Применение беспилотных летательных аппаратов при проведении спасательных работ в зданиях повышенной этажности в условиях пожара

Введение
Пожары – это одно из самых страшных бедствий человечества. Пожары бывают техногенными и
природными, в жилых зданиях и на производствах. Но спрогнозировать пожар практически
невозможно. В свете чего пожар, происходящий в сложных конструкциях, может привести к
катастрофическим последствиям, что не раз подтверждалось примерами из истории пожаров в
истории человечества.
Одной из таких сложных конструкций является многоэтажное здание, где наблюдается целая
группа факторов таких, как трудно прогнозируемость направления развития пожара,
невозможность определения горючести материалов при выявлении пожаров, невозможность
обеспечения эвакуационных мероприятий вы полном объеме. Таким образом, пожар в
многоэтажных зданиях является одной из самых серьезных угроз человечеству.
Глава 1. Проблема пожаров в зданиях повышенной этажности
1.1. Статистика пожаров в зданиях повышенной этажности
Проблема борьбы с пожарами стоит остро для всего мирового сообщества. Статистические
данные за 2016 год, предоставленные МЧС России и National Fire Protection Association (США)
(таблицы 1 и 2), говорят о больших материальных и человеческих потерях, вызванных пожарами.
С 1977 года количество пожаров и смертей вследствие их в США сократилось на 56% и 59%
соответственно по данным National Fire Protection Association (графики на рисунках 1.1, 1.2).
Несмотря на достигнутый прогресс в борьбе с пожарами, их количество остается существенным,
что вызывает необходимость совершенствования средств противопожарных безопасности.
Основными методами борьбы с пожарами в зданиях являются:
• Пассивные методы защиты. Устойчивые к воздействию огня конструктивные элементы
зданий, препятствующие распространению огня и дыма.
• Активные методы защиты. Средства автоматического и ручного детектирования признаков
возгорания и пожаротушения (пожарные сигнализации, спринклеры и др. системы
пожаротушения).
• Подготовка персонала и пользователей зданий к действиям в чрезвычайных ситуациях,
связанных с возникновением пожара. Обучение правилам использования пассивных и активных
методов защиты от пожаров, разработка плана эвакуации.
1.2. Последствия пожаров в зданиях повышенной этажности
Пожары представляют непосредственную опасность для человеческого организма. Кроме
прямого ущерба в результате действия дыма, огня и взрывов, люди страдают от косвенных
последствий пожара.
5
Так, при горении синтетических материалов, которые используют в интерьере жилища,
выделяются токсичные и канцерогенные вещества (оксиды углерода, азота, серы, диоксинов,
бензола, соединения тяжелых металлов и полиароматических углеводородов).
Особенно актуальна эта проблема в зонах компактного проживания людей в городах, так как в
локальном пространстве концентрация загрязнителей быстрее превышает норму.
Сжигание листьев и различного мусора в весенне-осенний период также вносит свой вклад в
отравление населения солями тяжелых металлов — цинком и кадмием, которые в повышенном
количестве накапливаются в городских условиях.
Пожары в жилых зданиях составляют 60–80 % всех видов пожаров, исключая лесные. Среди
пострадавших из-за отравления вредными веществами наблюдается рост респираторных,
желудочных, вирусных, онкологических, иммунодефицитных заболеваний.
К сожалению, в нашей стране такой статистики не существует, а имеющиеся сведения носят
локальный характер — например, отравление диоксинами после пожара в поселке Шелехов
Иркутской области.
Хронические последствия отравления могут быть вызваны постоянным контактом с вредными
веществами, которые способны аккумулироваться в организме человека. Такому воздействию
подвергаются пожарные, жильцы горевших зданий, посторонние люди, находящиеся в зоне
действия токсичных газов.
Обстановка на пожаре особенно влияет на здоровье пожарных, провоцируя возникновение
профессиональных заболеваний.
При регулярном вдыхании дыма возникают желудочно-кишечные заболевания, инфаркты,
болезни крови, различные аллергии, хронический бронхит, увеличивается риск онкологических
заболеваний, повышается утомляемость. Работа в условиях падения содержания кислорода в
воздухе до 16 % приводит к кислородному голоданию, изменяет функции тела и мозга.
События 11 сентября 2002 года в Нью-Йорке показали, что выполняя свой долг, погибло 300
пожарных, остальные подверглись воздействию токсичных веществ и ядовитой пыли. После
жалоб на кашель у многих выявили заболевания органов дыхания.
