Развитие пожарной охраны мегаполиса с использованием технологии имитационного моделирования

РАЗВИТИЕ ПОЖАРНОЙ ОХРАНЫ МЕГАПОЛИСА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

М.В. Буйневич, доктор технических наук, профессор; М.Т. Пелех, кандидат технических наук, доцент; Д.Г. Ахунова.

Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России

Рассматривается структура мегаполиса. Дается динамика строительства пожарных депо в Санкт-Петербурге за последние 200 лет. Предлагается для проектирования пожарных депо использовать поисково-информационные картографические сервисы. С использованием технологии имитационного моделирования рассчитано количество необходимых депо, основной и специализированной техники.

Ключевые слова: мегаполис, пожарное депо, системное проектирование, имитационное моделирование

DEVELOPMENT OF FIRE PROTECTION IN A MEGALOPOLIS USING SIMULATION TECHNOLOGY

M.V. Buynevich; M.T. Pelekh; D.G. Akhunova.

Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia

The structure of the metropolis is considered. The dynamics of the construction of fire stations in Saint-Petersburg over the past 200 years is given. It is proposed to use search and information mapping services for the design of fire stations. Using simulation technology, the number of required depots, basic and specialized equipment was calculated. Keywords: metropolis, fire station, system design, simulation

В настоящее время Санкт-Петербургским университетом Государственной противопожарной службы МЧС России проводится работа по развитию противопожарной службы Санкт-Петербурга до 2025 г., необходимого числа и мест дислокации подразделений пожарной охраны на территории Санкт-Петербурга.

По своей структуре Санкт-Петербург как мегаполис является совокупностью взаимосвязанных населенных мест различного масштаба и уровня урбанизации, с разными функциональными профилями и средовыми характеристиками от собственно Санкт-Петербурга (ядра мегаполиса) до близлежащих городов, а также поселков при исторических дворцово-парковых комплексах, курортных зонах и производственных комплексах.

Согласно Закону Санкт-Петербурга [1] вся территория субъекта Федерации «город Санкт-Петербург» подразделяется на 20 административных районов (в центральной части города - 4 района, в периферийной - 9, в пригородной части - 7) и 111 муниципальных образований. Из состава муниципальных образований выделяют 81 муниципальный округ, 23 из которых расположены в центральной части города, 62 - в периферийной, а также 9 городов и 21 поселок, расположенных в пригородной части города. Общая площадь субъекта Российской Федерации «город Санкт-Петербург» составляет 143,6 тыс. га, или 1 436 км . Структура данной территории очень неоднородна, отличается разнообразием, различной степенью потенциальной пожарной опасности (характером и плотностью застройки, численностью населения и др.). Все эти особенности необходимо учитывать при проектировании рациональной схемы противопожарной службы Санкт-Петербурга. Характер и плотность застройки определяется несколькими факторами - в основном,

социально-историческими и экономическими (реже - военно-политическими), и может быть интегрально охарактеризована показателями средового районирования.

В табл. 1 указана динамика строительства пожарных депо за последние 200 лет в Санкт-Петербурге, на данный момент все эти депо находятся в рабочем состоянии. Снесенные или перепрофилированные здания не рассматриваются.

Таблица 1. Динамика строительства пожарных депо в Санкт-Петербурге

Год 1800- 1810- 1820- 1830- 1840- 1850- 1860- 1870- 1880- 1890-

постройки 1809 1819 1829 1839 1849 1859 1869 1879 1889 1899

Количество депо 5 2 1 0 1 1 0 0 1 0

Год 1900- 1910- 1920- 1930- 1940- 1950- 1960- 1970- 1980- 1990-

постройки 1909 1919 1929 1939 1949 1959 1969 1979 1989 1999

Количество депо 3 6 2 8 2 2 5 9 3 4

По результатам табличного анализа следует, что из построенных в XIX в. пожарных депо в эксплуатации находятся 11, из сооруженных в первой половине XX в. - 21, а из построенных во второй половине XX в. - 23.

С начала XXI в., а именно за 14 лет, основано 17 пожарных депо, что можно считать лучшей динамикой за весь оцениваемый период.

