Иванов, Марат Валерьевич. Математическое моделирование аварийной эвакуации людей при пожарах на объектах с массовым пребыванием людей

brief description

Иванов, Марат Валерьевич. Математическое моделирование аварийной эвакуации людей при пожарах на объектах с массовым пребыванием людей : диссертация ... кандидата технических наук : 05.13.18 / Иванов Марат Валерьевич; [Место защиты: С.-Петерб. гос. ун-т ГПС МЧС России].- Санкт-Петербург, 2011.- 189 с.: ил. РГБ ОД, 61 12-5/2011

МЧС России Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы

04201200688
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АВАРИЙНОЙ ЭВАКУАЦИИ ЛЮДЕЙ ПРИ ПОЖАРАХ НА ОБЪЕКТАХ С МАССОВЫМ ПРЕБЫВАНИЕМ ЛЮДЕЙ
Специальность 05.13.18: «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ»
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель
к.т.н, доцент,
А.В. Матвеев
Санкт-Петербург
2011
Введение 5
1. Анализ состояния вопроса в части управления индивидуальным пожарным риском на объектах с массовым пребыванием людей 13
1.1. Проблема обеспечения пожарной безопасности в зданиях с массовым пребыванием людей 13
1.2. Анализ нормативных требований по обеспечению безопасности людей при пожарах 24
1.3. Структура и методические основы оценки индивидуального пожарного риска 32
1.3.1. Подходы к анализу пожарного риска в зданиях 32
1.3.2. Методики определения величин индивидуального пожарного риска в зданиях 46
1.4. Психофизиологические аспекты при эвакуации людей 59
Выводы по 1-му разделу 65
2. Методические основы применения средств аварийной эвакуации .... 68
2.1. Анализ методических подходов к применению спасательных средств эвакуации людей при пожарах 68
2.2. Формализация критерия эффективности управления индивидуальным пожарным риском в здании при использовании средств спасения и эвакуации 75
2.2.1. Основные компоненты модели управления индивидуальным пожарным риском в здании 75
2.2.2. Основные компоненты модели процесса аварийной эвакуации людей при использовании спасательных средств 79
2.3. Моделирование процесса аварийной эвакуации людей из здания с массовым пребыванием людей в случае наступления пожара
при использовании современных спасательных средств 86
2.3.1. Модель процесса аварийной эвакуации при
стационарном потоке людей 86
2.3.2. Модель процесса аварийной эвакуации при нестационарном потоке людей 95
2.3.3. Модель процесса аварийной эвакуации в условиях непоказательного закона распределения временных характеристик при использовании спасательных средств 100
2.4. Общая схема выработки управленческих решений по обеспечению пожарной безопасности на основе предложенного подхода 106
Выводы по 2-му разделу 115
3. Натурные эксперименты эвакуации людей из здания с массовым пребыванием людей в случае наступления пожара при использовании спасательных средств 120
3.1. Теоретические основы апробации практического применения средств эвакуации людей 120
3.1.1. Характеристики случайных величин, связанных с процессом эвакуации 120
3.1.2. Отнесение выборок случайных величин, связанных с процессом эвакуации, к известным законам 123
3.2. Определение законов распределения временных характеристик процессов эвакуации людей при использовании различных спасательных средств 130
3.3. Результаты натурных экспериментов процессов эвакуации из зданий с массовым пребыванием людей при использовании спасательных средств 149
Выводы по 3-му разделу 159
Заключение 163
Список использованной литературы 167
Приложение 183
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
АУПТ — автоматические установки пожаротушения ГОСТ - государственный стандарт ЗР — закон распределения ЛНС — лестница навесная спасательная ЛПР — лицо принимающее решения МЧС РФ — Министерство Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий НД - нормативные документы НС - национальный стандарт НПБ — нормы пожарной безопасности ОБН - система обнаружения пожара ОФП — опасные факторы пожара ПБ - пожарная безопасность ПДЗ - система противодымной защиты СВ — случайная величина СНИП — строительные нормы и правила СОПБ — система обеспечения пожарной безопасности СОУЭ - система оповещения и управления эвакуацией СП - свод правил СУАЭ - система управления аварийной эвакуации УСР — устройство спасательное рукавное ЧС — чрезвычайные ситуации ЭД - экспериментальные данные ЭФ - эффективность функционирования
Актуальность исследований. Пожары являются наиболее распространенными причинами чрезвычайных ситуаций на объектах с массовым пребыванием людей. Поэтому снижение пожарного риска до социально приемлемого уровня, включая сокращение числа погибших и получивших травмы в результате пожара людей, может рассматриваться как важнейший индикатор и оценка эффективности функционирования системы пожарной безопасности.