1.3. Оценка вероятности возникновения пожаров в зданиях повышенной этажности
В 1992 Фридман [3] провел обширное исследование, выявив 74 разных модели пожара. В 2003
году Оленик и Карпентер расширили этот список [4]. Также ими была предложена классификация,
которая будет использована и в данной статье.
Математические модели пожара уже многие годы применяются для выполнения
вышеперечисленных задач. Но явления, связанные с пожаром, такие как горение, турбулентные
потоки, излучение и поглощение энергии, непосредственная передача тепла и др., очень тяжело
поддаются точному математическому описанию. Основная проблема связана с недостатком
вычислительных ресурсов с одной стороны и высокой сложностью моделей с другой. Для
уменьшения вычислительной сложности применяются различные упрощения. Данные упрощения
позволяют эффективно использовать модели в реальных ситуациях, но в то же время ухудшают
6
точность и их диапазон применимости. С другой стороны возможности компьютеров постоянно
растут, что позволяет постепенно использовать более сложные и точные модели. Этим
обусловлена их эволюция и историческая классификация. Все модели можно разделить на общие
и частные. Общие модели пожара описывают пожар как цельное явление и состоят из множества
частных моделей, описывающих отдельные аспекты этого явления (горение, передача энергии,
перемешивание воздушных потоков, срабатывание датчиков и систем пожаротушения и др.).
Зонная модель используется для предсказания развития пожара в частично замкнутых
пространствах (в расчетах могут учитываться окна, дверные проходы, вентиляция), таких как одна
или несколько комнат. Данная модель первой получила широкое распространение, являясь
наименее сложной. В данной модели помещение делится на однородные зоны (области), и в
каждой из этих областей решаются уравнения, выражающие законы сохранения. Типичное
разбиение состоит из двух областей - верхней и нижней. В верхней зоне сосредоточены горячие
газы (продукты горения), а в нижней зоне находится холодный воздух, пока еще не вступивший в
реакцию. Пламя в данном случае переносит энтальпию из нижней зоны в верхнюю. Этот подход
имеет свои недостатки и достоинства. Так, предположение о разделении пространства на
указанные зоны справедливо лишь частично, т. к. постоянно происходит перемешивание
воздушных масс, а скорость перемешивания зависит от конкретных параметров помещения, таких
как форма (особенно потолка), особенностей вентиляции помещения и т. п. Но во многих случаях,
когда не требуется знать распределение параметров в пределах области, это предположение
позволяет предсказать развитие пожара с необходимой точностью. Эта модель также является
вычислительно не очень сложной, что расширяет область ее применения. К серьезным
недостаткам зонной модели следует отнести и то, что принятые упрощения препятствуют
дальнейшему качественному развитию этой модели.
1.4. Анализ руководящих документов по тушению пожаров в зданиях повышенной этажности
Анализ технических решений, базирующихся по вопросам внутреннего и наружного
пожаротушения на МГСН и ТСН, свидетельствует о полной зависимости обеспечения
пожаротушения от сил и средств подразделений пожарной охраны, находящихся вне высотного
здания. На взгляд автора, такая зависимость также является порочной, особенно потому что она
заложена в требования норм. Это говорит в определенной степени о перекладывании
ответственности за процесс пожаротушения на внешние силы, а следовательно, о снижении
бдительности собственных сил комплексной безопасности в плане недопущения развития пожара
до критических размеров.
Рассмотрим, например, типовой проект противопожарной защиты многофункционального
высотного здания.
Пунктом 12 раздела "Пожаротушение" предусмотрено обеспечить расчетный расход воды на
наружное пожаротушение в пределах 100 л/с при продолжительности тушения 3 ч.
Требованиями МГСН 4.04-94 "Многофункциональные здания и комплексы", МГСН 5.01-01
"Стоянки легковых автомобилей" и СНиП 2.04.01-85* "Внутренний водопровод и канализация
зданий" определено обеспечение суммарного расхода воды 14,4 л/с на спринклерную систему и
40 л/с (8 струй с расходом 5 л/с каждая) - на работу противопожарного водопада. Таким образом,
7
суммарный расход воды на внутреннее пожаротушение в общественно-офисной части составит
54,4 л/с.
