Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Совершенствования 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 "Совершенствования информационного обеспечения в охране лесов от пожаров"

• ^

На правах рукописи

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 ]

//?3°

в /г. . 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 . . . . 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент

В. Г. АНИСОЧКИН

Поди, к псч, 20.0556 г. Объем 1 п. л. Зак. 202 Тир. 10

Типография Московского государственного университета леса

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУЛЬНОСТЬ ТЕПЫ. 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, кислородообразумцей и др.) и жизнедеятельности насаждений (снижение их продуктивности и сопротивляемостч болезням и вредителям леса). В огне лесных полиров 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, пловддь, пройдеи-ная огнем, и число пожаров не сокращаются, з, наоборот, увеличиваются. Одной из причин этого является ограниченный оО^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 и определяет актуальность теш.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Целью данной диссертационной' работы является совершенствование системы сбора, обработки, хранения информации при оценке пожарной опасности и методы принятия решений руководителями лесопсжарных подразделений для повышения эффективности работ по охране лесов от пожар'з. В связи с этим были поставлены следующие задачи:

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

- определение факторе", оказывающих существенное влияние на. возникновение и распространение лесных пожаров;

- сценка пожарной опасности насаждений;

- анализ информации, используемой руководителями лесошкар-ньи подразделений при принятии решений;

- определение необходимых сил и' средств для ликвидации лес-

ных пожаров в начальный период своего развития; :

- оптимизация маневрирования силами и средствами пожаротушения в период высокой Topmfócra.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. В результате проведенных исследований получены:

модели динамики запаса основных видов лесных горючих материалов (ЛГМ> и их влажности;

- црдель оценки и прогнозирования пожарной опасности насаждений;. • ^

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

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

- критерий оптимизации при маневрировании силами и средства- ■ ми пожаротушения в период высокой горимости;

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

1РЛКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Предлагаемые мотели, алгоритмы и программы для оценки и прогноза пожарной опасности насаждения, определения сил и средств для ликвидации лесных пожаров и оптимизации маневрирования силами и средствамч пожаротушения позволят повысит) эффективность решений, ириниыаеьих 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 аэрокосмического мониторинга", "Обоснование методов решения, задач гэняторинга лесных ресурсов с борта орбитально; ■ "Исследование антропогенной динамики биологичес-

. кихТСвсе работы, связанные со сбором и обра?чткой эксперимента!! .ноге и анаяиБом полученных результатов, сделаны лично или под егс рукоьодством.

'. ' " СТРУКТУРА И 'ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, пя'.и глав, заключения, бнблиографич сксго списка из i 43 наименов;

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

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1-. ИСТОНИ ВОПРОСА И СОВРЕМЕННОЕ ЕГО СОСТОЯНИЕ.

Пожарная опасность, т.е., вероятность' возникновения и распространения лесных пожаров, определяется совместным влиянием трех групп факторов (Мелехов, 19"9):

- наличием лесных горючих материалов (ЛГМ);

- наничием условий, благоприятных для возникновения и распространения лесных поларов (метеорологические условия);

- наличием источников огня.

При оценке пожгрной опасности учитываются факторы только одной из групп ( Нестеров, 1938, • 1949; Мелехов, 1S47, 1948, 1965, 1978; Курбатский, 1954, -1957, 1963; Скзорецкий, 1955; Жданко, 1960; Вонский, Жданко, 1967, 1971, 1976, 1981; Сныткин, 1963; . фу-ряев, 1963; Вапендик, 1'963; Софронов, 1973, 1985; Коровин, 1977). Оценки пожарной опасности на основе факторос только 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 связл с этим остро встает проблема тыбора необходимого объема доступной информации для достоверной оценки пожарной опасности насаждений. Разрешение этой проблемы возможно ка основе детального изучения влияния факторов кавдой группы на возникновение и распространение лохзров. В связи с тег.:, что лесной пожар является случайным событием, 'то оценкой пожарной опасности должен . служить такси показатель как вероятнпсть его всышкновения.