В последнее время в целом ряде регионов России зарегистрировано увеличение числа пожаров, при которых отмечается большое количество погибших и травмированных людей, в том числе детей [75].
При этом, с развитием средств информации мир все чаще становится свидетелем того, как при пожарах в зданиях люди, будучи отрезанными от штатных путей эвакуации, вынуждены, спасаясь от огня и дыма, в отчаянии выбрасываться из окон верхних этажей. Между тем, мало кто задается мыслью, могла ли быть в подобной ситуации альтернатива гибельному шагу людей, выбрасывающихся из окон горящих зданий.
Удивительно, что в процессе обсуждения происшедших пожаров в средствах массовой информации и проведении расследований не возникает логичный вопрос о способах и путях самоспасения людей при пожарах. В таких ситуациях зачастую отрезаны штатные пути эвакуации, задерживаются с прибытием пожарные службы или вообще, прибывшие пожарные команды лишены возможности снять людей с окон.
Многим памятны фатальные последствия пожаров гостиницы «Россия» в Москве, здания УВД в Самаре, московских студенческих общежитий, в детских домах Якутии и Дагестана, а также последние трагические события в городе Владивостоке, наркологической клиники в Москве, унесшие значительное количество человеческих жизней.
Общая тенденция увеличения показателей гибели и травмирования
людей на пожарах в Российской Федерации обуславливает необходимость внедрения новых средств и способов обеспечения пожарной безопасности, направленных на сохранение жизни и здоровья людей при возможных пожарах в зданиях.
Одним из перспективных направлений решения данной проблемы является применение различных спасательных средств - индивидуальных средств защиты органов дыхания и зрения от опасных факторов пожара, а также специальных средств аварийной эвакуации из горящего здания в область пожарной безопасности.
Актуальность применения средств аварийной эвакуации при пожарах на объектах с массовым пребыванием людей обусловлена тем фактом, что именно на данных объектах зачастую могут создаваться скопления людей в процессе штатной эвакуации, приводящие к задержкам времени эвакуации и, как следствие, воздействию опасных факторов пожара на людей. Именно на пожары в производственных помещениях и местах массового пребывания людей приходится наибольший социальный и материальный ущерб.
Вместе с тем, в настоящее время практически отсутствуют научно обоснованные методики определения эффективности применения спасательных средств, а также количественного оснащения и выбора типов спасательных средств в зданиях различных классов функциональной пожарной опасности.
Разнообразие объектов с массовым пребыванием людей требует создание на них объективных технических условий для выполнения основных требований пожарной безопасности, которые предусматривают проведение профилактических мероприятий и содержание всех систем защиты от пожаров в соответствии с требованиями проектной, технической и нормативной документации. Важнейшей составляющей таких систем являются средства оповещения, которые должны обеспечить передачу своевременной информации о возникновении угрозы пожара, выборе наиболее безопасных путей эвакуации в зависимости от реализуемого сценария развития пожара, в том числе, в направлении ближайшей зоны безопасности здания — специально оборудованного помещения, предназначенного для защиты людей от опасных факторов пожара.
Технический регламент [1] о требованиях пожарной безопасности установил ряд новых понятий и требований. Прежде всего, стоит упомянуть оценку допустимого уровня пожарного риска. В статье 6 ФЗ-123 определено: "Пожарная безопасность объекта защиты считается обеспеченной в том случае, если пожарный риск не превышает допустимых значений...".
