«Разработка модели распростронения лесных пожаров»

Ежегодно в России возникают десятки тысяч лесных пожаров, в результате которых сгорает более 1 млн. га леса. Еще большее количество леса при этом повреждается, а затем гибнет. Например, тепловое излучение от фронта пожара непосредственно воздействует на камбиальный слой дерева, а это приводит к его гибели. Кроме того, за счет теплопередачи тепла в почву изменяется её химический состав и структура, микрофлора и фауна почвы, повреждаются поверхностные корни деревьев. Ущерб от лесных пожаров не ограничивается стоимостью уничтоженной древесины, которая не превышает 10% от всех полезных свойств леса (почвозащитных, водоохранных, кислородопроизводящих, санитарно-гигиенических и др.). Различные виды лесных пожаров (низовые, верховые, почвенные и др.) представляют собой опасные стихийные бедствия, приносящие огромный ущерб и создающие угрозу для людей и материальных ресурсов, находящихся вблизи районов их возникновения и развития.

Так в июле и начале августа 2010 года лесные пожары в Европейской части России и на Урале охватили огромную площадь. Согласно данным Федерального агентства лесного хозяйства, общая площадь, пройденная огнем с начала года по 3 августа включительно существенно превысила миллион гектаров. По данным МЧС, представленным в Интернете, от 4 августа, при лесных пожарах погибли 50 человек. Полностью или частично сгорело не менее 130 населенных пунктов. Сгорела крупная военная база в Московской области. Ущерб от пожаров примерно сравнялся с годовым финансированием всего лесного хозяйства страны. Пожар проник на территорию Федерального ядерного центра в Сарове Нижегородской области, и с большим трудом был потушен. Многие крупные города и целые регионы Европейской России неделями существовали в условиях опасного для жизни людей задымления, местами видимость составляла лишь несколько десятков метров. Это вызвало частичную отмену авиасообщения и затрудняло автодорожное движение. По данным Национального аэрокосмического агентства США (NASA), облако дыма от лесных пожаров в Европейской части России по состоянию на 4 августа 2010 года достигло ширины в три тысячи километров. Дым от лесных пожаров проник в стратосферу на высоту около двенадцати километров. На такой высоте он может переноситься на очень большие расстояния.

Возникновение и распространение лесных пожаров зависят от различных условий (климатических: скорости ветра, температуры окружающей среды, состояния атмосферы и т.д.) рельефа местности и других факторов. Одной из наиболее опасных форм лесных пожаров являются верховые, на долю которых приходится 70% выгоревшей площади и наибольшие убытки.

Повышенное внимание к данной проблеме обусловлено также воздействием крупных лесных пожаров на приземный слой атмосферы, что вызывает климатические (понижение температуры среды за счет задымленности территорий приводит к гибели или более позднему вызреванию сельскохозяйственных культур) и экологические последствия. При определенных условиях (метеорологических, рельеф местности и др.) могут возникнуть массовые пожары («огненный шторм», огненные смерчи), в результате которых имеет место штормовая скорость ветра, реализуются высокие температуры, а газообразные продукты горения поднимаются на большую высоту и переносятся на значительные расстояния. Экспериментальные исследования лесных пожаров являются, как правило, дорогостоящими, а в некоторых случаях просто невозможными. В связи с этим большое значение имеет математическое моделирование возникновения и развития лесных пожаров.

Лесные пожары наносят огромный, и часто невосполнимый, ущерб природным и материальным ресурсам Российской Федерации. Причиной этого является отсутствие полноценной научной основы (базовой методики) качественного, и количественного анализа возможности возникновения, распространения и тушения лесных пожаров, что сдерживает не только создание высокоэффективной системы для борьбы с ними, но и затрудняет задачу оперативного определения оптимальных направлений для использования современных организационных способов и технических средств их тушения.

Попытки построения подобной методики (точнее, её основных элементов) уже предпринимались. При этом в качестве предполагаемой научной основы, как правило, рассматривались сложные математические модели газовой динамики реагирующих сред, дающих общую математическую модель как низовых, так и верховых пожаров. Но в нашей работе были объединены две более простые, но не менее действенные теории, а именно перколяционная теория и теория нечётких множеств.

