений мачаю оценить степень повышения уровня охраны лесов от пожаров.

3. При наращивании сил и средств пожаротушения до требуемого' уровня можно разработать комплекс мероприятий, направленных на повышение эффективности охраны лесов от пожаров выше установленного уровня охраны. •

4. При внедрении в систему охраны лесов от пожаров новых информационных : технологий предстазляется возможным оценить различные варианты планирования и из всех возможных выбрать оптимальный.

Аппарат теории массового обслуживания, используемый при моделировании информационно-управляющей системы контроля и охраны, на ваш взгляд является оптимальным,'поскольку учитывает специфику лесных пожаров и их тушение. Основными характеристиками работы ло-сопожарных подразделений (пожарно-хдаичесгаи станций, оперативных авиаотделений, механизированны;; отрядов и др.) как системы массового обслуживания являются следующие параметра: X - интенсивность потока заявок, т.е. 'число вбэвиквик аожаров в единицу времени (в сутки);

Jd - интенсивность потока обслуживания, т.е. число пожаров, потушенных в единицу времени (ё сутки);

п - число групп пожаротушения одной структурной единиц системы охраны лесов от пожаров;

я» - число пожаров, для которых в данный мсмеит времени .чет свободной группы пожаротушения.

Если принять ВХОДЯЩИЙ И mtOJgftSti ПОТОКИ ЯуагССНСГСЧИМН, а это подтверждается ачалигом работы сп>?ратизкь.ч звкаэтдмояпа, то систему охраны лесов от пожаров хотд яре&стодш* как м&рковску» систему массового обсдужиранчя (CW) с ою&шнем, для когорсй интервалы гремени между посгукденаями соседних ваявдк и иптерзалп времени их обслуяивг.чкя годчийжл'Ся ••-.epiWi'uaanbKcw впквку распределения:

уие/и (± ^о)

(5),

где X - интенсивность входного потока (среднее число заяво поступающих в единицу времени);

. уи-- интенсивность выходного потока (потока обслуживания) , величина, обратная среднему времени обслуживания Тобс. заявок в системе:

у/

= 1/Тсбс (6).

В рамках принятой модели для описания информационно-управляющей системы контроля и охраны лесов от пожаров может быть принята схема случайного процесса с дискретными состояниями и непрерывным временем..

В любой момент времени информационно-управляющая система контроля и система охраны лесов от пожаров может находится в одном из этих состояний, т.е. для любого момента времени Ь сумма вероятностей всек . состояний системы равна единице, как полная группа несовместимых событий.

Для конкретного ' графа состояний вероятности Р1(и, Р2(1),..Рп(0 составляется система дифференциальных уравнений А.Н.Колмогорова. При установившемся режиме работы система дифференциальных уравнений А.Н.Колмогорова переходит в систему .линейных уравнений. Решив эту систему уразнений, можно определить вероятности нахождения системы охраны лесов от пожаров в любом состоянии, а также ряд других важных характеристик работы системы охраны лесов от пожаров как системы массового обслуживания.

Основныи показатели работы информационно-управляющей'системы контроля и охраны лесов от пожаров определялись на основе анализа статистических данных работы лесопожарных подразделений на тушении пожаров.

Предложенная методология работы информационно-управляш^ системы контроля и охраны лесов от пожаров полностью соответствует условиям^ (4) и (5) и, следовательно, может реально использова-

тг.ся в рамках создания систсш.

Существуют различные уровня охрани лесов ст пожаров, соответствуют различные затраты :

которым

и, кг, кз, ..., К1

(7)

С1, С2, СЗ, ..., С1

В рамках системы (7), используя выбраииий метод оптимизации • движения точки, можно найти'рациональный вариант, удовлетворяющий условиям ограничения на ресурсы С1. Такие зависимости должны быть получены в стандартных условиях для всех структурных подразделений системы охраны лесов ст пожаров.

На (?азэ математических и мааинных алгоритмов и моделей для всех структурных подразделений можно обосновать план работы лесо-пожарных подразделений при ограничении на ресурсы сил и средств пожаротушения. Существование ограничений на ресурсы сил и средств пожаротушения предопределяет необходимость введения приоритетов на кагдое структурное подразделение- в гиде кое^фшнентсв, изменяющихся в пределах от 0 до 1. Сукка ресурсов веек лесопскарных подразделений должна Сыть не менее трсбуаш ресурсов для ликвидации всех возникших десны, пожаров

¿ = 1.