Вопрос прогноза и оценки пояарной опасности о учетом случайного характера вогнигаювения пожаров в настоящее время мало изучен, поэтому в этой работе предлагается комплекс мероприятий, направленных на совершенствование сбора, обработки и использования информации с целью Г1с:.ыисния достоверности оценки пожарной опасности насаждений. ' '

Глава 2. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССТЦДОВЛНЙЯ. 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 лес?рм площади распространены хвойные насаждения, которые относятся к I— 111 классам природной пожарной опасности по шкале Мелехова. Большое количество естественных водоемов и влажный климат, определяемый близостью Балтийского и Белого морей и Онежского ose-, ра, 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 отношен™.

Sto послужило основанием для Еыбора региона в качестве объекта, в котором должны продолжаться всесторонние исследования, направление на повышение эффективности охраны иесов от пожаров.

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

- с-лализ достоверности оценки пожарной опасности существующими методами;

- выбор факторов, используемых для оценки пожарной опасности насаждений; (

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

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

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

- разработка мгу-ди информационно-управляющей системы контроля и охраны лесов от пожаров.

Исследования пр;ведены на территории 20 лесхозов Ленинградской области и республики Карелия. Данные о горимости лесов на этой территории оа-1S8G-1993 получены из отчетов Северо-Западной Dastf" авиационной охраны лесов от пожаров.

На основе д:знной программы была -:сстаьлена м&толика 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 пожарах за 1986-1993" годы на территории, охраняемой Сегежским, Суоярвским, Петрозаводским и Сортавальским авиаотделениями содержали следующую информацию: место возникновения (удаленность от населенного пункта и вид охраны); таксационная характеристика насаягтенгя, гдэ возник пожар (состав, гругг а возраста и полнота); метеоусловия (температура воздуха, температура точки росы, относительная влажность и скорость ветра); количество лесных горючих материалов, т.е. были собраны данные, представляющие 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 влазшости ЛГМ;

- взятие и взвешивание образцов ЛГМ;

- опытное определение "вменения влажности ЛГМ; #

- математике-статистическая обработка полевых материалов;

- анализ и обобщение результатов исследований.

Закладка пробных нлощдйей и взятие образцов ЛГМ осуществлялись в наиболее,горимых типах леса (сосняках-лишайниковых, сосняках брусшгшиковых; сосняках черничниковых) с учетом принятых' в лесной таксации и пирологии теоретических положений. Всего было заложено 28 ВПП, на которых методом случайной выборки были рыб-раны ло 10 площадок для взятия образцов ЛГМ. Всего было ввЕзшено и проанализировано 1900 пробных о0раг;ов 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 анализа, .а тагасе,, аппарат теории массового обслуживала. Полученные данные достоверны на 5% уровне значимости.

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

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 ( опада и травяной ветоши) ( Курбатский, 1954, 1962, 1954, 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 эадач охрани 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 Сыпи взяты образцы ЛГМ. Результаты обработки данных представлена в таблице 1. Как показал анализ таблицы 1 большинство регрессионных ашзешюстей косят параболический характер, т.е. с Еоврастш происходит накопление запаса при условии о:сутстЕйЯ лесных пожаров.

Kpows sanaca ЛГМ отмечалось важное значение влажности ЛГМ на возникновение и распространение лесных пожаров ( Серебренников, Матренинский, 1937; Мелехов, 1939, 1947, 1978; Нестеров, 1945, 1949; Софронов, 1968, 1970, 1974, 1975, 1S79, 1983, 1985; Волокитина, 1978, 1979, 1984, 1985; Вонский, 1957; Вокский, Жданко, 1967, Í971, 1976, 1981 и др.), которая в течение пожароопасного сезона значительно варьирует и зависит от многих условий, главными ио которых являются погодные условия (относительная влажное; и температура воздух-?, количество и продолжительность осадков), строение насаждена,! и затененность покрова проводников горения верхними ярусами, а для горных лесов еще экспозиция и крутизна склонов.

Определение вла~осодержания ЛГМ требует значительных трудо затрат, поэтому в данной работе одним из вопросов явилось опреде ление зависимостей м-зжду влажностью ЛГМ и легко измеримыми метео рологическши факторами (относительной влажностью и температуро возгуха, количеством ь^ладаемых осад"ов), которые поступают в ра

поражение лесопожарных подразделений ежедневно.