Определение величины индивидуального пожарного риска осуществляется в соответствии с методикой [7], утверждённой приказом МЧС России от 30 июня 2009 г. № 382. Однако, в явном виде видны недостатки существующей методики:
- методика не отражает реального процесса движения людских потоков в зданиях в зависимости от класса функциональной пожарной опасности;
- методика не учитывает возрастной специфики людских потоков, то есть площадей горизонтальных проекций идущих людей разных возрастных групп, тем самым снижая надежность нормируемых параметров по обеспечению безопасных условий вынужденной эвакуации;
- в табл.5 Приложения 5 к методике время начала эвакуации поставлено в зависимости от основного функционального контингента, что также не исследовано;
- методика не учитывает возможность эвакуации людей через аварийные пути эвакуации, в том числе с применением специальных спасательных средств, а также применение индивидуальных средств защиты, позволяющих в ряде случаев увеличить время начала воздействия опасных факторов пожара (ОФП).
Поэтому требование по обеспечению вероятности эвакуации Рэ - 0,999 не может быть выполнено в полной мере. Следует также учесть тот факт, что правильная организация эвакуации также оказывает значительное влияние на вероятность эвакуации, что не нашло своего отражения в методике [7].
За прошедшие десятилетия были изучены параметры взрослых здоровых людей для их эвакуации из зданий различного назначения в нормальных и аварийных условиях [146], а также людей с физическими ограничениями [158].
Эвакуация детей и подростков долгое время оставалась без должного внимания. 30 лет тому назад были выполнены работы, посвященные проектированию зданий с массовым пребыванием детей и подростков [91].
Всё вышеупомянутое определяет необходимость проведения экспериментов с целью установления научно обоснованных данных для нормирования вынужденной эвакуации из зданий с массовым пребыванием людей и разработки рекомендаций по подготовке персонала к организации и управлению эвакуацией людей в случае возникновения пожара.
Фундаментальные исследования по моделированию процессов управления пожарной безопасностью на объектах с массовым пребыванием людей, а также вопросам моделирования эвакуации людей при пожаре принадлежат многим ученым - В.А.Акимову, В.С.Артамонову, С.В.Беляеву, В.Г.Бурлову, Ю.Л.Воробьеву, В.А.Гадышеву, В.И.Дутову, В.Г.Евграфову, Д.А.Кудрину, А.И.Милинскому, Д.А.Самошину А.А.Таранцеву,
В.В.Холщевникову, В.М.Предтеченскому, С.Е.Якушу и др.
В настоящее время отсутствуют практические данные о возможном времени начала эвакуации из зданий с применением спасательных средств аварийной эвакуации.
Задачей первостепенной важности является проведение серий натурных наблюдений поведения людей в период подготовки к эвакуации, её организации и эвакуации людей разных возрастных групп с помощью различных спасательных средств с высоты с целью получения исходного статистического материала.
Необходимо проведение многосторонних теоретических исследований, базирующихся на полученных эмпирических данных, ранее установленных положений теории людских потоков [141] и психофизиологии поведения
людей во время эвакуации [90].
Необходимо установить научно-обоснованные закономерности формирования времени начала эвакуации и закономерности, определяющие значения вероятности эвакуации людей с высоты с применением специальных спасательных средств.
Данная совокупность факторов определяет актуальность настоящей работы, а целью работы является повышение эффективности управления индивидуальным пожарным риском на объектах с массовым пребыванием людей за счет разработки математических моделей процесса аварийной эвакуации с высоты.
Достижение цели исследования предполагает решения следующих задач:
1. Поставить и формализовать задачу моделирования аварийной эвакуации людей с высоты в интересах управления индивидуальным пожарным риском на объектах с массовым пребыванием людей.
2. Разработать комплекс математических моделей процесса аварийной эвакуации людей с высоты при использовании спасательных средств.
3. Разработать метод оценивания эффективности применения спасательных средств аварийной эвакуации при пожаре.
