Пустовіт

1. МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ і НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ПУСТОВІТ Михайло Олександрович
УДК 004.9
Апаратно-програмне забезпечення моделювання та візуалізації
процесу гасіння пожеж в приміщеннях
05.13.05–Комп’ютерні системи та компоненти
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

2. Черкаси - 2016

3. 1
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Черкаському інституті пожежної безпеки імені Героїв Чорнобиля
Національного університету цивільного захисту України
Науковий керівник доктор технічних наук, професор
Рудницький Володимир Миколайович,
Черкаський державний технологічний університет,
завідувач кафедри інформаційної безпеки
та комп'ютерної інженерії
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Мусієнко Максим Павлович,
Чорноморський державний університет
імені Петра Могили
декан факультету комп’ютерних наук;
доктор технічних наук, професор
Кулик Анатолій Ярославович,
Вінницький національний медичний університет
імені М.І. Пирогова,
завідувач кафедри біологічної фізики, інформатики
та медичної апаратури.
Захист відбудеться 16 червня 2016 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої
вченої ради К 73.052.04 Черкаського державного технологічного університету за
адресою: 18000, м. Черкаси, бул. Шевченка, 460.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Черкаського державного
технологічного університету за адресою: 18000, м. Черкаси, бул. Шевченка, 460.
Автореферат розісланий 14 травня 2016 року
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Є. В. Ланських

4. 1
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Вдосконалення підготовки особового складу оперативно-
рятувальної служби цивільного захисту неможливе без впровадження в процес
професійної підготовки комп'ютеризованих систем і тренажерів.
Застосування таких систем дозволяє відобразити усю сукупність певних
процесів і явищ в усій їх складності і взаємозв'язках, значно знизити витрати на
натурне моделювання, скоротити терміни і підвищити рівень підготовки фахівців до
ухвалення ефективних рішень в області пожежної безпеки. Необхідність їх
впровадження в процес професійної підготовки фахівців оперативно-рятувальної
служби цивільного захисту неодноразово показано в роботах Брушлинського М.М.,
Денисова А.М., Кафідова В. В., Коломійця Ю.І., Місюкевича М.С., Семикова В. Л.,
Соболєва М.М. і інших.
Проте розробка подібних систем неможлива без адекватних математичних
моделей процесів поширення та припинення горіння. Існує декілька класів
математичних моделей, що описують зміну в часі й поширення небезпечних факторів
пожежі. Кожен із цих класів містить десятки або сотні моделей, що володіють тими
чи іншими (концептуальними або чисельними) перевагами й недоліками.
Питанню створення моделей гасіння пожеж також не приділялось достатньої
уваги. Інформація, що наводиться в науковій літературі, стосується в переважній
більшості різного роду гідравлічних розрахунків засобів подачі води до місця пожежі.
Досить широко висвітлено питання моделювання гасіння пожеж за допомогою
спринклерних та дренчерних автоматичних установок пожежогасіння. Проте, різні
фізичні властивості струменів в ручних засобах подачі води та спринклерах не
дозволяють застосувати існуючі моделі гасіння пожеж.
Візуалізація результатів роботи математичних моделей, як правило відбувалась
за допомогою сторонніх програмних продуктів за модельованими показниками.
Тобто безпосередньо в самій моделі засобів для візуалізації результатів практично не
зустрічалось.
Таким чином, об'єднати моделі розвитку та гасіння пожежі можливо лище тоді,
коли вони будуть побудовані за єдиним принципом. Це дозволить розв’язати важливу
науково-технічну задачу зі створення комп’ютеризованого тренажеру підготовки
пожежного, який буде працювати в режимі реального часу на основі адекватних
математичних моделей, та забезпечувати візуалізацію результатів моделювання, тому
тема дисертаційного дослідження є актуальною.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Дисертаційна робота виконана відповідно до Постанови Президії НАНУ від
20.12.13 №179 «Основні наукові напрями та найважливіші проблеми
фундаментальних досліджень у галузі природничих, технічних і гуманітарних наук
Національної академії наук України на 2014–2018 рр. », а саме пп.1.2.1.1. «Розробка
математичних методів та систем моделювання об’єктів та процесів», п. 1.2.4.5.
«Розробка алгоритмів і програмно-апаратних засобів для систем комп’ютерного
аналізу» та п. 1.2.9.2. «Розробка побудови інтелектуальних відеоприладів і систем
реального часу»; а також до “Концепції наукового забезпечення діяльності МНС
України” (Наказ МНС України від 02.08.2012 № 1081, науково-дослідної роботи
№0113U004025 за темою «Методи і засоби моделювання гасіння пожеж для
комп’ютеризованих тренажерних комплексів»

5. 2
Метою дослідження є розробка апаратно-програмних засобів
комп’ютеризованого тренажера для моделювання та візуалізації процесу припинення
неконтрольованого горіння в приміщеннях при часових обмеженнях, для практичної
підготовки фахівців у галузі пожежної безпеки.
Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно вирішити такі наукові
задачі:
1. Провести аналіз існуючих засобів і визначити перспективний напрямок
досліджень.
2. Розробити моделі розвитку пожежі в приміщеннях для забезпечення
візуалізації результатів при часових обмеженнях.
3. Розробити модель гасіння пожежі на основі клітинних автоматів з урахуванням
параметрів засобів гасіння пожежі.
4. Розробити комплексну модель розвитку та гасіння пожежі в приміщенні на
основі клітинних автоматів з урахуванням можливостей штатного пожежно-
технічного обладнання підрозділів служби цивільного захисту.
5. Розробити апаратно-програмні засоби комп’ютеризованого тренажера
підготовки пожежного на основі комплексної моделі розвитку та гасіння
пожежі в приміщенні з використанням спеціалізованих засобів формування
команд та сигналів від штатного пожежно-технічного обладнання та оцінити їх
ефективність.
Об'єктом дослідження є процеси обробки та візуалізації інформації по
розвитку та припиненню неконтрольованого горіння.
Предмет дослідження ‒ апаратно-програмні засоби та моделі розрахунку та
візуалізації параметрів пожеж в приміщеннях при часових обмеженнях.
Методи досліджень. При вирішенні поставлених завдань застовувались: для
побудови алгоритмів та математичних моделей розвитку та гасіння пожежі − теорія
ймовірностей, математичної статистики, алгоритмів, математичного та
комп’ютерного моделювання; для аналізу введеного планування будівлі,
автоматичної побудови системи балансових рівнянь − теорія ймовірностей,
математичного та комп’ютерного моделювання; теорії алгоритмів, об’єктно-
орієнтованого програмування, моделювання, прикладних цифрових автоматів − для
розробки програмно-апаратного забезпечення комп’ютеризованого тренажеру
підготовки пожежного.
Наукова новизна отриманих результатів.
У рамках виконаних досліджень отримані такі наукові результати:
1. Вперше розроблено комплексну модель пожежі в приміщенні на основі
інтегральної моделі розвитку пожежі та клітинних автоматів, шляхом побудови
множин правил переходу та коригування пожежного навантаження, що дало
можливість поєднати процеси розвитку та гасіння пожежі з урахуванням
штатного пожежно-технічного обладнання підрозділів служби цивільного
захисту та забезпечило можливість розробки апаратно-програмних засобів
комп’ютеризованого тренажеру підготовки пожежного.
2. Вперше розроблено тривимірну модель розвитку пожеж в приміщеннях на
основі вдосконалених клітинних автоматів шляхом уточнення просторової
структури пожежного навантаження та побудови множин правил переходу, що
забезпечило підвищення точності моделювання та візуалізації параметрів
пожеж відносно двовимірної моделі.