Таблица 1

Зависимость запаса основных групп лесных горючих материалов от возраста насаждений

Вид ЛГМ

.Вес ЛГМ, кг/100кв.м

1

Лишайники, мхи и опад

V =

Сосняк лишайниковый 7.08*10Е-4*Х~2 + 0.35*Х + 70.06

Ч

Подстилка

У = 53.24 + 36.25*1бХ

Хвоя (т/га)

V =-5.99*10Е-4*/Г2 + 9.12*Х - 1.51

Кустарнички, травы

У = 1.59*10Е-3*Х~2 + 0.31*Х +23.01

Охвоенные веточки (т/га)

У = 7.38*10Е-5*Х~2+1.34*'10Е-2*Х+0.43

Лишайники, мхи и опад

У =

Сосняк брусничникогий 1.76*10Е-3*Х~2 - 0.0885*Х + 93.7

Подстилка

У =-7.07*10Е-4*"~2 - С'.13*Х + 4.1'

Хвоя (т/га)

Кустарнички, травы

У =-1.6С*10Р-5*Х~2 - 0.0144*Х 3.3

У = <3.90*1 ОЕ-4*Х~2 - 0.21*Х ♦ 1-2.3

Охвоенные веточки (т/га)

У -Б.04*1 ОЕ-11*Х~Е+1.02*10Е-8*Х+1.1

Автором были 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

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

1 1 1 г 1 | Вид ЛГМ | 1 1 ■■ 1 ...... . -1 Вид уравнения Коэффициент. корреляции, :

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

I 1 |Отмершие ветви | I ели | Г 1 У 691.29 / '( X - 128.348 ) 0.92

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

1 1 I Подстилка сос- | |няка-бр/сничника| У = 1 / ( 0.179 - 1.37Е-003 А X ) 0.86

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

! . 1 |0пад хвои сосны | У 664.972 / ( X - 125.049 ) / 0.87

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

11 ■ ........1 |0гзд хвои ели | 1 ' 1 У =2.26Е-003*Х"2-Э.34Е-002*Х+7.32 0.94

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

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

Информация о запасе ЛГМ и их влажности позволит определить ■возможные виды ■ пскаров и их интенсивность,, планировать работы по их тушению, однаг.о вдшиго ьашчия ЛГГ неда.хаточио ддл возникнове-

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

Все виды источников огня можно условно разделить на 4 группы:

- природные (молнии, и другие);

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

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

- прочие виды источнике 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"

| Наименование. | оперативных | авиаотделений

Сегежское

Удаленность от населенных пунктов , км

—г-1-1-1-1--

3 ! 6 | 9 | 12 | 15 | 18

41.б¡25.9110.11 7,,9| 6.7| 2.2

1.1

24 | 27

3.4| 1.1

| Суоярвское

20.01"35.6[22.21 2.2| "4.41 6.7

8.9

I-

--1--у.---1-1--

44.0124.0116.0|12.01 - | -1--4--+--^--(_

Сортавальское

4.0

Петрозаводское

40.0|50.0| - |10.0| - | -

I Всего

36.1|2Я.5|13.6| 7.1] 4.?| 3.0| 3.0

J_J_I___и-1--1--

1.8! 1-21 ___' '

Его анализ показал, что это распределение подчиняемся экспоненциальному закону.

1

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 ваяно в современных условиях.

Для установления связи мелзду распределениями лесных пожаров и метеоусловиями в течение пожароопасного сезона автором был исполь-еоБан корреляционный анализ, в результате которого была установлена темная 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 насачщений, используя модель Байеса. Известно, что для повышения достоверности оценок -необходимо использование априорных и ачостериорных данных. Прогноз пожарной опасности базируется на ■ статистике горкмссти лесов за предыдущие годы и экспериментальных данных, полученных на пробках площадях. Для реализации этой модели выдвигали две гипотезы:

.51 - на охраняемой территории возможно возникновение пожара;