Актуальность данной работы заключается в разработке прототипа системы, которая сможет моделировать лесные пожары, прогнозировать динамику их развития.

Используемые в настоящее время программные средства для прогнозирования динамики развития лесных массивов основаны на использовании лесопожарного коэффициента который позволяет получить лишь приблизительную картину развития пожара. Использование новейших разработок в области информационных технологий, средств спутниковой навигации и связи у пожарных (трекеров, средств мобильной связи для передачи видеоинформации и т.п.), использование возможностей Internet, интеллектуальных датчиков, сенсорных самоорганизующихся систем, а также использование для моделирования динамики лесных пожаров современных программных средств, например, с использованием алгоритмов фронтальных клеточных автоматов, с большим объёмом данных позволит определять фронт лесных пожаров разных типов, а так же установить вероятность распространения в определенном направлении.

Цели и задачи данной работы заключаются в создании модели для комплексного решения следующих задач в прогнозировании поведения лесного пожара: прогнозирование распространения трёхуровневого пожара, нахождение периметра контура лесного пожара.

Достоверность результатов

Достоверность результатов нашей работы базируется на использовании общепризнанных теоретических аппаратов исследования, апробированных ранее большим числом авторов. Все основные допущения, принятые в работе, также являются традиционными и общепринятыми в использованных теориях.

Объект исследования – процесс создания компьютерной модели лесного пожара.

Предмет исследования – компьютерное моделирование с учетом влияния ветра на распространение лесного верхового пожара.

Данный проект состоит из двух частей.

Целью аналитической части является рассмотрение существующего состояния предметной области, характеристики объекта и системы управления.

Проектная часть дипломного проекта является описанием решений, принятых по всей вертикали проектирования. Глава основана на информации, представленной в аналитической части, обобщает ее. По сути, проектная часть является решением проблематики, изложенной в аналитической части, на языке информационных технологий.

В заключении сделаны выводы по проекту.

В появившемся диалоговом окне (Рис.5.)предлагается выбрать вариант загрузки On your computer, это именно тот вариант, который нам необходим. Далее, в течении нескольких кликов мыши, нажимая «Далее», ролик появляется в документе Flash, в один момент, главное указать тип вставляемого видео – Movie Clip (Рис. 6).

Рис.4. Главное меню

Как видно на рис.7. видео ролики присутствуют в библиотеке в виде муви клипов.

Далее можно сохранить документ, ибо первая, подготовительная часть работы сделана.

Сделаем окно приветствия первым кадром. Сделаем надпись: Распространение пожара в лесном массиве под воздействием ветра.

Во втором кадре, нарисуем инструмент управления. Рис.8. Добавим ему выразительности.

Рис.5. Окно Select Video

Рис.6. Указание вставляемого видео

Рис.7.

3.3. МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЙ ПОЖАРА

Рис.8.

Это у нас будут кнопки, с помощью которых будет осуществляться навигация по временной шкале.

Далее, создаем с помощью команды Insert Blank Feyframe, восемь последовательных кадров, на которых будут расположены муви клипы. На всем протяжении монтажной шкалы, повторяем элемент управления (Рис.9).

Рис.9.

Размещая муви клипы на рабочей области заметим, что они по размеру больше чем рабочая область. Изменим размер рабочей области соответственно с ними на 720х480 пикселей.

Располагаем клипы по кадрам соответственно:

Направление Кадр

Север 3

Северо-восток 4

Восток 5

Юго-восток 6

Юг 7

Юго-Запад 8

Запад 9

Северо-Запад 10

Далее, на втором кадре также под «компасом» располагаем картинку.

Все выравниваем и проверяем. Теперь нужно поработать над «компасом». Каждая стрелка это отдельная кнопка, ведущая на соответствующий кадр.

Для улучшения визуального восприятия, удалим обводки со стрелок и сделаем заливку полупрозрачной.

Теперь кнопки выглядят следующим образом (Рис.10)

Рис.10.

Далее, выделяем отдельную стрелку и нажимаем F8 (преобразовать в символ). В появившемся окне, обзываем кнопку (Рис.11) и нажимаем Enter . Данную операцию нужно повторить со всеми кнопками.

Рис.11.

Надпись на первом кадре, также преобразовываем в кнопку. Она будет вести на 2-й кадр.