Для внутреннего пожаротушения в помещениях автостоянки для спринклерной системы
предусмотрен расход 28,8 л/с, на внутренний противопожарный водопровод - 10 л/с) 2 струи по 5
л/с каждая). Кроме того, на автостоянке обеспечивается работа дренчерных водяных завес с
расходом не более 5 л/с. Таким образом, суммарный расход воды для тушения автостоянок равен
43,8 л/с.
Общий максимальный расход воды на внутреннее пожаротушение составит 54,4 + 43,8 = 98,2 л/с,
т.е. он примерно равен общему расходу воды на наружное пожаротушение.
Наружное пожаротушение должно обеспечиваться с нарастающим эффектом с помощью
пожарных автомобилей, прибывающих на место тушения и устанавливаемых на пожарные
гидранты, согласно проекту расположенные на расстоянии не более 150 м. Данные автомобили
способны подавать воду через сухотрубы здания на высоту не более 9-го этажа при работе
обычных насосов, что достаточно эффективно.
Применение пожарных струй снаружи здания для тушения огня внутри него выше 9-12-го этажей
автором не рассматривается в связи с ограниченной эффективностью такого тушения.
Анализ рассматриваемого технического решения показывает, что для наружного пожаротушения
потребуется подать не менее 1080 м3 воды (около 18 железнодорожных цистерн), для
внутреннего тушения общественно-офисной части - примерно 587,5 м3 (9-10 железнодорожных
цистерн), а с учетом тушения в помещениях автостоянки - дополнительно 587,5 м3 воды. Таким
образом, на наружное и внутреннее тушение в пределах нормативной продолжительности
пожаров (3 ч) потребуется около 2160 м3 воды или порядка 36 железнодорожных цистерн.
Тактика борьбы с огнем до настоящего времени строится на использовании значительного
объема воды, что, заложено в нормативную базу. Поэтому пожарные подразделения в полном
объеме используют свое право применять воду, невзирая на то, что специалистам известно: более
90% применяемой воды (для нашего случая это составит почти 2000 м3 или около 33
железнодорожных цистерн) не будут участвовать в тушении пожара и фактически будут
направлены на разрушение здания, поскольку последствия от излишне пролитой воды являются,
как правило, фатальными.
Фатальность использования воды заключается не столько в том, что водой уничтожаются
нижележащие этажи, имущество, оборудование, техника, приводится в негодное состояние
здание, особенно при тушении пожаров в зимнее время, сколько в том, что тех 10% воды,
которые фактически участвуют в тушении пожара, недостаточно для создания требуемой
интенсивности пожаротушения на этаже, охваченном огнем.
Например, если учесть, что для тушения огня в пожарном отсеке площадью около 12000 м3
предусмотрено обеспечить общий расход воды 54,4 л/с, что из расчета трехчасового тушения
пожара составит 587000 л, то удельный расход воды примерно будет равен 50 л/м2. В этом
случае, исходя из того же требования трехчасового тушения пожара, интенсивность подачи
огнетушащих средств составит всего 0,0045 л/(с*м2), что более чем в 100 раз ниже, чем требуется
для тушения твердых горючих материалов.
8
2.2 Разработка сценария применения беспилотных летательных аппаратов при проведении
спасательных работ в зданиях повышенной этажности в условиях пожара
С начала 2000-х годов постоянно ужесточаются требования к силам и средствам пожаротушения.
Согласно п. 48, 49 Правил, в самом критичном случае (при скорости ветра более 5 м/сек. или 4–5
классе пожарной опасности в лесах) подразделение организации обязано прибыть на пожар,
возникший в районе применения наземных сил и средств пожаротушения, не позднее, чем за 30
мин после обнаружения, или численность привлекаемых сил и средств должна быть увеличена не
менее чем в два раза [1].
На практике прибыть на пожар в указанный правилами срок – трудноосуществимая задача в силу
удаленности территорий, недостаточно развитой дорожной сети и т.д., а тем более заранее
правильно рассчитать требуемое количество сил и средств. Зачастую силы и средства прибывают
со значительным запаздыванием, обследование пожара начинается на месте, огонь набирает
силу и бороться с ним становится значительно сложнее. При этом согласно п. 33 Правил,
начальным действием по тушению пожара является его обследование [1].