52 - на охраняемой территории пожар невозможен. Априорные вероятности .этих гипотез Р(Б1) и Р(Б2) определяются по отчетным данным лесопожарных подразделений за длительный период. Ежедневно в подразделения систеет охраны лесов поступает текущая информация о погоде и действующих пожарах. Используя данную информацию, а также модели динамики ЛГМ и их влажности определяются Р(А/31) - апостериорная вероятность первой гипотезы и Р(А/32) -апостериорная вероятность второй гипотезы. Тогда вероятность возникновения лесного определяется по формуле (1):

РСБ!) л Р(А/51)

Р(А) ----------------. (1)

Р(3;-' а Р(А/31) + Р(32) * Р(А/Б2)

По значению вероятности возникновения лесного пожара руково-" жителем лесопожарнсго подразделения принимается решение о направлении к месту вероятного пожара сил и средств. *

Для решения ряда-практических задач в работе проводится еш-лив случайной функции вероятности вопшкшовения лесного пожара с , ?0"ки еронин предполагаемой стационарности. Для эт^го Сила опре-

делена нормированная корреляционная функция вероятности возникно-

вения лесных пожаров в течение пожароопасного сезона и определены статистические оценки этой' функции: мзтематическое ожидание, среднеквадратическое отклонение, корреляционные моменты. Полученная нормированная корреляционная функция подчиняется закону убы-. веющего косинуса:

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

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

Глава 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ КНФОРМАЦИОиНО-УПРАВЛЯЩЕЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ И ОХРАНЫ ЛЕСОВ ОТ ПОЖАРОВ.

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, ис-. пользование которой дает возможность получать оперативную информацию о пожарной опасности, о наличии свобсдиих сил и средств пожаротушения для принятия решений;

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

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

(2). .

лесопожарных подразделений от различных факторов и условий работы;

г 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, региональной и локальный, что предусматривает строгую соподчинен-ность и( 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 пожаров как 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-нах подразделений. Система охраны лесов от пожаров как многоканальная система массового обслуживания с точки зрения оценки перехода системы из одного состояния в другое может быть описана-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 охрана лесов от полиров 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.

ИданироЕ&чие работ по охране лесов от пожаров для каждого могента Гфемени долаио осуществляться по критерию минимума разности значений двух т:>чек:

ДК1=Ш1, Х2, ХЗ,..., Хп; У1, 48, УЗ_____ Уп) -»~т1п (3)

при заданном времени локализации 01. в качеств показателя К1 использовалась производительность на тушении лесных пожаров.

Кмея такие зависимости в процессе проведения мероприятий по охране лесов ог пожаров, можно реиать следующие' задачи:

1. Пру, определенном уровне ограничения по силам и средствам

- 1ь -

патаротуиення а по квалификации личного состава лесопожзркых подразделений, кожно определить возможный уровень охраны лесов от пожаров на данный момент времени, т.е. продолжительность локализации лесного пожара.

2. При последовательном нзргютванин сил и средств пожароту шения К1 и повышении уровня квалификации личного состава лесопо-•жарных "подразделений можно 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 представляется 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 наш взгляд является оптимальным, посколыг/ учитывает специфику лесных пожаров и их тушение. Основными характеристиками работы ле-сопожарных подразделений (пожарно-химическлх станций, оперативных авиаотделений, механизированных отрядов и др.) как системы массового обслуживания являются следующие параметры: X - интенсивность потога заявок, т.е. число возникших пожаров э единицу времени (в сутки);

уЛ - интенсивность потока обслуживания, т.>.-. число пожаров, потушенных в единицу времени (6 сутки);

п - число групп пожаротушения одной структурной единицы системы охраны лессв от пожаров;

ш - число пожаров, для которых в данный момент времени не? свободной группы пожаротушения.

Если принять входящий и руходягзгё потоки пуассснсгс^имн, а это подтверждается анализом работы сИ'-ратисвь». авк.аэтлменнй, то систему охраны лесов от пожароа »т?аго прексгясигь как мьркогогуи систему массового обслуживания ((НО) с охид-аш«)«, яля которой интервалы Е-ремени между поступлсч:ь:*и стслих: йялеок 15 интеголги времени их оСсауяив.-чга подчи:!я--г.-сл •• •^г^кшчг.ч'.ьнгт/ эп<»ну распределен»^:

=<иеГ/' (£ >о)

■М

(5).