Санкт-Петербург - одна из самых крупнейших по численности противопожарных служб в мире. Общее количество пожарных частей составляет 72, в которых располагаются более 200 единиц пожарной техники.

Следуя основному смыслу термина, проектирование - это преобразование действительности с учетом факторов влияния, которое направлено на удовлетворение человеческих потребностей. В статье под преобразованием подразумевается развитие сети пожарных депо с целью усовершенствования пожарной обстановки в городе до необходимого уровня. Учет факторов заключается в использовании существующей дорожно-транспортной обстановки города (автодороги, пробки, постройки, возможные очаги пожара), а также в соблюдении нормативно-правовых документов. Результатом проектирования является численность и расположение оперативных подразделений пожарной охраны, включая их силы и средства.

Проектирование сети пожарных депо имеет дело с конкретными, достаточно сложными и абстрактными объектами, а так же подвержено быстро развивающемуся влиянию внешних факторов (городской трафик, нормативы следования до точки пожара). Из-за ошибок, полученных и реализованных на практике, специфика области может привести к тяжким последствиям. С учетом заданных сложностей для решения поставленных задач рационально использование системного проектирования, которое основывается на одноименном подходе. Системное проектирование позволяет комплексно справляться с задачами, принимая во внимание взаимодействие отдельных объектов системы с собой и внешней средой, учитывая социально-экономические последствия их функционирования и упомянутые факторы.

Применение системного подхода с использованием имитации, основанном на базе модели города с пожарными подразделениями и их временем следования, позволяет эффективно проектировать сеть пожарных депо. При этом возможно использование различных математических подмоделей. Данные подмодели позволят произвести расчет промежуточных показателей. На основании анализа делается экспертный выбор места расположения пожарных депо [2].

Отсюда вытекает основополагающий принцип проектирования развития сети пожарных депо в Санкт-Петербурге, им является имитационное моделирование. Помимо

этого необходимо иметь в виду ряд частных принципов, которые отражают специфику его применения для поставленной задачи, соблюдение которых оказывает существенное влияние на эффект, получаемый от моделирования.

С учетом рекомендаций СП 11.13130.2009 [3] для расчета численности и размещения пожарных депо применим подход, основанный на комбинации графического метода для определения областей пересечения пространственных зон размещения пожарных депо и метода компьютерной реализации алгоритма определения областей пересечения пространственных зон размещения пожарных депо.

Для принятия решения о численности и размещении пожарных депо в Санкт-Петербурге необходимо иметь соответствующую имитационную модель, которая позволит:

- на карте отображать существующие пожарные депо согласно принципу фактологичности;

- произвести выбор случайной зоны активного горения согласно принципу интерактивности;

- рассчитать время прибытия пожарных расчетов от мест расположения ближайших пожарных частей к месту пожара согласно принципу обоснованности (как количественной, так и качественной);

- определять соблюдение (или несоблюдение) требований нормативно-правовых документов путем сравнительной оценки рассчитанного времени прибытия с заданным;

- в случае превышения допустимых пределов наносить на карту дополнительные пожарные депо согласно принципу интерактивности.

Для этих целей разработана имитационная программная модель, которая опирается на умение находить и обсчитывать кратчайший маршрут: понимать различные развязки, дороги с односторонним движением, переезды и т.д. Таких правил существует достаточно много, и их реализация, а также задание улиц, потребует множества человеко-лет работы, поэтому необходимо приспособить для создаваемой модели существующие инструменты. Одним из таких инструментов являются «Яндекс.Карты» - поисково-информационный картографический сервис Яндекса [4-6].

Сервису «Яндекс.Карты» доступен поиск по адресам, улицам, городам, регионам и странам, а также по организациям. На картах возможно измерение расстояния, имеется возможность прокладывать маршруты. Для некоторого ряда городов доступен сервис «Яндекс.Пробки»: индикатор автодорожных заторов. Показания сервиса могут учитываться при автоматическом прокладывании маршрутов.