6. 3
3. Вперше розроблено модель гасіння пожеж на основі клітинних автоматів
шляхом зміни пожежного навантаження з урахуванням штатного пожежно-
технічного обладнання підрозділів служби цивільного захисту, що забезпечило
можливість візуалізації наслідків використання засобів гасіння пожежі.
4. Отримали подальший розвиток методи синтезу апаратно-програмних засобів
комп’ютеризованого тренажеру на основі використання розробленої моделей
шляхом управління зміни пожежного навантаження, що забезпечило
візуалізацію процесів розвитку та припинення горіння з використання
штатного пожежно-технічного обладнання оперативних підрозділів служби
цивільного захисту в режимі реального часу.
Практичне значення отриманих результатів.
1. Розроблені та вдосконалені в роботі моделі та методи доведені автором до
алгоритмів, інженерних методик, функціональних схем та фрагментів програмного
забезпечення придатних в інженерній практиці при розробці комп’ютеризованого
тренажеру підготовки пожежного.
2. Практична цінність роботи підтверджена актами впровадження в практичних
підрозділах Державної служби України з надзвичайних ситуацій і в навчальних
закладах, зокрема:
- в підрозділах Державної служби України з надзвичайних ситуацій навчально-‒
методичному центрі цивільного захисту та безпеки життєдіяльності Черкаської
області акт від 9 вересня 2013 року;
- в навчальних закладах: Академії пожежної безпеки імені Героїв Чорнобиля від
5 листопада 2013 року; Черкаському державному технологічному університеті
від 4 листопада 2013 року; Кіровоградському національному технічному
університеті від 8 листопада 2013 року.
Особистий внесок здобувача. Уci наукові положення, практичні результати,
висновки та рекомендації дисертаційної роботи отримані автором самостійно. У
наукових працях, опублікованих у співавторстві, з питань, що стосуються цього
дослідження, авторові належать: загальна структура та правила переходів для
клітинних автоматів при поширенні диму всередині будівель [6]; структура та
загальний принцип роботи комп’ютеризованого симулятору з гасіння пожеж в
житлових будівлях [7]; сфера застосування удосконалених псевдовипадкових
послідовностей[8]; розпаралелювання і оптимізація алгоритмів моделей поширення
вогню і диму в тривимірному просторі на основі методу клітинних автоматів [9];
розроблено 2, 3 розділи, частково 1 та 4 розділи [10]; визначення сфери використання
технології «віртуальної реальності» для цілей тренування по гасінню пожеж [11];
напрямки покращення тренування пожежних з використанням технологій «віртуальної
реальності» [12]; алгоритм моделювання пожежі за допомогою методу клітинних
автоматів у тривимірному просторі [16]; структура комп’ютеризованого симулятору з
гасіння пожеж в житлових будівлях[17]; підходи та принципи програмної реалізації
комп’ютеризованого тренажеру [18]; модель поширення розпиленого водяного
струменя за допомогою методу клітинних автоматів [19].
Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційного дослідження
доповідалися й обговорювалися на: міжнародній науково-практичній конференції
«Теорія та практика ліквідації надзвичайних ситуацій» (Черкаси, 2010); 7-ій
міжнародній науково-практичній конференції «Обеспечение безопасности в
чрезвычайных ситуациях» (Воронеж, 2011); міжнародній науково-практичній
конференції «Теорія та практика ліквідації надзвичайних ситуацій» (Черкаси, 2011);

7. 4
міжнародній конференції «Наука в информационном обществе» (Донецьк, 2013),
міжнародній конференції «Фрагментація наукових досліджень» (Київ, 2013), ІІІ
міжнародній науково-практичній конференції «Надзвичайні ситуації: безпека та
захист» (Черкаси, 2013), VІ міжнародній науково-практичній конференції «Теорія і
практика гасіння пожеж та ліквідації надзвичайних ситуацій» (Черкаси, 2014),
16 Всеукраїнській науково-практичній конференції рятувальників (Київ, 2014),
Міжнародній науково-практичній конференції «Техніка і технології. Актуальні наукові
проблеми. Розгляд, вирішення, практика» (Гданськ, 2015).
Публікації. Основні результати дисертації були опубліковані в 19 наукових
працях, з яких 8 статей у фахових виданнях України, 1 стаття у зарубіжному виданні, 1
монографія, 9 тез доповідей на конференціях.
Структура роботи. Дисертація складається із вступу, 4 розділів, висновків,
додатків, викладена на 152 сторінках, містить 60 рисунків, 66 формул, 2 таблиці,
список використаних літературних джерел із 126 найменувань на 14 окремих
сторінках, 4 додатки на 43 окремих сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі викладено актуальність обраної теми дослідження, сформульовано
мету і завдання дослідження, визначено об’єкт, предмет і методи дослідження,
описано наукову новизну і практичне значення отриманих результатів.
У першому розділі проведено аналіз існуючих проблем побудови
комп’ютеризованих тренажерів підготовки пожежних, математичних моделей
розвитку пожеж, пов’язаних з ними проблем моделювання при часових обмеженнях,
визначено можливі сфери застосування тренажерних систем.
Встановлено, що розроблені до теперішнього часу тренажерні системи гасіння
пожеж у більшості випадків не містять у своїй основі адекватних моделей пожеж.
Досить часто в них відсутні будь-які логіко-математичні процесори; робота системи
при часових обмеженнях неможлива; зміна оперативної обстановки відбувається
лише за заздалегідь прописаним сценарієм, тощо.
Також, недостатньо вивченими є питання моделювання пожеж в приміщеннях
при часових обмеженнях. Встановлено, що забезпечення роботи диференціальної
моделі поширення пожежі при часових обмеженнях можливе лише при використанні
потужного апаратного забезпечення, на відміну від інтегральної моделі пожежі.
Похибка в точності обрахунку інтегральної моделі більша на 10% від
диференціальної, що є допустимим значенням при проектуванні систем з обмеженим
часом.
Завдяки гнучкості та широким можливостям методу клітинних автоматів при
моделюванні лісових пожеж було вирішено застосувати його в якості основного для
побудови комплексної моделі розвитку та гасіння пожежі в приміщенні та візуалізації
її параметрів. Виявлено предметну область покращення характеристик моделей,
побудованих за методом клітинних автоматів – збільшення точності моделювання,
обрахунок важливих параметрів пожежі (поширення диму, руйнування конструкцій і
т.п.)
Розглянуто застосування моделей пожеж. Найперспективнішим є використання
моделей для створення комп’ютеризованих тренажерів. Визначено їх призначення,
вимоги до архітектури. Виділені структурно-функціональні характеристики
дозволили сформувати обмежену класифікацію тренажерів.
Сформульовано наукові задачі роботи, розв’язання яких дозволить розробити