где л - число структурных подразделений системы охраны лесов от пожаров;

Стр - требуемые ресурсы для ликвидации всех возникши* по-

Под ресурсами понимается не только енлн и ср-.-дство пскеротуше-ния и средства их доставки к месту похярл, ас также средства обработки, хранения и передачи яяформадег.! (комлмстервая техника).

ОСНОВНЫМ методич-зским ПОДХОДОМ К ¡ШШрсБЗЗЯВ роС'/рСНЬ'Х Е08-ыокксстей в условии их ограничения является 1;сйольг.ожч;|ло моделей функционирования системы при наличии счср^;:^!':. Млтематический аппарат для оценки фуакцноийроьяяия •тлеой системы в достаточной степени разработан, при отсутствии стаядпртних криш« качества работы систеш охраны лесов от исчдрсв сшугу -оегли;; н

(8),

жаров.

внедрения новых информационных технологий можно сформулировать следующим образом.

В решениях уравнений А.Н.Колмогорова вероятность перехода системы из одного состояния в другие характеризуется интенсивностью перехода через параметр, который можно трактовать как интенсивность поступления заявок (интенсивность поступления сообщений о возникших и обнаруженных лесных пожарах) = сЖЛ11=>тах при С1 = Со, 1о <= 1оз.

С учетом этого положения задачу планирования работы системы охраны лесов от пожаров в рамках новых информационных технологий для каждого структурного подразделения можно сформулировать как максимизацию скорости йК/сЛ при заданных ресурсах Со и нормативно-временных ограничений на^ ресурсы С!.. Планирование самих ресурсов необходимо осуществлять в рамках методологии массового обслуживания для систем с очередями на входе, т.е. установлением прио-^ ритета поступающих заявок. "

Информационно-управляющая система контроля и охраны лесов от пожаров, учитывая локальный, региональный и глобальный характер лесных пожаров, должна иметь иерархическую стуктуру со следующими уровнями:

- государственный;

- региональный .(уровень региональных баз авиационной охраны лесов от пожаров);

-.локальный (уровень оперативных авиаотделений).

Информационно-управляющая система контроля и охраны лесов от пожаров на каждом уровне должна иметь.в своем составе три подсистемы:

- информационную;

- подсистему управления силами и средствами пожаротушения;

- подразделения пожаротушения.

Информационная подсистема системы контроля и охраны лесов от пожаров на каждом уровне состоит из средств сбора, приема, хранения, обработки и передачи информации ее потребителям.

Ядром информационной подсистемы любого уровня является информационно-вычислительный центр, в. состав которого могут входить, в зависимости от уровня системы контроля и охраны лесов от пожаров, вычислительные средства различной мощности. Для решения задач прогнозирования возникновения лесных пожаров и определения

сил и средств пожаротушения используется информаюм пяти банков данных:

- банк данных по климатическим условиям; ' - банк данных по источникам огня;

- банк данных по деснам пожарам;

- банк данных по ЛГМ;

- банк данных по людским и материальным ресурсам лесопожар-ных подразделений,

а также прикладные программы.

Потребителем информации этой подсистемы являются, в первую очередь, подсистема управления силаш и средствами пожаротушения, руководители лесопожарных подразделений, которые на основе рекомендаций информационной подсистемы принимают обоснованные решения. Кроме них потребителями информации являются местные органы власти, чрезвычайные комиссии при них, а также предприятия и управления лесного хозяйства и др.

Глава 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ЛЕСОПОЖАРНЫХ ПОДРАЗДЕЛЕНИЙ.

Охрана лесов эффективна з том случае, если-пожары обнаруживаются и ликвидируются.» начальный момент своего развития. Это подтверждается данными таблицы 4, где представлены зависимости площади лесного пожара от времени свободного развития для некоторых значений скорости фронта, определенные автором. Тушение пожаров в начальный момент развития возможно при условии виделенгя необходимого количества сил и "средств.

Поэтому руководители лосопожарчых подразделений при получении сообщения об обнаруженном пожаре должны знать, какое количество сил и средств необходимо отправит;, к месту пожара для его ликвидации за требуемое время.