Для него существует API (интерфейс программирования приложений), позволяющий приспособить «Яндекс.Карты» ко многим решаемым задачам на местности. В частности, API позволяет добавлять на карту маркеры, показывающие пожарные части. За годы использования «Яндекс.Карты» и Яндекс.Навигатор» показали высокое качество и точность построения маршрутов, поэтому использование их результатов является достоверным и подходит для указанной имитационной модели.

Для оценки численности и дислокации оперативных отделений на основных пожарных автомобилях - автоцистернах (АЦ) - были применены вычисления, базирующиеся на теории систем массового обслуживания (СМО). Такой выбор обусловлен тем, что задачи, решаемые с помощью данной теории, полностью соответствуют поставленным.

В рамках теории каналом считается каждая отдельная АЦ, заявкой - отдельный вызов, а отказ означает невозможность выезда автомобилей на место вызова по причине отсутствия свободных. Характер заявок соответствует случайно-статистическому потоку требований. В частности, среднестатистическая интенсивность потока вызовов пожарных подразделений X составляет около 6 вызовов в час, а среднее время обслуживания вызова порядка 0,5 часа. Очевидно, что решением задачи является нахождение минимально-необходимого количества АЦ для удовлетворения необходимого количества заявок в любой момент времени.

Отметим, что исходя из специфики данной предметной области, описанная СМО обладает следующими свойствами:

- является многоканальной - исходя из множества обслуживающих автомобилей;

- обладает отказами - в случае отсутствия автомобилей заявка получает отказ (что недопустимо);

- учитывает статистический приоритет - заявки обслуживаются в порядке поступления.

Для расчетов использовался закон Пуассона о вероятности возникновения событий, играющий ключевую роль в СМО:

ап

р(л) = -€ а

п1 .

Адаптация закона Пуассона к текущей задаче позволила получить формулы для определения численности оперативных отделений на АЦ:

где а - плотность потока вызовов; Я - интенсивность потока вызовов; Т - средняя продолжительность вызова; Р0 - начальная вероятность, соответствующая отсутствию любых вызовов; п - число оперативных отделений; Рп - вероятность поступления п и менее одновременных вызовов за время Т; - вероятность выезда по вызову 1 пожарных машин данного типа; Яп- вероятность поступления более п одновременных вызовов за время Т.

Таким образом, формула определяет вероятность того, что может одновременно потребоваться п оперативных отделений. При этом очевидно, что в случае значения вероятности, близкой к 0, число п определяет минимально-необходимое количество АЦ для обслуживания всех заявок в городе в любой момент времени.

Расчеты по формуле были произведены на базе имитационного дискретно-событийного моделирования в компьютерной программе, симулирующей поступающие в городе вызовы и их обслуживание АЦ с использованием необходимых статистических параметров модели.

Согласно расчетам, в городе необходимо иметь минимум 49 АЦ. При этом в случае увеличения плотности потока вызовов в два раза, следуя аналогичным расчетам, потребуется уже 66 АЦ в боевом расчете (без учета резерва).

Для учета требования по поддержанию одного из основных показателей аварийно-спасательных служб - времени следования к месту вызова, было проведено дополнительное имитационное моделирование. Целью его являлась оценка времени следования в зависимости от различных актуальных параметров.

При имитации рассматривались варианты текущего количества депо (72) и рассчитанного для развития противопожарной службы (93). Учитывалась плотность потока вызовов как в стандартном режиме работы (6 вызовов/час), так и увеличенном вдвое (12 вызовов/час).

Также, в случае имитации для АЦ, варьировалось количество оперативных отделений, включая следующие опорные значения. Во-первых, использовалось минимально-необходимое количество, согласно предыдущим расчетам, составляющее 49 автомашин. Во-вторых, согласно данным по 21 подразделению, экстраполированным на общее количество депо, существующее число АЦ в боевом расчета равнялось 116 автомашинам. В-третьих, количество автомашин в случае перспективного развития сети пожарных депо было получено путем выбора оптимального значения в процессе моделирования (и составило 162).

Основными являются следующие четыре варианта моделирования:

Вариант № 1: текущая сеть депо при минимально-необходимом количестве оперативных отделений.