8. 5
апаратно-програмних засобів моделювання та візуалізації процесу припинення
неконтрольованого горіння в приміщеннях при часових обмеженнях.
У другому розділі наведено моделі та методи поширення пожеж та візуалізація
розвитку пожеж в будівлях у дво- та тривимірному просторі для комп’ютеризованих
тренажерних комплексів .
В якості основи для створення моделі розвитку пожежі було обрано метод
клітинних автоматів. Принцип створення моделей розвитку та гасіння пожеж на
основі методу клітинних автоматів базується на вказанні наступних його складових
частин – просторової та прилеглої структури, перемінних стану та часу та правил
переходу. Перші 4 частини загальновідомі, розробка ж правил переходу дала змогу
розширити можливості клітинних автоматів для моделювання розвитку пожежі
всередині приміщень.
Окрім того, на кожному часовому кроці комірки клітинного автомату з
однаковими станами заносяться до створених масивів, що дозволяє проводити
необхідні операції не з усіма елементами усієї площі будівлі, а лише з тими, які
безпосередньо залучені в модель і є перехідною частиною вогню або задимлення. Це
дозволило зменшити навантаження на апаратну частину та збільшити швидкість
розрахунків.
Розроблено модель визначення поширення пожежі у двовимірному просторі.
Вона ґрунтується на взаємозв’язках комірок клітинного автомату між собою, і
внаслідок застосування розроблених правил переходу дозволяє визначити площу
пожежі. Визначено стани комірок клітинного автомату, зокрема:
0 = EMPTY (описує осередок, який застрахований від пожежі (або вже
спалений, або неможливо спалити - наприклад, бетонна стіна);
1 = UNBURNED (описує осередок з наявністю матеріалів, які можуть горіти,
але ще не зайнялись);
2 = BURNING (описує осередок, який горить).
У випадку КА поширення диму значення комірок може бути
0 = BLANK (описує осередок, який не може містити диму - наприклад, бетонна
стіна);
1 = WITHOUT_SMOKE (описує незадимлений осередок);
2 = WITH_SMOKE (описує осередок, що задимлений).
Для забезпечення практичної реалізації моделі поширення пожежі при часових
обмеженнях враховано складність обчислень моделі та запропоновано використання
масивів – списків покажчиків на комірки КА, що мають різний стан. Використовуючи
теорію алгоритмів створено алгоритм реалізації ймовірнісної моделі поширення
пожежі (рис. 1).
З метою розрахунку зміни середньооб’ємних параметрів стану газового
середовища в приміщенні в процесі розвитку пожежі було використано інтегральну
модель пожежі за Ю.А. Кошмаровим. Поєднання ймовірнісної моделі поширення
пожежі та інтегральної моделі дозволило обраховувати вищенаведені параметри та
візуалізувати їх.
Математичне моделювання динаміки небезпечних факторів пожежі в
приміщеннях будівлі здійснюється шляхом рішення системи рівнянь газообміну і
системи балансових рівнянь інтегральної моделі пожежі. Таким чином, при зміні
стану клітинного автомату з «негорючого» (стану 1) до «горючого» (стану 2)
відбувається обрахунок системи рівнянь газообміну і системи балансових рівнянь для
конкретної комірки клітинного автомату.

9. 6
Підхід до створення моделі ґрунтується на використанні двох взаємопов'язаних
клітинних автоматів: один для моделювання поширення вогню і один для
моделювання розповсюдження диму. Два клітинних автомати змінюють свої стани з
різними темпами, тому що швидкість поширення вогню і диму є різною. Крім того,
перехідні правила КА, що описують поширення диму пов'язані з часом роботи КА
поширення вогню.
У розробленій моделі на основі тривимірних клітинних автоматів об’єм
поверху будівлі представляється у вигляді певної кількості елементів - розрахункових
одиниць об’єму (що відповідають кубічному метру, сантиметру і тому подібне,
залежно від дискретизації клітинного автомату), кожен з яких має свої
характеристики горючого навантаження, у тому числі, лінійну швидкість поширення
полум'я. Поширення пожежі в тому або іншому напрямі від джерела займання
визначається ймовірністю загоряння кожного такого елементу.
A(x,y)t-1=0 or
A(x,y)t-1=2 and
tF(x,y)=0
Так Ні
A(x,y)t=0
A(x,y)t-1=1
Так Ні
A(x,y)=1
A(x,y)t-1=1 and
random<PF or
A(x,y)t-1=2 and
tF(x,y)=0
Так Ні
Початок
Fire_appearance
(x0; y0)
(x0; y0)
A(x,y)t-1
for t = 0..tF
PF (x, y)
for x = 0..xmax
for y = 0..ymax
Fire_appearance
(x, y)
t > tF
y > ymax
x > xmax
Візуалізація
клітинного
автомату
Кінець
A(x,y)=2
Рисунок 1 - Алгоритм реалізації ймовірнісної моделі поширення пожежі
Кожен компонент тривимірного масиву являє собою комірку клітинного
автомату моделі поширення пожежі. Для адекватної роботи моделі було вказано на
конфігурацію сусідства комірки клітинного автомата. Існує обмежена кількість

10. 7
конфігурацій K = {k1, k2, ... , k26} для тривимірного простору.
Координати комірок клітинного автомату, що розташовані ортогонально по
відношенню до вихідної наведено у виразі та на рис. 2 (а)
а) б) в)
Рисунок 2 - Узагальнена конфігурація сусідства комірок клітинного автомата з
координатами, визначеними в (1-3)
а) розташованими ортогонально до вихідної;
б) розташованими у кутах вихідної;
в) розташованими на ребрах вихідної.
Координати комірок клітинного автомату, що розташовані у кутах вихідної
комірки визначаються як:
Координати комірок клітинного автомату, що розташовані на ребрах вихідної
комірки визначаються як:

11. 8
Візуалізація розробленої моделі КА проводиться за допомогою тривимірного
воксельного КА. Модель візуалізації кольорозалежна, при чому кольори вибираються
за RGB-схемою, значення якої позначаються для зручності цілими числами від 0 до
255 включно, де 0 - мінімальна, а 255 - максимальна інтенсивність. За прозорість
комірки клітинного автомату відповідає альфа-канал a = {0…1}.
Присвоєння комірці кольору задається виразом
C(x, y, z)t
Множині значень температури комірки КА та середньооб’ємної оптичної
концентрації диму в комірці КА відповідає множина значень кольорів RGBА схеми
Таким чином для реалізації в комп’ютеризованому тренажері підготовки
пожежного найбільш доцільно використати модель поширення пожежі всередині
будівель в тривимірному просторі на основі методу клітинних автоматів та
візуалізувати результати за допомогою тривимірного кольорозалежного воксельного
КА.
У третьому розділі наведені результати моделювання процесів припинення
горіння у будівлях.
Загасання полум'я в розробленій моделі пожежі відбувається по одній з
наступних причин.
1. Внаслідок повного вигорання горючого навантаження на деякій
розрахунковій одиниці площі. Вираз обрахунку зміни маси горючого навантаження
на будь-якому часовому кроці наведено в інтегральній моделі пожежі за
Ю.А. Кошмаровим.
2. При зниженні концентрації кисню в приміщенні в результаті вільного
горіння або в результаті подачі азоту або вуглекислого газу.
При розрахунку ймовірності РС, загасання необхідно враховувати зниження
концентрації кисню в приміщенні та фактичної інтенсивності подачі води чи інших
вогнегасних речовин