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

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

В рамках принятой модели для описания информационно-управля-

та 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 t сумма вероятностей всех ..состояний системы равна единице, как полная группа несовместимых событий.

Для конкретного ' графа состояний вероятности РНО, Ргси,..., РпО.) составляется система дифференциальных уравнений А.Н.Колмогорова. При установившемся режиме работы система диффе-ренциачьных уравнений А.Н.Колмогорова переходит в систему . лиией-ных уравнений. Решив эту систему уравнений, можно определить вероятности нахождения системы охраны лесов от пожзров в любом состоянии, а также ряд других важных характеристик работы системы охраны лесов от пожаров как системы массового обслуживания.

Оснйвныэ 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-управляющей системы контроля и охраны лесов от пожаров полностью соответствует условиямч (4) и (5) и, следовательно, может реально использова-

(6).

ющей системы контроля и охраны лесов от пожаров может быть приня-

ться в рамках создашш счстсш.

Существуют различные уровни охрам лесов от похпров, соответствуют различные затрата :

которым

К1, К2, КЗ, .... К1 С1, С2. СЗ, С1

(7)

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

На база математических л мрпикяих алгоритмов и моделей для всех структурных подразделений ыожго 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 каждое структурное подразделен;^? в виде коэффициентов, изменяющихся в пределах от 0 до 1. Сумма ресурсов всех десопожорних подразделений должна быть не менее требуемых ресурсов для ликвидации всех возникши лесных пожаров и

у С1 >= Стр ! (8),

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

Стр - требуемые ресурсы для ликвидации всех возникеих пожаров.

Под ресурсами понимается не только скли и средство псхйротуве-ния и средства их доставки к месту по.^:-.ра, яс также срздстза обработки, хранена к передачи ияформмда (ко*.:мсгемод техника).

ОСНОВНЫМ ЫеТЭДИЧЗСКИЫ ПОДХОДОМ К ИЛПН^р'-ЕЯНИЮ ресурсных 208-

можнсстей в условии их ограничения яглтетсл ксгздьгоя&ш юдвл»5 функционирования системы при наличии счоре/.'гй. Математический аппарат для оценки функаиоиироьания «такой системы в достаточной степени разработан. При этсутстзии стацг.-ртюг'. гфиил качества работы системы охраны лесэг. с.т р.'г-^ч.геит-; П

внедрения новых информационных технологий ыоччо 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) = с!К/с!1=>шах при С1 = Со, 1о <= 1оз.

С учетом этого положения задачу планирования работы системы охраны лесов от пожаров в рамках новых информационных аехнологий для каждого структурного подразделения можно сформулировать как максимизацию скорости <1К/сИ при заданных ресурсах Со и нормативно-временных ограничений на-1 ресурсы 01. 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 средстваш 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 комроля и охраны лесов от пожаров, вычислительные средства различной мощности. Для решения задач прогнозирования возникновения лесных пожаров и определения

- 1Я -

сил и средств псжаротуконил попользуется информашм пяти банков данных:

- банк данных по климатическим условиям;

- банк данных по источникам огня;

- банк данных по лесным пожарам;

- банк данных по ЛШ;

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

а также прикладные программы.

Потребителем информации этой подсистемы являются, в первую очередь, подсистема управления силами и средствами пожаротуаэния, руководители лесопожарных подразделе;«™, 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 ЖЮПОНАРНЫХ ПОДРАЗДЕЛЕНИЙ,

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

Поэтому руководители лесопожарчых подразделений при получении сообщения об обнаруженном пожаре должны знать, каксе кол;пест~ во сил и средств необходимо отправить к месту пожара дли его ликвидации за требуемое время.