Вариант № 2: текущая сеть депо при текущем количестве оперативных отделений.

Вариант № 3: перспективный вариант развития сети депо при текущем количестве оперативных отделений в случае увеличения потока вызовов.

Вариант № 4: перспективный вариант развития сети депо при оптимальном количестве оперативных отделений в случае увеличения потока вызовов.

Характеристики вариантов моделирования для АЦ и полученные результаты приведены в табл. 2.

Таблица 2. Сравнение результатов моделирования времени следования АЦ до точки вызова

Вариант Количество Количество Плотность потока Среднее время следования

имитации депо АЦ вызовов

1 72 49 6 13,4

2 72 116 6 9,1

3 93 116 12 11,8

4 93 162 12 8,8

Из табл. 2 следует, что для поддержания времени следования на существующем уровне при увеличении потока вызовов в два раза, необходимо, по меньшей мере, 162 АЦ.

Для оценки численности и дислокации оперативных отделений на специальных пожарных автомобилях - автолестницах (АЛ) и коленчатых подъемниках (КП) - были использованы вычисления с применением теории систем массового обслуживания и имитационной модели, полностью аналогичные оценке численности АЦ.

Согласно расчетам (табл. 3), в городе необходимо иметь 13 АЛ и КП. При этом в случае увеличения плотности потока вызовов в два раза следуя аналогичным расчетам, потребуется уже 22 АЛ и КЦ в боевом расчета (без учета резерва).

Оценка численности АЛ и КП с учетом требований к времени следования производилась аналогично оценке численности АЦ и приводится в табл. 4. Опорными точками количества оперативных отделений для АЛ и КП выступали следующие: 13 минимально-необходимых автомобилей, 58 существующих в боевом расчете и 81 оптимальных.

Таблица 3. Результаты расчета оценки численности АЛ и КП

Число отделений (п) Вероятность Я>п Продолжительность времени Т>п (час) Число отказов всего Число отказов полных Число отказов частичных

0 0,905624 7933,3 32649 32649 0

1 0,683248 5985,3 29573 29568 5

2 0,420883 3686,9 22321 22307 13

3 0,214206 1876,4 13757 13741 16

4 0,091901 805,0 7006 6994 13

5 0,033901 297,0 3008 3000 8

6 0,010939 95,8 1111 1107 4

7 0,003133 27,4 359 357 2

8 0,000806 7,1 103 102 1

9 0,000188 1,6 26 26 0

10 0,000040 0,4 6 6 0

11 0,000008 0,1 1 1 0

12 0,000001 0,0 0 0 0

13 0,000000 0,0 0 0 0

Рекомендуемое число отделений 13

Таблица 4. Сравнение результатов моделирования времени следования

АЛ и КП до точки вызова

Вариант имитации Количество депо Количество АЛ и КП Плотность потока вызовов

1 72 13 8 20,8

2 72 58 8 12,5

3 93 58 16 17,4

4 93 81 16 10,2

Из табл. 4 следует, что для поддержания времени следования в пределах 10 мин и при увеличении потока вызовов в два раза необходимо по меньшей мере 81 АЛ и КП.

Также, в связи с предполагаемым строительством в Санкт-Петербурге высотных зданий, отдельного внимания заслуживает вопрос приобретения и использования пожарных лестниц для проведения работ на высотах более 50 м. Приблизительный расчет такого вида техники дает результат в виде одной единицы техники на один административный район, имеющий незначительное количество высотных зданий. В случае значительного количества построек такого рода, боевой расчет техники должен быть увеличен.

В ходе выполнения работы с использованием технологии имитационного моделирования был разработан вариант перспективного развития и размещения сил и средств противопожарной службы Санкт-Петербурга с учетом возможного изменения городской среды и параметров оперативной обстановки.

Посредством применения методов сценариев технологии имитационного моделирования и использования интерфейса программирования приложений на базе поисково-информационного картографического сервиса Яндекса с учетом состояния загруженности автомобильных дорог создана модель перспективного развития и размещения

сил и средств противопожарной службы Санкт-Петербурга. Подтверждена адекватность предлагаемой модели.