12. 9
3. Загасання полум'я імітується також при подачі на цю площу горіння певної
витрати води. При чому час загасання залежить від відношення фактичної
інтенсивності подачі води ІФ до необхідної ІН
де τ – час, хв;
k = ІФ/ІН – коефіцієнт інтенсивності подачі води,
10 –нормативний час гасіння пожежі ручним стволом, хв.
Виходячи з кількості елементів в одному кубічному метрі а, і кількості кадрів
обрахунку в хвилину C = 300 хв-1
отримана формула, що описує коефіцієнт
ймовірності загасання kw кожного елементу на поточному кроці рахунку від кратності
k:
де а - кількість елементів в кубічному метрі;
xmax, ymax, zmax – число дискретів по осям x, y та z відповідно.
С - кількість кадрів обрахунку в хвилину.
Модель, що враховує прогорання стін при поширенні пожежі, чисельно
обробляється за допомогою клітинних автоматів (див. рис. 3). У пропонованій моделі
стіни є багатошаровими об'єктами в горизонтальному плані, що прогоряють від дії
фронту пожежі. Передбачається, що фронт пожежі поширюється крізь товщу стіни із
швидкістю меншою, ніж в приміщенні. При цьому, за швидкість прогорання
приймається деяка середню швидкість, нехтуючи можливим нерівномірним
прогоранням матеріалу в умовах реальної пожежі. Тобто складна багатошарова
структура будівельної конструкції замінюється стінкою деякої товщини з
однорідного матеріалу, час прогорання якої дорівнює часу досягнення будівельною
конструкцією одного з граничних станів (втрати несучої здатності, втрати цілісності
або втрати теплоізолюючої здатності цієї будівельної конструкції).
Таким чином, у випадку не несучої стіни будівлі кожна комірка КА повинна
згорати за час:
де τпрог – межа вогнестійкості будівельної конструкції, хв;
hКА – розмір комірки клітинного автомату, см;
hст – товщина стіни, см.
Вираз по визначенню швидкості вигорання, таким чином, буде мати вигляд
(11).

13. 10
Рисунок 3 - Прогорання стінки на регулярній сітці КА
В якості вихідних даних для моделі припинення горіння було вирішено
опиратись на тактико-технічні характеристики приладів подачі води та піни середньої
кратності до вогнища пожежі. В результаті аналізу статистичних даних щодо
застосування приладів їх подачі при гасінні пожеж всередині приміщень було
встановлено, що найбільш ефективно для даної задачі використовуються розпилені
водяні струмені та піна середньої кратності. Математичне моделювання розпилених
водяних струменів для гасіння пожеж відбувається наступним чином.
Модель гасіння пожежі має вигляд функції, що залежить від ряду параметрів,
зокрема:
- фактичної інтенсивності подачі води Iф;
- площі розпиленої фазі струменя Sгас;
- кута розпилювання θ;
- довжини струменя R;
- кількості елементів клітинного автомату, що беруть участь в гасінні Nг;
- витрати води зі ствола qcтв;
- часу t.
f(x) = (Iф, Sгас, θ, R, Nг, qcтв, t)
Основним параметром, що використовується при обрахунку коефіцієнту
ймовірності загасання kw є інтенсивність подачі води до вогнища пожежі Iф. В
результаті математичних перетворень вираз для обрахунку Iф має вигляд
де – найкоротша відстань від КА до середини струменя, м
Sпож – плоша пожежі, м2
;

14. 11
Rстр – радіус струменя;
Ін – необхідна інтенсивність подачі води (довідкова величина);
qст – продуктивність пожежного ствола, л/с;
- кут розпилювання струменя.ϴ
Модель гасіння пожежі піною має вигляд функції, що залежить від ряду
параметрів, зокрема:
- фактичної інтенсивності подачі розчину піноутворювача Iф;
- площі приміщення S0;
- висоти приміщення H;
- довжини струменя R;
- кількості елементів клітинного автомату, що беруть участь в гасінні Nг;
- витрати води зі ствола qcтв;
- швидкості руйнування піни U;
- часу t
f(x) = (Iф, S0,H, R, Nг, qcтв, U, t)
Залежно від дискретизації, в одній комірці КА може міститись різна кількість
бульбашок, тому необхідно ввести коефіцієнт, що буде враховувати даний параметр.
де hКА – розмір комірки КА.
Також, важливий параметр Sf, приведений до потреб моделі на основі КА буде
мати вигляд
де S0 – площа приміщення, м2
;
r – середній радіус пінних бульбашок.
Виходячи з отриманих результатів дослідження було розроблено узагальнену
модель розвитку та гасіння пожежі. Модель математично описує фізичні процеси
природнього розвитку та загасання пожежі, а також поєднує процеси гасіння пожежі
за допомогою штатного обладнання підрозділів оперативно-рятувальної служби.
Тому модель розвитку та гасіння пожежі було названо комплексною. Основною
метою моделі є найбільш адекватний облік можливості боротьби з пожежею за
допомогою наявних сил і засобів (див. рис. 4).

15. 12
Модель поширення
вогню в тривимірному
просторі
Модель припинення
горіння за допомогою
водяних струменів
Модель поширення
диму в тривимірному
просторі
Вхідні дані
Розрахункові величини
Інші моделі явищ
Модель поширення пожежі
Модель припинення
горіння за допомогою
флегматизації
середовища
Модель припинення горіння
Комплексна
математична
модель
Рисунок 4 - Загальна структура комплексної моделі
До складу комплексної моделі входять модель розвитку пожежі, що включає
поєднання інтегрального підходу з тривимірними клітинними автоматами; модель
гасіння пожежі, моделі явищ (в даному випадку модель руйнування будівельних
конструкцій); вхідні дані та розрахункові величини.
Отримана модель пожежі містить алгоритми, що використовують генератор
випадкових чисел. Тому було проаналізовано результати моделювання при постійних
початкових даних і різних початкових значеннях генераторів випадкових чисел на
стійкість результатів моделювання процесів розвитку пожежі та припинення горіння.
За результатами випробувань модельовані параметри в різні контрольні моменти часу
моделювання не відрізнялася більш ніж на 3%.
У четвертому розділі створено програмно-апаратні засоби комп’ютеризо-
ваного тренажеру підготовки пожежного.
Створена програмна реалізація комплексної моделі розвитку та гасіння пожежі,
для чого було розроблено алгоритми та написано програмний код у середовищі Visual
С++.
Розроблено структуру комп’ютеризованого тренажеру. До основних складових
частин комп’ютеризованого тренажеру входять:
- база даних;
- модуль редагування;
- пристрої вводу інформації;
- модуль аналізу вхідної інформації;
- модуль обрахунку моделі поширення пожежі;
- модуль обрахунку моделі припинення горіння;
- пристрої виведення даних.
Розроблено програмне забезпечення КТПП (комп’ютеризований тренажер
підготовки пожежного-рятувальника). Виокремлено 4 режими роботи для різних
категорій операторів, зокрема режим тренування пожежника-рятувальника; режим
контролю та оцінки дій пожежника-рятувальника щодо гасіння умовної пожежі;
режим редагування; режим повного доступу.
Для забезпечення більш ефективного навчання оператора діям щодо гасіння
пожежі розроблено програмно-апаратне забезпечення спеціалізованих засобів
керування комп’ютеризованого тренажеру. Завдяки комбінації акселерометра та