4. Провести проверку адекватности разработанных математических моделей на основе данных натурного эксперимента применения спасательных средств аварийной эвакуации на объектах с массовым пребыванием людей.
Результаты решения данных задач предназначены для теоретического обоснования действий лиц принимающих решения, призванных в условиях ограниченных ресурсов и времени выработать комплекс мероприятий, обеспечивающих требуемый уровень пожарной безопасности в зданиях с массовым пребыванием людей.
Объектом исследования является система управления аварийной эвакуацией людей с высоты в зданиях с массовым пребыванием людей.
Предметом исследования являются модели процесса аварийной
эвакуации людей с высоты при пожарах при использовании спасательных средств.
Методологическими и теоретическими основами диссертации являются методы математического моделирования систем, методы декомпозиции и агрегирования, сравнительного анализа, системный анализ, теория эффективности, теория марковских процессов, теория вероятностей, методы статистического анализа.
Научная новизна заключается в развитии методов и совершенствовании моделей теории управления пожарным риском и проявляется в работе:
- в развитии научно-методических основ и механизмов координации управления в сфере снижения пожарных рисков на объектах с массовым пребыванием людей за счет внедрения и использования на объектах средств спасения и аварийной эвакуации;
- в разработке комплекса математических моделей процесса эвакуации людей с использованием средств аварийной эвакуации, учитывающей в себе технические характеристики спасательных средств и психофизиологические аспекты при эвакуации людей;
- в прогнозировании индивидуального пожарного риска на объектах с массовым пребыванием людей при условии применения на объектах средств спасения и аварийной эвакуации людей;
- в процессе обоснования возможностей применения на объектах с массовым пребыванием людей средств спасения и аварийной эвакуации;
- в результатах практической апробации разработанных в диссертации математических моделей;
- в процессе обоснования путей обеспечения нормативных значений показателя индивидуального пожарного риска на объектах с массовым пребыванием людей.
Научная новизна подтверждается:
- использованием достижений фундаментальных наук, строгими математическими доказательствами полученных результатов;
- новыми оригинальными аналитическими методами исследования.
Достоверность научных результатов подтверждается верификацией
разработанного комплекса математических моделей посредством сравнения с результатами практической апробации использования спасательных средств аварийной эвакуации.
Научно-практическая ценность определяется возможностями применения методического аппарата, разработанного в диссертации:
- при формировании формализованного замысла и решений собственников объектов с массовым пребыванием людей на внедрение и применение средств спасения и эвакуации в интересах обеспечения требуемого уровня пожарного риска;
- для разработки руководящих действий и инструкций структурными подразделениями МЧС РФ при взаимодействии с собственниками объектов, в том числе при проверке поданных собственниками деклараций пожарной безопасности;
- для разработки системы поддержки принятия решения по управлению индивидуальным пожарным риском на объектах с массовым пребыванием людей;
- для организации учебного процесса при подготовке специалистов по специальности «Безопасность и защита в ЧС».
Реализация. Основные результаты диссертационной работы внедрены в Северо-Западном региональном центре МЧС России, в Международной группе компаний «Городской центр экспертиз» (GCE Group), Санкт- Петербургском Государственном Политехническом Университете. Внедрение результатов диссертационных исследований подтверждается актами о реализации.
Апробация работы. Основные результаты, полученные в процессе проведенных исследований обсуждались и получили одобрение научной общественности на:
- XVIII Международной научно-методической конференции «Высокие интеллектуальные технологии и инновации в образовательно-научной деятельности»; г. Санкт-Петербург, 17-18 февраля 2011 г.;
- Международной научно-практической конференции «XXXIX неделя науки СПбГПУ», г. Санкт-Петербург, 6-11 декабря 2010г.;
- Научно-методическом семинаре «Проблемы риска в техногенной и социальной сферах», г. Санкт-Петербург, май 2009г.;
- XII Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы, г. Санкт-Петербург, 15-16 мая 2008г.;
- 9-й Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы защиты и безопасности», г. Санкт-Петербург, 3-6 апреля 2006 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, из них 3 в источниках, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа содержит введение, три раздела с выводами по каждому разделу, заключение, список использованной литературы из 161 наименования, приложения (7 страниц); изложена на 189 страницах (с учетом приложения), включает 40 рисунков, 20 таблиц.