3.4. ПРОГРАММИРОВАНИЕ МОДЕЛИ ЛЕСНОГО ПОЖАРА

Интерфейс для анализа пожароопасных ситуаций представляет собой результат программных разработок в области моделирования возгораний лесного массива в зависимости от его типа и одновременно с учетом направления ветра.

Выглядит все очень просто – лесной массив делится на невидимую сетку и в ячейки сетки на поле помещается источник возгорания. На очередном шаге содержание каждой ячейки сетки подвергается преобразованиям согласно определенному набору правил. Если данная ячейка содержит огонь и в прилегающих к ней ячейках находится две или три точки, то содержимое данной ячейки изменяется в зависимости от типа лесного массива.

Задача проекта

Программа создает сетку, заполняющую экран. Каждая ячейка может содержать или не содержать огонь. Расположив огонь в лесном массиве, пользователь может изменить ее состояние.

Рисунок 1. Интерфейс для анализа пожароопасных ситуаций моделирует воспламенение в лесном массиве

Когда пользователь выбирает участок на карте Башкирии, ему предлагается выбрать тип лесного массива, после чего, путем нажатия на кнопку «ОК», он переходит к процессу моделирования возгорания в лесу. На данном этапе, пользователю предлагается указать расположение источника возгорания и направление ветра. После выбора направления ветра, начинается процесс расчета. При каждом проигрывании кадра расчет применяется к каждой ячейке описанный набор правил. В результате наполнение некоторых ячеек меняется.

Пользователь может нажать кнопку «Очистить» для остановки исполнения алгоритма распространения огня и после чего переместить источник в лесном массиве. Также пользователь в любой момент может поменять направление ветра, данное действие сбросит текущее распространение огня и запустит его по новому вектору.

Подход

Ролик начинается с создания сетки, состоящей из клипов (ячеек). Также создается двумерный массив булевых переменных. Каждый элемент массива соответствует определенной ячейке и указывает, в каком кадре находится этот клип-ячейка ( то есть находится ли в данной ячейке "источник").

Основная функция ролика просматривает все ячейки и вычисляет изменения в них. Выполнение этой функции представляет собой один шаг игры. Если пользователь нажимает кнопку действия, ролик выполняет эти шаги непрерывно.

Подготовка процесса

В дополнение к 9 кнопкам (рис 1) необходимо создать клип-ячейку. Назовем этот клип "FrameForFire". Он должен изначально находиться на рабочем поле, но ему надо присвоить имя в панели Linkage Properties, чтобы можно было создавать его копии с помощью ActionScript.

Клип "FrameForFire"должен содержать два кадра - один с кнопкой для перемещения источника, а второй - в виде пустой ячейки, из которой и происходит процесс распространения огня. Первому кадру назначен сценарий с командой stop (). В отдельный слой клипа помещается кнопка, чтобы пользователь мог кликать по ячейке.

Наконец, создается клип "actions", который будет содержать обращение к основной функции нашего кода.

Создание кода (На примере Хвойного леса)

Первая функция создает сетку из 25x15 ячеек и двумерный массив, Каждая строка массива представляет собой столбец (одномерный массив) булевых переменных. Таким образом, для доступа к верхнему левому элементу сетки надо написать grid[0][0], а для доступа к пятому элементу и седьмому сверху - grid[4] [6] (то есть центр координат находится в верхнем левом углу).

function createGridO {

// Создаем клипы и заполняем массив,

grid = new Array();

for(y=0;y<15;y++) {

var temp = new ArrayO;

for(x=0; x<25; x++) {

me = attachMovie("FrameForFire", "FrameForFire"+x+" "+y,y*25+x);

mc._x = x*20+30;

mc._y = y*20+30;

mc.x = x; mc.у = у;

temp.push(false); }

grid.push(temp);

} }

1) Трехслойность рассматриваемой модели

2) Нечеткая модель направления ветра

3) Было рассмотрено по 8 соседей для каждого дерево (во всех предыдущих моделей их было 4)

К достоинствам предлагаемого подхода можно отнести высокое быстродействие, возможность передачи полученных результатов моделирования непосредственным исполнителям через сети спутниковой связи, Internet, с использованием мобильной связи. Так же одной из главных особенностей является возможность использования программы на мобильных телефонах и планшетных компьютеров благодаря использования в ней облачных распределённых вычислений.