16. 13
гіроскопа з'явилась можливість відстежити і зафіксувати переміщення ствола у
тривимірному просторі. Це дозволило створити більш досконалі інтерфейси
користувача, високоточну систему позиціонування пожежного ствола. Для коректної
роботи моделі гасіння пожежі водою, встановлення місця розташування та відстані до
користувача (пожежного-рятувальника) від площини мультимедійного екрану, де в
режимі реального часу відображаються результати моделювання процесів розвитку та
припинення горіння використано контролер відстані.
Проведено порівняльний аналіз результатів досліджень. Встановлено
залежність часу розрахунку температури пожежі в приміщенні від дискретизації КА,
зокрема для пришвидшення отримання результатів обрахунку за різних міркувань
можливо збільшити розмір комірки клітинного автомату (зменшити дискретизацію).
Графік залежності часу обрахунку температури пожежі в приміщенні від
дискретизації КА показано на рис.5.
Виведено значення похибки при розрахунку температури в часі для різних
значень дискретизації клітинного автомату.
Рисунок 5 - Залежність дискретизації КА від часу обрахунку температури пожежі в
приміщенні
Як видно з графіка (рис. 6) найбільш точною є крива, де розмір комірки
клітинного автомата є найменшим, тобто при дискретизації 250. Похибка в даному
випадку не перевищує 10%. А при дискретизації 50 відбувається відхилення від
результатів в межах 20-25% що не є допустимим значенням.

17. 14
Рисунок 6 - Похибка обрахунку середньооб’ємної температури в часі залежно від
дискретизації
Таким чином, використання в тренажері клітинних автоматів з дискретизацію
менше 150 можливе, але з певним допуском по точності, і лише в цілях поточного
відпрацювання дій пожежних при роботі зі стволом. На основі проведених
досліджень для використання в комп’ютеризованому тренажері найбільш доцільно
обирати клітинні автомати з дискретизацією від 250 до 150.
Доведено, що ефективність обрахунку середньооб’ємної температури в
типовому приміщенні в порівнянні з інтегральним підходом лежить в межах від 4 до
70 разів у зв’язку із обрахунком крайніх перехідних комірок клітинного автомату, а
не по всьому об’єму в цілому.
Встановлено, що при використанні тривимірних клітинних автоматів в
порівнянні з двовимірними існує можливість розрахунку параметрів моделі в будь-
якій комірці КА по всьому об’єму приміщення. Зокрема, на рис. 7 наведено розподіл
температур пожежі по висоті приміщення. Як видно з графіку, при двовимірному
методі площина вимірювання лежить посередині приміщення, а при тривимірному є
можливість врахувати розподіл всіх значень, що значно збільшить точність обрахунку
в заданій точці.
Рисунок 7 - Обрахунок температур по висоті факелу полум’я

18. 15
Для порівняння роботи та основних характеристик розробленого тренажеру
було проведено аналіз існуючих програмних продуктів. Лідером в переважній
більшості категорій є комп’ютерна програма Thunderhead Engineering Pyrosim 2012,
що працює на основі диференціальної моделі розвитку пожежі FDS (Fire Dynamic
Simulator).
Таблиця 1 Аналіз роботи та основних характеристик комп’ютерних програм‒
Параметр «Intmodel» КІС КГП Pyrosim 2012 КТПП
1 2 3 4 5
Кількість приміщень 1
Обмежено тільки
потужністю комп'ютера і
відповідним часом
обчислень (приміщення
можуть відділятися один
від одного горючими і
негорючими стінами з
різними межами
вогнестійкості)
Обмежено тільки
потужністю комп'ютера і
відповідним часом
обчислень (приміщення
можуть відділятися один
від одного горючими і
негорючими стінами з
різними межами
вогнестійкості)
Обмежено тільки
потужністю комп'ютера і
відповідним часом
обчислень (приміщення
можуть відділятися один
від одного горючими і
негорючими стінами з
різними межами
вогнестійкості)
Форма приміщень Прямокутна довільні багатокутники довільна довільна
Кількість типів горючого
навантаження (одночасно)
1 Не обмежено Не обмежено Не обмежено
Форма площі, зайнятої
горючим навантаженням
Прямокутна, в
центрі приміщення
довільна довільна довільна
Джерела
запалювання
1 (в центрі площі,
зайнятої горючим
навантаженням)
Будь-яка кількість,
довільне (в тому числі
випадкове) місце і час
виникнення
Будь-яка кількість,
довільне (в тому числі
випадкове) місце і час
виникнення
Будь-яка кількість,
довільне (в тому числі
випадкове) місце і час
виникнення
продовження табл. 1
1 2 3 4 5
Поширення
горіння
Кругове
Враховується форма
приміщень, наявність
прорізів і перепон,
розташування і
характеристики горючого
навантаження тощо (у
тому числі з кількома
джерелами запалювання)
Враховується форма
приміщень, наявність
прорізів і перепон,
розташування і
характеристики горючого
навантаження тощо (у
тому числі з кількома
джерелами запалювання)
Враховується форма
приміщень, наявність
прорізів і перепон,
розташування і
характеристики горючого
навантаження тощо (у
тому числі з кількома
джерелами запалювання)
Вентиляція
Приточна та (або)
витяжна
Будь-яка кількість і умова
включення (при вказаній
температурі, задимлення
тощо) припливної і (або)
витяжної вентиляції в
кожному приміщенні;
також ручне керування в
процесі моделювання
Будь-яка кількість і умова
включення (при вказаній
температурі, задимлення
тощо) припливної і (або)
витяжної вентиляції в
кожному приміщенні;
також ручне керування в
процесі моделювання
Будь-яка кількість і умова
включення (при вказаній
температурі, задимлення
тощо) припливної і (або)
витяжної вентиляції в
кожному приміщенні;
також ручне керування в
процесі моделювання
Пожежогасіння
Азотом чи
вуглекислим газом
(одне джерело і час
включення)
Азотом, вуглекислим
газом і (або) водою (з
будь-якої кількості
джерел з довільною
умовою включення);
також ручне керування
АУП в процесі
моделювання
Азотом, вуглекислим
газом і (або) водою (з
будь-якої кількості
джерел з довільною
умовою включення);
також ручне керування
АУП в процесі
моделювання
Азотом, вуглекислим
газом, водою або піною (з
будь-якої кількості джерел
з довільною умовою
включення); використання
ручних пожежних стволів
для гасіння; також ручне
керування АУП та стволом
в процесі моделювання
Операційна система МS-DOS Windows ХР Windows 7 Windows 7
Відображення результатів
моделювання
Табличне і
графічне (графіки)
відображення
результатів
Анімаційне відображення
розвитку пожежі в
реальному й
прискореному режимі
часу,
2D простір
Анімаційне відображення
розвитку пожежі в
реальному й
прискореному режимі
часу,
2D/3D простір
Анімаційне відображення
розвитку пожежі в
реальному й
прискореному режимі
часу,
2D/3D простір
Пристрої введення даних Клавіатура Візуальне введення даних
(за допомогою клавіатури
та миші)
Візуальне введення даних
(за допомогою клавіатури
та миші)
Візуальне введення даних
(за допомогою
клавіатури, миші,