В результате проделанной работы получены и выносятся на защиту следующие научные результаты:
1. Постановка и формализация задачи моделирования аварийной эвакуации людей с высоты в интересах управления индивидуальным пожарным риском на объектах с массовым пребыванием людей.
2. Комплекс математических моделей процесса аварийной эвакуации людей с высоты при использовании спасательных средств.
3. Метод оценивания эффективности применения спасательных средств аварийной эвакуации при пожаре.
4. Численные результаты моделирования процесса аварийной эвакуации людей с высоты при использовании спасательных средств.

bibliography

Заключение
Пожары являются наиболее распространенными причинами чрезвычайных ситуаций на объектах с массовым пребыванием людей, входящих в инфраструктуру Российской Федерации. Поэтому снижение риска пожаров до социально приемлемого уровня, включая сокращение числа погибших и получивших травмы в результате пожара людей, рассматривается как важнейший индикатор и показатель эффективности функционирования системы пожарной безопасности.
При этом пожары на объектах с массовым пребыванием людей, как правило, чреваты гибелью большого количества людей. Наглядное подтверждение тому трагедия, разыгравшаяся в развлекательном центре «Хромая лошадь» в 2009г., или пожар в ноябре 2003г. в Москве, когда произошел сильный пожар в здании общежития Российского университета дружбы народов, унесший десятки жизней.
В настоящее время Федеральным законом от 22.07.2008 №123-Ф3 "Технический регламент о требованиях пожарной безопасности" определены регламентирующие требования пожарной безопасности, предъявляемые к объектам защиты, в том числе и к объектам с массовым пребыванием людей, определены нормативные значения индивидуального пожарного риска.
Несмотря на то, что вопросам противопожарной защиты объектов с массовым пребыванием людей МЧС России уделяет особое внимание, но проблемы обеспечения пожарной безопасности в них решаются не достаточно оперативно. Проведенный анализ показывает, что многие объекты не дооборудованы необходимым количеством эвакуационных выходов, системами обнаружения и оповещения людей в случаях пожара, а расчеты, согласно методике МЧС РФ [7] показали, что на многих объектах значения индивидуального пожарного риска не соответствуют нормативным [100].
Число погибших при пожарах в зданиях с массовым пребыванием людей (общежития, школы, офисы, универмаги, гостиницы и т.п.) составляет около 2% от общего количества жертв огня, но, как правило, случаи гибели людей на этих объектах имеют большой общественный резонанс. Решение проблемы снижения риска гибели людей при пожарах в зданиях различного назначения зависит, главным образом, от обеспечения своевременной и надежной эвакуации до наступления критических значений опасных факторов пожара.
Зачастую в данных случаях могут придти на помощь дополнительные средства эвакуации и спасения людей при пожарах. Однако, в настоящее время отсутствуют научно-методические разработки, которые бы позволили регламентировать количественное и качественное оснащение объектов средствами спасения и эвакуации.
Диссертационная работа представляет собой комплекс теоретических и экспериментальных исследований, включая разработку подходов к использованию средств спасения и эвакуации с высоты на объектах с массовым пребыванием людей, направленных на снижение рисков возникновения угроз и минимизации потерь от пожаров в условиях дефицита времени и пространства для эвакуации людей. Решаемая при этом научная проблема относится к классу задач управления риском с учетом динамических ограничений на используемые ресурсы. Важность решения этой проблемы в аспекте повышения уровня пожарной безопасности подтверждается многочисленными публикациями и широким обсуждением путей ее решения для различных сценариев развития угроз и последствий воздействия опасных факторов пожара.