Выполнено обоснование принятого метода оценки параметров и условий перехода низового пожара в верховой пожар.

Осуществлены: компьютерная реализация методики и наполнение базы данных типовых элементов-шаблонов, порождений зон охвата горением; разработаны модули визуализации, поддерживающие импорт графических иллюстраций во внешние программы.

Обоснована и адаптирована математическая модель лесных пожаров, сформулированы, преобразованы уравнения, граничные и начальные условия. Разработаны несколько версий разностных схем и алгоритмов решения уравнений модели. В компьютерной технической системе реализованы модули расчета уравнений модели и графической визуализации результатов численных экспериментов.

Предложено математическое описание, разработана программа моделирования и визуализации процессов распространения лесных пожаров. Основой комплекса является интеграция систем математического моделирования, интеллектуальных вычислений, географических информационных систем. Программный комплекс позволяет рассчитывать прогнозные характеристики развития верхового лесного пожара на основе компьютерной модели, сформированных баз данных исходных параметров и подготовленных типовых сценариев развития лесных пожаров, визуализировать результаты расчета на электронной карте. Средства программного комплекса позволяют осуществлять построение прогнозных границ зон выжженной и горения лесных горючих материалов, наносить контура этих зон на цифровые карты. Выполнен анализ процессов распространения фронта пожара в неоднородной среде, что обеспечивает возможность прогнозирования эффектов оперативных противопожарных мероприятий.

Результаты исследования могут быть использованы в системах принятия решений при ликвидации лесных пожаров, что позволит уменьшить убытки, связанные с огнем: сократить сгоревшую площадь, уменьшить затраты ресурсов на тушение, сохранить жизнь людей.

Результаты настоящего исследования могут быть распространенены на широкий класс процессов пространственного распростанения, таких, как таяние снегов, распространение эпидемии и т.д.

8. Macromedia Studio 8 (+ CD-ROM): Шаоэн Бардзелл и Джеффри Бардзелл — Москва, Эком, 2006.- 592 с.

9. Амосов Г.А. Некоторые закономерности развития лесных низовых пожаров. – В кн.: Возникновение лесных пожаров. М., «Наука», 1964, с. 152-183.

10. Беспалов М.С., Ичалов В.А., Кузьмин Р.Н., Кулешов А.А., Клочкова Л.В., Савенкова Н.П., Сузан Д.В., Тишкин В.Ф., Филиппова С.В. Физико-математическая модель лесных пожаров, сб. трудов конференции Математика. Компьютер. Образование. Вып. 7, ч.2. М. Прогресс-Традиция, Москва, 2000, с.419-422.

11. Брушлинский Н.Н. Моделирование пожаров и взрывов / под ред. Н.Н.Брушлинского и А.Я.Корольченко. – М.: Асс. «Пожнаука», 2000. 482 с.

12. Бутусов О.Б., Редикульцева Н.И., Савельева О.Ю. Компьютерное моделирование в задачах мониторинга лесных пожаров // Труды института системного анализа РАН: Динамика нелинейных систем. – 2005, – Вып. 17(1) – Спб. "Мобильность плюс". – с.240 - 247

13. Валендик Э.Н., Исаков З.В. Об интенсивности лесного пожара. – Красноярск: Институт леса и древесины СО АН СССР,-1978г. – 190с.

14. Войшвилло Е.К. Понятие как форма мышления: логико-гносеологический анализ. – М.: МГУ, 1989. 239 с.

15. Войшвилло Е.К. Понятие. – М.: МГУ, 1967. 288 с.

16. Войшвилло Е.К. Символическая логика (классическая и релевантная): Философско-методологические аспекты: Учеб. пособие. – М.: Высш. шк., 1989. 150 с.

17. Войшвилло Е.К., Дегтярев М.Г. Логика: Учеб. для студ. высш. учеб. заведений. – М.: Изд-во ВЛАДОС-ПРЕСС, 2001. – 528 с.

18. Голованов О.В., Перминов В.А. Визуализация распространения плоского фронта верхового лесного пожара // Информационные недра Кузбасса. Труды конференции. Часть 2, Кемерово: Изд.-во Полиграф, 2001. C.264–271.