Основными характеристик.!!! пожара, ко'го;ч.;е определяют способ и объем работ на тушении, являются скорости фронта (V-J) и прироста периметра пожара (Vin), а тана» его глтенеяыгсеть '!)■

Производительностъ лесопслг.ркич подразделений на тушении должна превышать скорость фронта пожара в 2 рога для избежания затягивания процесса туврнии. При определении способа туления, а также сил и средств .тчнаров учитывались сл-'-дуу-а» данные: вид и

Таблица 4

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

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

1 0.25 У = 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 У = 0.367 * Х~2 + 0.146 * X - 0.217 1

1 1.5 У = 0.736 * УГ2 - 2.48Е-002 * X .+ 0.007 |

1 , 2.0 " У = 1.154 * Х~2 + 0.268 * X - 0.303 |

I 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 I У = 1 17.061 * Х~2 - 3.815, * X + 4.232 |

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 исполь зуя модели динамики запаса и влажности ЛГМ, полученные автором.

2. Определение скорости прироста периметра.

Скорость прироста периметра лесного пожара, по значению которой определяется требуема;! производительности группы пожароту-

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

Vnil = 1.8559 + 0.6737*Уф t 0.7413*УфЛ2

Syx = 0.67 м/мин.. (9).

З.'По значению скорости прироста периметра пожара, определялась производительность лесопожарных подразделений в зависимости от времени свободного развития' пожара для его локализаций за заданное 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 горимость лесов может значительно превышать средний уровень.' Периодичность этих лет колеблется от трех до. десяти и более лет. Довольно-часто собственных сил и средств пожаротушения структурных подразделений ire хватает для своевременной локализации лесных пожаров. Поэтому актуален вопрос onriiMHSацни маневрирования силами и средствами пожаротушения. Автором предлагается следующий подход к репению этого вопроса .с использованием компьютерной техники.

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

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

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

JU - интенсивность потока обслуживания, т.е. число пожаров, потушенных в единицу Бремени (в сутки);

п - число групп пожг.ротужния одной структурной едктвд системы охраны лесов -от пожэрог;

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 (Ln), вре;,я доставки группы пожаротушения к пожару (t-д) и затраты (1д), связанные с ней, с мест базирования всех лесопожарных подразделений.

4. .Если-у лесопожарного подразделения нет свободной группы, то пожар свободно развивается. Возможны два варианта развития ситуации.

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

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.

целесообразность доставки резервной группы пожаротушения определяется из соотношения

ukj > zki. • (10)

где Ukj - ущерб от k-го лесного.пожара, который возник на территорги 3.-го авиаотделения, до качала тушения;

. Zki - затраты на доставку сил и средств пожаротушения на k-ый пожар с i-ro авиаотделения, где имеется свободная группа пожаротушения;

Ущерб от пожара до начала тукения состоит из потерь древесины, от нарушения экологических функций леса и от снижения продук-' тивности насаждения и.зависит от площади пожара до начала тушения и от хозяйственной ценности насаждения. Площадь пожара.до начала тушония определяется по моделям, представленным в таблице 4.

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

- ц? -

Входной иифориаци^й для реализации этой программы являются вид, площадь и интенсивность похара к началу тушения, таксационная характеристика насаждения ( преобладавшая порода, возраст), а также возможность разработки горельников. Определение ущерба от наруше- ■ ния 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 решений. Предпочтение имеет то, где затраты на доставку сил и средств минимальны. Решение данной задачи позволит сократить затраты на обслуживание лесных пожаров, что в современных условиях чрезвычайно ваяно.

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

На основе проведенных исследований можно сделать следующие основные выводы:

1. Запасы ЛГМ зависят от возраста насаждения. Данные зависимости носят 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 ьыделить 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 оптимзль- , ним для создания комплексной системы контроля и охраны лесоъ от . пожаров.

6. Разработаннал система контроля и охраны лесов cv пажарсЕ позволяет оптимизировать процесс сбора, обработки 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 лесополарних 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 горимости 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 в 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, 1905. - с. 124 - 129.

д. Мухин A.C. Определение запаса лесных горючих материалах i о пожароопасных насаждениях // (3 сб. нтуч. тр. МГУЛ: Лесопользование и воспроизводство лепных ресурсов. - Вып. 230. - М.: МГУЛ: 1995. - • с. 135 - 138.