Конечным результатом диссертационной работы является разработка методического аппарата для определения вероятности эвакуации людей из зданий при использовании спасательных средств эвакуации в случае наступления пожара, а также выработки управленческих решений по оснащению объектов с массовым пребыванием людей современными средствами спасения и эвакуации с целью достижения на объектах требуемого уровня значения индивидуального пожарного риска.
В работе поставлены и решены следующие задачи:
1. Поставлена и формализована задача моделирования аварийной эвакуации людей с высоты в интересах управления индивидуальным пожарным риском на объектах с массовым пребыванием людей.
2. Разработан комплекс математических моделей процесса аварийной эвакуации людей с высоты при использовании спасательных средств.
3. Разработан метод оценивания эффективности применения спасательных средств эвакуации при пожаре.
4. Проведена проверка адекватности разработанных математических моделей на основе данных натурного эксперимента применения спасательных средств аварийной эвакуации на объектах с массовым пребыванием людей.
При этом следует понимать, что никакое, даже самое совершенное и широко рекламируемое снаряжение не обеспечит 100%-ную гарантию успешного самоспасения с высоты в случае потери самообладания и дополнительных форс-мажорных обстоятельств, произошедших в процессе спуска. В данном случае речь может и должна идти о минимизации риска и тяжести последствий для жизни людей.
Количество объектов в РФ, которые подлежат контролю Госпожнадзора, превышает 5 млн. Численность чиновников этого ведомства не превышает 250тыс. человек - это означает, что выявить все недостатки в области пожарной безопасности на всех объектах практически невозможно. Исходя из этого, одним из путей повышения пожарной безопасности является то, что собственники, администрация вводимого в строй здания общественного назначения при сдаче в эксплуатацию своими силами должны продемонстрировать Госпожнадзору в действии все то, что ими декларируется для возможности самоспасения находящихся в помещениях здания людей. Все сразу встает на свои места - придется вникать в особенности приобретаемого снаряжения, готовить персонал и т.д. Спасательные службы в данном случае должны будут, на период демонстрации, обеспечить страховочные функции и безопасность проведения мероприятий.
Основные направления дальнейшего использования полученных в диссертации результатов:
- предложения научно-обоснованных рекомендаций по внесению изменений в Приказ МЧС РФ №382 от 30.06.2009 «Об утверждении методики определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности» в части, касающейся определения расчетного времени эвакуации людей из помещений и зданий в условиях применения дополнительных средств спасения и эвакуации;
— при формировании формализованного замысла и решений собственников объектов с массовым пребыванием людей на внедрение и применение средств спасения и эвакуации при пожарах в интересах обеспечения требуемого уровня пожарного риска;
— для разработки руководящих документов и инструкций МЧС РФ при взаимодействии с собственниками объектов, в том числе при проверке поданных собственниками деклараций пожарной безопасности;
- для разработки автоматизированной информационно-управляющей системы по спасению и эвакуации людей на объектах с массовым пребыванием людей в случае наступления пожара.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Федеральный закон от 22.07.2008 №123-Ф3 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности».
2. Федеральный закон от 21.12.1994 №69-ФЗ «О пожарной безопасности».
3. Федеральный закон от 21.12.94 г. № 68-ФЗ "О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера".
4. Федеральный закон от 27.12.02 г. №184-ФЗ «О техническом регулировании».
5. Закон Санкт-Петербурга от 18.07.2005 №368-52 «О пожарной
безопасности в Санкт-Петербурге».
6. Указ Президента Российской Федерации от 09.11.01 г. № 1309 "О со-вершенствовании государственного управления в области пожарной безопасности".
7. Приказ МЧС России от 30.06.2009г. №382 «Об утверждении
методики определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности».
8. Приказ МЧС России от 10.07.2009г. №404 «Об утверждении
методики определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах».
9. Приказ МЧС России от 21.11.2008г. №714 «Об утверждении
порядка учета пожаров и их последствий».
10. Приказ МЧС РФ от 10 сентября 2002 г. № 428 "Об утверждении концепции развития единых дежурно-диспетчерских служб в субъектах Рос¬сийской Федерации".