19. 16
пожежного ствола з АПЗ)
Результати моделювання
Графіки
відображення
результатів
Графіки зміни параметрів
стану середовища в
приміщеннях, 2D
зображення модельованої
будівлі
2D/3D графіки зміни
параметрів стану
середовища в
приміщеннях,
параметричні зрізи в
будь-якій точці простору,
ізоповерхні газових
середовищ, 2D/3D
зображення модельованої
будівлі
Графіки зміни параметрів
стану середовища в
приміщеннях, 2D/3D
зображення модельованої
будівлі
Режими роботи програми в
часі
Прискорений Реальний та прискорений
Реальний (при
підключенні до обра-
хунку обчислювального
кластеру), сповільнений
Реальний та прискорений
База даних для роботи
програми
відсутня
база даних різних видів
горючого навантаження
база даних різних видів
горючого навантаження,
характеристик
будівельних конструкцій,
водяних струменів
база даних різних видів
горючого навантаження,
характеристик пожежних
стволів, будівельних
конструкцій
Мінімальні системні вимоги
Низькі
(466 MHz
processor, 8 Mb
RAM, 1,2 Mb
ROM)
Низькі, середні
(1,4 GHz processor, 256
Mb RAM, 10 Mb ROM,
800x600 16 bit )
Високі
(2,2 GHz dual (quad) core
processor,
2 Gb RAM, 300 Mb ROM,
256 Mb VideoRAM,
1024x768 16 bit
Середні
(1,8 GHz dual core
processor, 1 Gb RAM,
100 Mb ROM,
128 Mb VideoRAM,
1024x768 16 bit
Інтерфейс
Аскетичний
символьний
Графічний інтуітивний Графічний інтуітивний Графічний інтуітивний
Відносна точність
обрахунку
0,5 0,82 0,97 0,9
Отримати результати обрахунку параметрів диференціальних моделей можливо
в режимі реального часу, але лише на комп’ютерних кластерах при розподіленому
обрахунку. Виходячи з того, що вартість даних апаратних рішень коливається від 500
тис. грн до багатьох мільйонів, можна вважати, що проектування
комп’ютеризованого тренажера підготовки пожежного на основі використаних в
дисертації наукових результатів є економічно обґрунтованим.
ВИСНОВКИ
У дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-технічну задачу, яка
полягає у розробці апаратно-програмних засобів комп’ютеризованого тренажера для
моделювання та візуалізації процесу припинення неконтрольованого горіння в
приміщеннях при часових обмеженнях, для практичної підготовки фахівців у галузі
пожежної безпеки.
1. Проведений аналіз проблем побудови комп’ютеризованих тренажерів
підготовки пожежного та існуючих методів та засобів моделювання та
візуалізації пожежі при часових обмеженнях показав, що існує проблема
моделювання та візуалізації пожеж в приміщеннях при часових обмеженнях.
На основі виявлених недоліків існуючих тренажерних систем, моделей
розвитку та гасіння пожеж сформульовано вимоги до створення комплексної
моделі. В якості основи для її побудови обрано метод клітинних автоматів, що
дозволив збільшити швидкість обрахунку при заданій точності та візуалізувати
результати моделювання.
2. Вперше розроблено тривимірну модель розвитку пожеж в приміщеннях на
основі вдосконалених клітинних автоматів шляхом уточнення просторової
структури пожежного навантаження та побудови множин правил переходу, що
забезпечило підвищення точності моделювання та візуалізації параметрів

20. 17
пожеж відносно двовимірної моделі. При двовимірному методі площина
вимірювання лежить посередині приміщення, а при тривимірному враховується
розподіл всіх значень по трьом осям простору, що збільшує точність обрахунку
в заданій точці в межах 8-17% залежно від дискретизації клітинного автомату.
3. Вперше розроблено модель гасіння пожеж на основі клітинних автоматів
шляхом зміни пожежного навантаження з урахуванням штатного пожежно-
технічного обладнання підрозділів служби цивільного захисту, що забезпечило
можливість візуалізації наслідків використання засобів гасіння пожежі.
Загасання полум'я в розробленій моделі пожежі відбувається за різних умов -
внаслідок вигорання горючого навантаження на розрахунковій одиниці площі,
при зниженні концентрації кисню або при подачі на площу горіння певної
витрати води чи піни середньої кратності. Математичне моделювання
розпилених водяних струменів та пінних струменів дозволило використовувати
дану модель в тренажерних системах, а використання штатного обладнання
підрозділів служби цивільного захисту дає можливість створення ефекту
«занурення» при роботі з тренажером, що підвищує ефективність засвоєння
принципів та прийомів роботи з ним на 13 %.
4. Вперше розроблено комплексну модель пожежі в приміщенні на основі
інтегральної моделі розвитку пожежі та клітинних автоматів, шляхом побудови
множин правил переходу та коригування пожежного навантаження, що дало
можливість поєднати процеси розвитку та гасіння пожежі з урахуванням
штатного пожежно-технічного обладнання підрозділів служби цивільного
захисту та забезпечило можливість розробки апаратно-програмних засобів
комп’ютеризованого тренажеру підготовки пожежного. Модель математично
описує фізичні процеси природнього розвитку та загасання пожежі, а також
поєднує процеси гасіння пожежі за допомогою штатного обладнання
підрозділів оперативно-рятувальної служби.
5. Отримали подальший розвиток методи синтезу апаратно-програмних засобів
комп’ютеризованого тренажеру на основі використання розробленої моделей
шляхом управління зміни пожежного навантаження, що забезпечило
візуалізацію процесів розвитку та припинення горіння з використання
штатного пожежно-технічного обладнання оперативних підрозділів служби
цивільного захисту в режимі реального часу. Значення отриманих результатів
для практики полягає в можливості використання комп’ютеризованого
тренажеру при підготовці пожежника-рятувальника як у вищих навчальних
закладах системи ДСНС України, так і в навчально-методичних центрах
цивільного захисту та безпеки життєдіяльності ДСНС в областях. Оснащення
тренажером навчальних закладів дозволить зменшити витрати на навчання
прийомам гасіння пожеж на 40-50%
Кількісна оцінка ефективності застосування розробленої комплексної моделі та
комп’ютеризованого тренажеру на її основі, що виконана за результатами її
впровадження та відображена у відповідних актах, показує зростання ефективності
підготовки фахівців на 11-14%.
Отримані в роботі результати рекомендовані до застосування з метою
удосконалення існуючих тренажерних систем та створення нових для підрозділів
оперативно-рятувальної служби цивільного захисту ДСНС України.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