Aпробация разработанной системы моделирования выявила непротиворечивость данным и предложениям по развитию противопожарной службы, полученным в ходе накопления эмпирических фактов. Таким образом, результаты имитационного моделирования, позволяющего оценить варианты инфраструктуры противопожарной службы, могут быть применены при разработке руководящих документов.

Литература

1. О территориальном устройстве Санкт-Петербурга: Закон Санкт-Петербурга от 25 июля 2GG5 г. № 411-б8. Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс».

2. Буйневич М.В., Пелех М.Т. Моделирование развития сети пожарных депо на территории мегаполиса // Передовые инновационные разработки. Перспективы и опыт использования, проблемы внедрения в производство: сб. науч. статей по итогам II Междунар. науч. конф. Казань, 2019. С. 62-б4.

3. СП 11.13130.2009. Свод правил. Места дислокации подразделений пожарной охраны. Порядок и методика определения (утв. Приказом МЧС РФ от 25 марта 2GG9 г. № 181). Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс».

4. Буйневич М.В., Максимов A.B., Пелех М.Т. Принципы информационной поддержки системного проектирования развития сети пожарных депо на территории мегаполиса // Науч.-аналит. журн. «Вестник С.-Петерб. ун-та ГПС МЧС России». 2017. № 3. С.129-135.

5. Буйневич М.В., Пелех М.Т. Проектирование пожарных депо с применением поисково-информационных картографических сервисов // Передовые инновационные разработки. Перспективы и опыт использования, проблемы внедрения в производство: сб. науч. статей по итогам VI Междунар. науч. конф. Казань, 2019. С. 139-141.

6. Буйневич М.В., Пелех М.Т. Совершенствование маршрутов следования пожарноспасательных подразделений к месту вызова // Передовые инновационные разработки. Перспективы и опыт использования, проблемы внедрения в производство: сб. науч. статей по итогам VII Междунар. науч. конф. Казань, 2019. С. 85-87.

References

1. O territorial'nom ustrojstve Sankt-Peterburga: Zakon Sankt-Peterburga ot 25 iyulya 2005 g. № 411-б8. Dostup iz sprav.-pravovoj sistemy «Konsul'tantPlyus».

2. Bujnevich M.V., Pelekh M.T. Modelirovanie razvitiya seti pozharnyh depo na territorii megapolisa // Peredovye innovacionnye razrabotki. Perspektivy i opyt ispol'zovaniya, problemy vnedreniya v proizvodstvo: sb. nauch. statej po itogam II Mezhdunar. nauch. konf. Kazan', 2G19. S. б2-б4.

3. SP 11.1313G.2GG9. Svod pravil. Mesta dislokacii podrazdelenij pozharnoj ohrany. Poryadok i metodika opredeleniya (utv. Prikazom MCHS RF ot 25 marta 2009 g. № 181). Dostup iz sprav.-pravovoj sistemy «Konsul'tantPlyus».

4. Bujnevich M.V., Maksimov A.V., Pelekh M.T. Principy informacionnoj podderzhki sistemnogo proektirovaniya razvitiya seti pozharnyh depo na territorii megapolisa // Nauch.-analit. zhurn. «Vestnik S.-Peterb. un-ta GPS MCHS Rossii». 2017. № 3. S. 129-135.

5. Bujnevich M.V., Pelekh M.T. Proektirovanie pozharnyh depo s primeneniem poiskovo-informacionnyh kartograficheskih servisov // Peredovye innovacionnye razrabotki. Perspektivy i opyt ispol'zovaniya, problemy vnedreniya v proizvodstvo: sb. nauch. statej po itogam

VI Mezhdunar. nauch. konf. Kazan', 2G19. S. 139-141.

6. Bujnevich M.V., Pelekh M.T. Sovershenstvovanie marshrutov sledovaniya pozharnospasatel'nyh podrazdelenij k mestu vyzova // Peredovye innovacionnye razrabotki. Perspektivy i opyt ispol'zovaniya, problemy vnedreniya v proizvodstvo: sb. nauch. statej po itogam

VII Mezhdunar. nauch. konf. Kazan', 2G19. S. 85-87.