Основными характеристиками пожара, которое определяют способ и объем работ на тушении, являются скорости фронта (Уф) и прироста периметра пожара (Упп), а также его катенсишость П)•

Производительности лесопоклрнич подразделений на тушения должна превышать скорость Фронта пожара в С р&га для избежания затягивания процесса тушения. При определении способа тувения, я также сил и средств пожаров учитиьааасъ с.к-духцие даниме; вид и

Таблица 4

Зависимость площади лесного пожара (У) от времени его свободного развития пожара (X)

1 | Скорость фронта, I м/мин Вид 1 уравнения ' |

I 0.25 . У 53 6.64Е-002*Х~2 - 4.36Е-003*Х +0.008 |

1 0.5. У = 0.146 * Х"2 + 1.07Е-002 * X +0.082 |

I 1.0 1 У = 0.367 * Х~2 + 0.146 * X - 0.217 )

1 | 1.5 У = 0.736 * Х~2 - 2.48Е-002 * X .+ 0.007

I , 2.0 У = 1.154 * Х~2 + 0.208 * X - 0.303 '|

| 2.5 У = 1.776 * Х"2 - 0.268 * X + 0.387 |

| 3.0 " У 2.519 * Х"2 - 0.341 * X + 0.55 |

I ' 5.0 1 У = 17.061 * Х"2 1 3.815. * X + 4.232 | 1

интенсивность пожара, природную пожарную опасность насаждения и пожарную опасность по условиям погоды, а также хозяйственную ценность насаждения.

Алгоритм расчета сил и средств пожаротушения включает следующие -этапы:

1. Определение скорости фронта пожара. Скорость фронта пожара зависит от класса пожарной опасности по условиям погоды, запас, и состава ЛГМ и их влажности, характеристики насаждения (типа ле са, возраста насаждения, полноты, наличия подроста и подлеска) скорости ветра под пологом древостоя. Скорость фронта определяла по модели Ротермела, модифицированной ЛенНИИЛХом, при этом используя модели'динамики запаса и влажности ЛГМ, полученные автором.

2. Определение скорости прироста периметра.

.Скорость прироста периметра лесного пожара, по значению которой определяется требуемая производительности группы пижароту-

шения, зависит от скорости фронта пожара. Автором бьша определена зависимость скорости прироста периметра- от скорости фронта пожара

Vnn « 1.8559 + 0.б737*Уф + 0.7413*Уф"2 _

Syx = 0.67 м/мин.. (0).

З.'По значению скорости прироста периметра пожара,, определялась производительность лесопожарных подразделений в зависимости от времени свободного развития пожара для его локализаций за за- ■ данное время, имеющимися в наличии силами и средствами.

По данному алгоритму автором написана программа для расчета сил и средств на компьютере на языке BASIC, результатом которой являются рекомендации руководителю лесопожарных подразделений о направлении группы пожаротушения к месту возникшего пожара.

Численность структурных подразделений пожаротушения (оперативных авиастделений охраны лесов от пожаров, пожарно-химических станций (ПХС) и др.) определена из расчета средней горимости охраняемой территории. В отдельные годы гориыссть лесов может значительно превыаать средний уровень.- Периодичность этих лет колеблется от трех до десяти и более лет. Довольно-часто собственных сил и средств пожаротушения структурных подразделений не хватает для своевременной локализации лесных пожаров. Поэтому актуален вопрос оптимизации маневрирования силами и средствами пожаротушения. Автором предлагается следующий подход к решению этого вопроса .с кспольБоаанием компьютерной техники.

1. В компьютер вводилась с использованием дигитайзера карта охраняемой территории, на которой были нанесены места базирования лесопожарных подразделений. При этом использовались прямоугольные координаты Гаусса. . /

2. Рассматривая лесопожарные подразделения jtaii многоканальные системы массового обслуживания с ожиданием, необходимо определить основное характеристики этой системы:

Д - интенсивность потока заявок, т.е. число возникших пожаров в единицу времени (в сутки);

jll - интенсивность потока обслуживания, т.е. число пожаров, потушенных в единицу срекени (в сутки};

п - число групп пожаротушения одной структурной едагаяад системы охраны лесов от пожэроЕ;

tcp - среднее время, когда пожар не обслуживался (время свободного развития лесного пожара), которые определяются из годовых отчетов, о работе! лесопожарних подразделений.

3. При получении сообщения о возникшем лесном пожаре необходимо в компьютер ввести координаты этого пожара. Программа определяет расстояние до пожара (Lri), вреьл доставки группы пожаротушения к пожару (t-д) и затраты (гд), связанные с ней, с мест базирования всех лесопожарных подразделений.

4. .Если.у лесопотарного подразделения, нет свободной группы, то пожар свободно развивается. Возможны два варианта развития ситуаций.