21. 18
Статті у фахових виданнях України:
1. Пустовіт М.О. Моделювання поширення пожежі всередині будівель у
тривимірному просторі методом клітинних автоматів / М.О. Пустовіт // Збірник
наукових праць «Системи управління, навігації та зв’язку», - випуск №1 (25) - Харків:
2013, с. 126-130.
2. Пустовіт М.О. Аналіз існуючих математичних моделей розвитку пожеж для
комп’ютеризованих тренажерних комплексів / М.О. Пустовіт // Збірник наукових
праць «Системи обробки інформації», випуск №6 (113) - Харків: 2013 c. 305-310.
3. Пустовіт М.О. Розробка програмно-апаратного забезпечення спеціалізованих
засобів керування комп’ютеризованого тренажеру підготовки пожежного /
М.О. Пустовіт // Збірник наукових праць «Пожежна безпека: теорія і практика»,
випуск №14 – Черкаси: 2013, с. 106-111.
4. Пустовіт М.О. Моделювання процесів припинення горіння методом
клітинних автоматів / М.О. Пустовіт // Інформатика та математичні методи в
моделюванні, збірник наукових праць Одеського національного політехнічного
універститету, том 3, №3 – Одеса: 2013, с. 258-265.
5. Пустовіт М.О. Моделювання поширення пожежі всередині будівель у
двовимірному просторі методом клітинних автоматів / М.О. Пустовіт // Збірник
наукових праць Харківського університету повітряних сил, випуск №3 (36) . – Харків:
2013, с. 226-231.
6. Пустовіт М.О. Математичне моделювання поширення диму всередині
будівель методом клітинних автоматів / В.М. Рудницький, І.Г. Маладика, М.О.
Пустовіт // Збірник наукових праць «Системи обробки інформації», випуск №8 (115) -
Харків: 2013 c. 297-300.
7. Пустовіт М.О. Розробка комп’ютеризованого симулятору з гасіння пожеж в
житлових будівлях / Рудницький В.М., Пустовіт М.О. // Пожежна безпека: теорія і
практика. Збірник наукових праць. Черкаси: АПБ. – Випуск 18.– 2014. – 77-82 с.
8. Пустовіт М.О. Оцінка якості псевдовипадкових послідовностей на основі
використання операцій додавання за модулем два / Ланських Є.В., Сисоєнко С.В.,
Пустовіт М.О. // Науково-технічний журнал «Наука і техніка повітряних сил
Збройних сил України», випуск №4 (21). – Харків, 2015, с. 147-151
Стаття у зарубіжному виданні
9. Пустовит М.А. Распараллеливание и оптимизация выполнения расчетов
процесса развития пожара на основе трехмерных клеточных автоматов /
В.Н. Рудницкий, А.Е. Мельникова, М.А. Пустовит // Журнал «Вектор науки
Тольятинского Государственного университета», выпуск №4 – Тольятти: 2014, с. 22-
26.
Монографія
10. Пустовит М.А. Моделирование процессов тушения пожара для
компьютеризированных тренажерных комплексов: монография / В.Н. Рудницкий,
В.Я. Мильчевич, М.А. Пустовит. – Кубанский институт информзащиты, Краснодар:
Цифровая типография №1, 2014. – 110 с.
Тези доповідей на конференціях:
11. Пустовіт М.О. Перспективи розвитку навчальних технологій, побудованих
за принципом «віртуальної реальності» / М.О. Пустовіт, В.Ю. Дендаренко // Теорія і
практика ліквідації надзвичайних ситуацій – 2010. Матеріали міжнародної науково-
практичної конференції. - Черкаси, 4-5 грудня 2010, с. 104 – 106.
12. Пустовит М.А. Анализ возможностей использования технологий

22. 19
вирутальной реальности для тренировки пожарных / М.А. Пустовит, Д.С.
Федоренко // Обеспечение безопасности в чрезвычайных ситуациях. Материалы VII-
ой международной научно-практической конференции. - Воронеж, 21 декабря 2011,
с. 53-57.
13. Пустовіт М.О. До питання математичного моделювання процесу розвитку
та гасіння пожежі / М.О. Пустовіт // Теорія і практика ліквідації надзвичайних
ситуацій – 2011. Матеріали міжнародної науково-практичної конференції. - Черкаси,
9-10 грудня 2011, с. 149-151.
14. Пустовіт М.О. Застосування клітинних автоматів для моделювання
поширення пожежі всередині будівель / М.О. Пустовіт // «Наука в информационном
обществе» - Матеріали міжнародної конференції. - Донецьк, 21 липня 2013 р.
Науково-інформаційний центр «Знання», с. 23-25
15. Пустовит М.А. Применение клеточных автоматов для моде-лирования
распространения пожаров внутри зданий / М.А. Пустовит // «Фрагментация научных
исследований» - Материалы международной конференции. - Киев, 28 июля 2013 г.
Центр научных публикаций, с. 26-29
16. Пустовіт М.О. Використання методу клітинних автоматів для моделювання
поширення пожежі всередині будівель у тривимірному просторі / М.О. Пустовіт,
І.Г. Маладика // Матеріали міжнародної науково-практичної конференції. - Черкаси,
4-5 жовтня 2013 р. АПБ ім. Героїв Чорнобиля, с.253-255.
17. Пустовіт М.О. Структура комп’ютеризованого симулятору з гасіння
пожеж / Маладика І.Г., Пустовіт М.О. // Матеріали 16 Всеукраїнської науково-
практичної конференції рятувальників. – Київ, 2014. – с. 185-186
18. Пустовіт М.О. Розробка програмного забезпечення комп’ютеризованого
симулятору з гасіння пожеж в будівлях / Пустовіт М.О., Мартиненко Є.С. //
Матеріали VІ міжнародної науково-практичної конференції «Теорія і практика
гасіння пожеж та ліквідації надзвичайних ситуацій». Черкаси: ЧІПБ імені Героїв
Чорнобиля НУЦЗ України, 2014. – с. 331-333
19. Пустовіт М.О. Моделювання розпилених водяних струменів для
комп’ютеризованого симулятору з гасіння пожеж в будівлях / Пустовіт М.О.,
Нестеренко О.Б., Матяш П.В. // Матеріали міжнародної науково-практичної
конференції «Техніка і технології. Актуальні наукові проблеми. Розгляд, вирішення,
практика» Гданськ, 2015. – с. 22-25
АНОТАЦІЯ
Пустовіт М.О. Апаратно-програмне забезпечення моделювання та
візуалізації процесу гасіння пожеж в приміщеннях. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за
спеціальністю 05.13.05 – Комп’ютерні системи та компоненти. – Черкаський
державний технічний університет, Черкаси, 2016.
Дисертація присвячена розв’язанню науково-технічної задачі, яка полягає у
розробці апаратно-програмних засобів комп’ютеризованого тренажера для
моделювання та візуалізації процесу припинення неконтрольованого горіння в
приміщеннях при часових обмеженнях, для практичної підготовки фахівців у галузі
пожежної безпеки. Розроблено комплексну модель пожежі в приміщенні на основі
клітинних автоматів, що дало можливість поєднати процеси розвитку та гасіння
пожежі з урахуванням штатного пожежно-технічного обладнання підрозділів служби
цивільного захисту та та забезпечило можливість розробки апаратно-програмних