2.3 Разработка тактики применения беспилотных летательных аппаратов при проведении
спасательных работ в зданиях повышенной этажности в условиях пожара
В целом полезная целевая нагрузка на БПЛА может быть различной: видеокамеры оптического и
инфракрасного диапазонов, фотоаппаратура, системы определения координат наземных
объектов, устройства ретрансляции сигналов радиосвязи, высокоскоростной передачи цифровых
данных, перенос грузов. Комплектация зависит от целей использования БПЛА и его
грузоподъемности. Перспективными направлениями использования БПЛА в обнаружении и
мониторинге лесных пожаров являются:
1. Использование БПЛА в качестве пожарно-наблюдательного пункта;
2. Информационная поддержка наземных сил и разведка пожаров;
3. Патрулирование;
4. Тушение пожара.
В настоящее время в области практически не осталось пожарнонаблюдательных вышек, а
существующие требуют ремонта и оснащения средствами видеонаблюдения. Стоимость
постройки вышек и их оснащения составляет до нескольких миллионов рублей. Вышки же
эффективны только при организации их сети. Это экономически не рентабельно, особенно для
районов с низкой горимостью, где, однако, в засушливые годы при наступлении соответствующих
погодных условий могут возникать сильные верховые пожары (например, в темнохвойных типах
леса). В качестве «летающей вышки» возможно использовать микро- и миниБПЛА ближнего
радиуса действия. Это необходимо, прежде всего, в районах с высокой пожарной опасностью
высотных зданий в условиях густой застройки.
В первую очередь для решения этих задач следует рассматривать мультикоптеры. При их
автоматическом удержании в заданном местоположении и высоте можно определять
координаты обнаруженной термоточки методом триангуляции. 25 Мультикоптеры также можно
использовать в качестве оперативного пожарного наблюдательного пункта наземными силами
9
при проведении патрулирования объекта пожара. С их помощью возможно получение
оперативной информационной поддержки работы наземных сил при тушении пожаров
(преимущественно в районах наземной охраны), наведение наземных команд на пожар малой
площади или сложный участок кромки пожара в условиях плотной застройки, проведение
мониторинга развития пожара при проведении мероприятий по его локализации.
2.4 Расчет времени применения беспилотных летательных аппаратов при проведении
спасательных работ в зданиях повышенной этажности в условиях пожара
Оптимизация времени полета БПЛА напрямую зависит от правильности построения маршрута.
Рекомендации по построению маршрута полета:
в качестве поворотных точек рекомендуется применять характерные ориентиры, хорошо
опознаваемые в полете;
первая поворотная точка маршрута (исходный пункт маршрута (ИПМ) устанавливается
рядом с точкой старта;
глубина рабочей зоны должна быть в пределах устойчивого приема видеосигнала и
телеметрической информации с борта БПЛА.
Линия пути, по возможности, не должна проходить возле линий электропередач (ЛЭП) большой
мощности и других объектов с большим уровнем электромагнитных излучений
(радиолокационные станции, приемо-передающие антенны и пр.).
Расчетное время продолжительности полета не должно превышать 2/3 максимальной
продолжительности, заявленной изготовителем. На выполнение взлета-посадки необходимо
предусмотреть не менее 10 минут летного времени.
2.5. Экономический расчет эффективности применения беспилотных летательных аппаратов при
проведении спасательных работ в зданиях повышенной этажности в условиях пожара
Проведем более детализированный расчет. Перечень оборудования, необходимого для
обеспечения надежности печей, и его стоимость представлены в таблице 4. Необходимо
отметить, что оценка эффективности идет за счет снижения ущерба.
В стоимость материалов и оборудования включены расходы на доставку.
В расчет капитальных вложений входят также затраты на монтаж установки, которые
составляют 20 % от стоимости оборудования.
Расчет годовых текущих затрат на содержание азотной установки:
Годовые текущие (эксплуатационные) затраты включают в себя[16]:
- стоимость обслуживания;
10
- заработную плату рабочих, обслуживающих систему;
- отчисления на социальные нужды;
- амортизацию;
- затраты на ремонт и техническое обслуживание.
Заключение
В ходе выполнения работы был решен ряд задач:
рассмотрена статистику пожаров;
охарактеризованы последствия пожаров в многоэтажных зданиях;
рассмотрены подходы к оценке вероятности возникновения пожаров в многоэтажных
зданиях;
проведен анализ руководящих документов по тушению пожаров;
проведена разработка сценария привлечения БПЛА для тушения пожаров;
проведена разработка тактики привлечения БПЛА для тушения пожаров;
проведен расчет времени действия БПЛА;
осуществлен экономический расчет привлечения БПЛА для тушения пожаров.