19. Гришин А.М. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними. Новосибирск: – Наука. 1992. – 407 с.

20. Гришин А.М. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними. — Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1992. — 408 с.

21. Гришин А.М. Математическое моделирование лесных пожаров. - Томск, Изд-во Томского университета, 1981г. - 277 с.

22. Гришин А.М., Грузин А.Д., Зверев В.Г. Математическое моделирование процесса распространения верховых лесных пожаров. – ДАН СССР, 1983, т. 269, №4, с. 822-826.

23. Гришин А.М., Перминов В.А., Шипулина О.В., Porterie B. (Франция). Общая математическая модель и некоторые результаты математического моделирования // VIII Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике, 23–29 августа 2001, Пермь. С.633.

24. Гуц А.К. Математическая логика и теория алгоритмов: Учебное пособие. – Омск: Издательство Наследие. Диалог-Сибирь, 2003. – 108 с.

25. Дорррег Г.А. Математические модели динамики лесных пожаров. – Москва: Лесная промышленность, 1979. – 243 с.

26. Ивин А.А. Логика. Учебное пособие. Издание 2-е – М.: Знание, 1998. –240 с.

27. Исаков Р.В. Об условиях возникновения лесных пожаров // Прогнозирование лесных пожаров. – Красноярск: Институт леса и древесины СО АН СССР,-1978г. – 164с.

28. Китинг Дж. Flash MX. [пер. с англ.] / Джоди Китинг - М. и др. : DiaSoft, 2008. - 900 с.

29. Конев А.В., Анализ процесса распространения лесных пожаров и палов // Теплофизика лесных пожаров. –Новосибирск: Институт теплофизики СО АН СССР, 1984г. - 430с.

30. Конев Э.В. Физические основы горения растительных материалов. – Новосибирск.: «Наука», 1977. – 102 с.

31. Курбатский Н.П. Классификация лесных пожаров // Вопросы лесоведения. Красноярск, ИЛиД СО АН СССР, 1970. - 490 с.

32. Маров М. «Энциклопедия 3D Studio MAX 3», издательство «Питер», 2000.

33. Мартыновская А.Ю., Перминов В.А. Математическая модель распространения двумерного фронта верхового лесного пожара в осредненной постановке // Наука и образование: Материалы 7-ой международной конференции. Белово, 2008. С.199-207.

34. Молчанов В.П. Условия возникновения верховых лесных пожаров в сосняках // Лесное Хоз-во. -1957г. -№8. – 140с.

35. Перминов В.А. Математическое моделирование возникновения и распространения лесных пожаров // Материалы Всероссийской конференции «Наука и образование», 20-21 февраля 2003, Белово, 2003. C.505-507.

36. Перминов В.А. О возникновении и распространении лесных пожаров // Информационные технологии и математическое моделирование: Материалы V Международной научно-практической конференции. Ч.2. Томск: Изд-во Томского госуниверситета, 2006. С.45-47.

37. Перминов В.А. О численном решении задачи зажигания полога леса от очага низового лесного пожара в трехмерной постановке // Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии: Избранные доклады 7-й Международной научной конференции. Томск: Изд-во Томского ун-та, 2007. С.172-179.

38. Работа в среде Macromedia Flash 5: Н. Г. Никифорова, Р. А. Федоровская, А. В. Никифоров — Москва, ИВЭСЭП, 2008.- 72 с.

39. Самоучитель Macromedia Flash MX: Михаил Бурлаков — Москва, БХВ-Петербург, 2003.- 656 с.

40. Сухнин А.И. Температурное поле при распространении пламени по хвои // Проблемы лесной пирологии. - Красноярк: ИЛиД СО АН СССР, 1975. - 230с.

41. Тейз А., Грибомон П. и др. Логический подход к искусственному интеллекту: от классической логики к логическому программированию. – М.: Мир, 1990. – 432 с.

42. Телицын Г.П. Лесные пожары, их предупреждение и тушение в Хабаровском крае. –Хабаровск: ДальНИИЛХ, 1988.- 230 с.

43. Шахраманьян М.А., Нигметов Г.М. Методика оперативной оценки последствий лесных пожаров. М.: – ВНИИ ГОиЧС. 2001. – 32 с.