23. 20
засобів комп’ютеризованого тренажеру підготовки пожежного. Поєднання процесів
розвитку та гасіння пожежі досягається їх побудовою за єдиним методом клітинних
автоматів. Використання штатного обладнання підрозділів служби цивільного
захисту дає можливість створення ефекту «занурення» при роботі з тренажером, що
підвищує ефективність засвоєння принципів та прийомів роботи з ним. Візуалізація
параметрів моделювання відбувається на основі тривимірного клітинного автомату,
комірки якого змінюють свій стан та колір залежно від розроблених правил переходу
та характеру впливів на них.
Нові моделі та засоби, які поєднані в єдину комплексну модель розвитку та
припинення горіння дають можливість проводити розрахунки параметрів пожежі на
різні моменти часу, підвищувати ефективність підготовки оперативного персоналу та
пожежників-рятувальників до дій за призначенням, і як наслідок зменшити прямі та
побічні збитки від пожежі.
Теоретичні результати, отримані в ході дослідження, були підтверджені при
розробці комплексної моделі розвитку та гасіння пожежі та її упровадженні у вигляді
комп’ютеризованого тренажеру підготовки пожежного-рятувальника.
Ключові слова: клітинні автомати, процес неконтрольованого горіння,
математичне моделювання, часові обмеження.
АННОТАЦИЯ
Пустовит М.А. Моделирование и визуализация процесса
неконтролируемого горения. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по
специальности 01.05.02 Математическое моделирование и вычислительные‒
методы. Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2014.‒
Диссертация посвящена решению научной задачи разработки моделей и
средств моделирования и визуализации пожаров в помещениях при временных
ограничениях.
В работе проведен анализ математических моделей развития
неконтролируемых процессов горения, связанных с ними проблем моделирования
при временных ограничениях, определены возможные сферы применения
математических моделей развития неконтролируемых процессов горения. Выявлено,
что на сегодня остаются слабо исследованными вопросы моделирования пожаров в
помещениях при временных ограничениях.
Благодаря гибкости и широким возможностям метода клеточных автоматов при
моделировании лесных пожаров было решено применить его в качестве основного
для построения модели развития и тушения пожара в помещении и визуализации ее
параметров. Выявлено предметную область улучшения характеристик моделей,
построенных по методу клеточных автоматов - увеличение точности моделирования,
расчет важных параметров пожара (распространения дыма, разрушения конструкций
и т.п.).
В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований
разработана комплексная модель пожара в помещении на основе клеточных
автоматов, что позволило совместить процессы развития и тушения пожара с учетом
штатного пожарно - технического оборудования подразделений службы гражданской
защиты и обеспечить визуализацию параметров пожара при временных
ограничениях. Сочетание процессов развития и тушения пожара достигается их
построением по единому методу клеточных автоматов. Использование штатного

24. 21
оборудования подразделений ГСЧС дает возможность создания эффекта
«погружения» при работе с тренажером, повышает эффективность усвоения
принципов и приемов работы с ним.
Разработана трехмерная модель распространения и визуализации пожаров в
помещениях на основе усовершенствованных клеточных автоматов путем уточнения
пространственной структуры пожарной нагрузки. Это обеспечило повышение
точности моделирования пожаров в помещениях относительно двумерной модели.
Значение увеличения точности лежит в пределах 8-17% в зависимости от
дискретизации модели. Визуализация параметров моделирования происходит на
основе трехмерного клеточного автомата, ячейки которого изменяют свое состояние
и цвет в зависимости от разработанных правил перехода и характера воздействий на
них.
Усовершенствовано применения метода клеточных автоматов для расчета
параметров пожара и разрушения строительных конструкций, что обеспечило
возможность моделирования и визуализации пожаров в помещениях. Это позволило
расширить возможности модели распространения пожара и имитировать поведение
конструкций под воздействием температуры.
Новые модели и средства, разработанные на их основе, объединены в единую
комплексную модель развития и прекращения горения, позволяют проводить расчеты
параметров пожара на разные моменты времени, повышать эффективность
подготовки оперативного персонала и пожарных - спасателей к действиям по
назначению, и как следствие уменьшить прямые и побочные убытки от пожара.
Полученные в работе результаты рекомендованы к применению с целью
усовершенствования существующих тренажерных систем и создание новых для
подразделений оперативно-спасательной службы гражданской защиты
Государственной службы по чрезвычайным ситуациям Украины. Оснащение
тренажером учебных заведений позволит уменьшить затраты на обучение основным
приемам тушения пожаров на 40-50%.
Ключевые слова: клеточные автоматы, процесс неконтролируемого горения,
математическое моделирование, временные ограничения.
ABSTRACT
Pustovit M.O. Modeling and visualization of uncontrolled burning process.
Dissertations on the receipt of scientific degree of candidate of engineering sciences
after specialty 01.05.02 are mathematical modelling and computational methods. It is the
Odessa National Polytechnical University, Odessa, 2014.
Dissertation is devoted to scientific problem of developing models and tools for
modeling and visualization of fires in rooms with time limitations.
Developed the complex model of the fire in the room based on cellular automata
which made it possible to combine the processes of fire propagation and suppression,
considering the regular fire-technical equipment of civil protection units, and to provide
visualization parameters of fire with time limitations. The combination of processes of fire
propagation and suppression is achieved by building the complex model on the only method
of cellular automata. Using regular fire-technical equipment of civil protection units makes
it possible to create the effect of "immersion" when working with the simulator, which
increases the assimilation effectiveness of the principles and methods how to work with it.
Visualization of parameters modeling is based on a three-dimensional cellular automata.
Cells of it changes their position and color according to the developed transition rules and

25. 22
character of influence on them.
New models and tools, which developed on their base and combined into a single
complex model of fire propagation and suppression makes it possible to perform
calculations of fire parameters at different time points; increase the effectiveness of
operating personnel and firemen training; reduce direct and indirect damages from fire.
The theoretical results which obtained during the research were confirmed by
developing the complex model of fire propagation and suppression, that find its
implementation as a computerized simulator of firefighter training.
Keywords: cellular automata, uncontrolled burning process, mathematical modeling,
time limitations.

26. 23
Підписано до друку 19.06.14. Обл.-вид. арк. 0,9.
Тираж 120 прим. Замовлення № 186
Віддруковано у відділі РВР ЧІПБ імені Героїв Чорнобиля
Національного університету цивільного захисту України
вул. Онопрієнка, 8, м. Черкаси, 18034.