Вариант 1. Полир не тушится до тех пор, пока не освободится группа этого подразделения, задействованная на тушении другого позпара. ,

Вариант 2. Пожар не тушится до тех пор, пока не будет доставлена резервная группа пожаротушения'другого подразделения.

Если время освобождения группы пожаротушения велико, то необходимо принимать второй вариант с учетом минимизации транспортных расходов.

"мелесообразкость доставки резервной группы пожаротушения определяется из соотношения

Ukj > Zki, • (10)

ущерб от k-го лесного.пожара, который возник на территории З.-го авиаотделения, до начала тушения; затраты на доставку сил и средств пожаротушения на k-ый покар с i-ro авиаотделения, где имеется свободная группа пожаротушения.

Ущерб от пожара до начала тушения состоит из потерь древесины, от нарушения экологических функций леса и от снижения продуктивности насаждения и.зависит от площади пожара до качала тушении и от хозяйственной ценности насаждения. Площадь пожара.до начала тушения определяется по моделям, представленным в таблице 4.

Для определения потерь сгоревшей и непригодной к использованию древесины, а также потерь от снижения продуктивности насаждений автором сила написана программа на компьютере на языке BASIC.

где Ukj -. Zki -

- '-Я -

Входной информацией для реализации этой программы являются вид, площадь и интенсивность пожара к началу тушения, таксационная характеристик насаждения ( преобладающая порода, возраст), а татке возможность разработки горельников. Определение ущерба от нарушения экологических функций затруднено.

Затраты на доставку резервных сил и средств пожаротушения 'зависят от расстояния до пожара, типа используемого транспортного средства и стоимости аренды одного часа.

При решении задачи оптимизации маневрирования силами и-средствами пожаротушения возможно несколько реаений. Предпочтение имеет то, где затраты на доставку см и средств минимальны. Решение данной задачи позволит сократить затраты на обслуживание лесных пожаров, что в современных условиях чрезвычайно важно.

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

На основе проведенных исследований можно сделать следующие основные выводы:

1. Запасы ЛГМ зависят от возраста насаждения. Данные зависимости косят параболический характер.

2. Влажность ЛГМ тесно связана с относительной влажностью воздуха, что позволяет быстро определить значение данного фактора, используя информацию метеостанций.

, 3. Данные о распределении лесных пожаров в зависимости от удаленности от населенных пунктов позволяют выделить зоны, где возникновение лесных пожаров маловероятно, что позволит сократить осматриваемую территорию при'патрулировании.

4. Для прогноза пожарной опасности насаждений предложена модель, учитывающая случайный характер возникновения лесных пожаров.

5. Аппарат теории массового обслуживания является оптимальным для создания комплексной системы контроля и охрани лесов от пожаров.

6. Разработанная система контроля и охр злы лесов с? пожаров позволяет оптимизировать процесс сбора, обрасотки и хранения дачных о лесных пожарах, распределении ЛГМ и источников огня, а также принимать решения по охране лесов от пожаров.

7. Разработанная программа определения сил и средств позволяет руководителям лесопожарных подразделений получать полную информацию о пожарах в кратчайшие сроки и разрабатывать комплекс мероприятий по их тушении.

8. Система контроля и охраны лесов от пожаров позволяет оптимизировать маневрирование силами и средствами пожаротушения в период высокой гсримости лесов.

9. Предложенная система достаточно эффективна и надежна, не требует .значительных капиталовложений. Она может быть внедрена н,

^ основе имеющихся людских и материальных ресурсов и, вследствие этого, предложена для внедрения з общегосударственную систему кон троля и охраны лесов от пожаров.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1.-Мухин A.C. Структура и принципы построения информационно •системы контроля и охраны лесов от пожаров // В сб.науч. тр. МГУ

Лесопользование и воспроизводство лесных ресурсов. - Вып. 274. -МГУЛ, 1994. - С. 135 - 139.

2. Мухин A.C. Моделирование работы лесопожарных подразделений как многоканальная система массового обслуживания // В сб. науч. тр. МГУЛ: Лесопользование и воспроизводство лесных ресурсов. - Вып. 280. - М.: МГУЛ. Ш5. ~ с. 124 - 129.

Мухин A.C. Определение sanaca лесных горючих материалах i о пожароопасных насаждениях // В сб. 'итуч. тр. МГУЛ: Лесопользование и воспроизводство лепных ресурсов. - Вып. 230. - М.: МГУЛ 1905. --с. 135 - 138.