Software & Systems

Основным показателем пожарной и взрывопожарной опасности объекта является его категория по пожаро- и взрывоопасности – фактор, определяющий требования к конструкции и планировке здания, режиму производства и эксплуатации помещений. Категории пожаровзрывоопасности учитываются при организации пожарной охраны, в первую очередь необходимой технической оснащенности, предъявляют требования к расположению пожароопасных помещений на территории предприятия. Эта характеристика, рассчитываемая в соответствии со стандартом СП 12.13130.2009, во многом определяет объемнопланировочные решения, регламентирует порядок размещения помещений и установок по отношению друг к другу и прочим объектам предприятия, пожароопасных строений и сооружений.

Здания, помещения и наружные установки подразделяются на категории пожаро- и взры- воопасности в зависимости от хранящихся или использующихся в них веществ, номенклатура которых достигает нескольких тысяч. Многие ве- щества, применяемые в производстве различных изделий, отделке производственных, жилых, общественных и иных зданий и помещений, способны воспламеняться и гореть, а в некоторых случаях образовывать с воздухом взрывоопасные смеси.

Правильное определение категории пожаро- и взрывоопасности зданий или сооружений позволяет принять оптимальные проектные решения и предотвратить чрезвычайные ситуации при минимальных затратах ресурсов.

Перечень основных характеристик веществ, необходимых для решения задач при проектировании систем пожарной безопасности, определен в ГОСТе 12.1.044-89. Их характеристики и свойства c этой точки зрения достаточно хорошо исследованы и описаны в ряде источников, в частности в [1], однако информация не структурирована, изложена произвольно, а ее полнота зависит от агрегатного состояния вещества.

Категорирование зданий и помещений является достаточно сложным и трудоемким процессом. Для точности ответа и уменьшения времени решения данной задачи используются средства автоматизации, САПР, информационные технологии. Существует несколько программных средств, позволяющих осуществлять расчет категорий помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности, например, «Фогард-К» – программа онлайн-расчетов, «FireGuard 2» – полнофунк­циональный и мощный инструмент для комплексного категорирования зданий и помещений со встроенным классификатором взрывоопасных и пожароопасных зон, имеющий возможность оптимизации пожарной нагрузки для получения желаемой категории.

Постановка задачи

Пусть дано конечное множество объектов I={i1, i2, …, ij, …, in}. Каждый из объектов характеризуется некоторым признаковым описанием (x1, x2, …, xk, …, xm, xm+1). Пусть значения признаков (x1, x2, …, xk, …, xm) известны. Задача заключается в определении неизвестного признака xm+1. Если множество его значений конечно, задачу называют классификацией.

Для формального описания этой задачи введем следующие множества.

·       Множество задач обеспечения пожарной безопасности объектов. МЗ={Г; ГВ; РП; ДС; Т; КП}, где Г – задача определения группы горючести строительных материалов, Г={Г1; Г2; Г3; Г4}, для ее решения необходимо подмножество показателей пожаро- и взрывоопасности (ППВ) ПВВ-Г={Т, SL, SM, tсг}; ГВ – задача определения группы воспламеняемости строительных материалов, ГВ={В1; В2; В3}, для ее решения необходимо ПВВ-ГВ={КППТП}; РП – задача определения группы распространения пламени по поверхности строительных материалов, РП={РП1; РП2; РП3; РП4}, для ее решения необходимо ПВВ-РП={КППТП}; ДС – задача определения группы дымообразующей способности строительных материалов, ДС={Д1; Д2; Д3}, для ее решения необходимо ПВВ-ДС={Кд }; Т – задача определения токсичности продуктов горения строительных материалов, Т={Т1; Т2; Т3; Т4}, для ее решения необходимо ПВВ-Т={}; M – скорость выгорания (интенсивность горения жидкости) – количество жидкости, сгорающей в единицу времени с единицы площади, кг/м2×с; КППТП – критическая поверхностная плотность теплового потока, минимальное значение поверхностной плотности теплового потока, при котором возникает устойчивое пламенное горение, кВт/м2; КП – задача определения категорий помещений, зданий и наружных технологических установок, КП={А, Б, В1-В4, Д, Г}, для решения которой необходимо ПВВ-КП={Агрегатное состояние, tвсп, Pmax, M, КППТП}.

·       Множество агрегатных состояний веществ О={газы; жидкости; твердые вещества, строительные конструкции; пыли}.

·       Множество строительных материалов и конструкций М={НГ(негорючие); Г(горючие)}.

Решение задачи посредством информационной подсистемы в САПР

Информационная подсистема, содержащая БД всех пожаро- и взрывоопасных веществ, а также автоматизирующая алгоритмы расчетов и выдающая на выходе готовый результат в виде категории помещения (здания, сооружения), является одним из приемлемых вариантов решения данной задачи. При разработке подсистемы также следует создать модуль оптимизации категорий помещений (зданий, сооружений), полученных в качестве результата.

Разработка любой информационной подсистемы начинается с формулировки алгоритма решения поставленной задачи.

Одним из объектов алгоритма решения задачи определения категорий помещений (зданий, сооружений) взрывопожарной и пожарной опасности будет БД.

БД информационной подсистемы в общем случае рассматриваем как совместно используемый набор логически связанных данных (и описание этих данных), предназначенный для удовлетворения информационных потребностей в данной предметной области. Для решения задачи БД должна содержать следующее:

–      множество характеристик веществ, включающих их подмножества, используемые при решении отдельных задач;

–      неструктурированную информацию, необходимую для работы экспертной системы проверки соответствия принятых проектных решений требованиям нормативных документов;

–      данные для разработки графической части проектов, в частности для проектирования установок автоматического пожаротушения и сигнализации.

В связи с этим к БД для решения задач систем пожарной безопасности объектов, помимо типовых требований, предъявляются следующие:

–      представление всех структур данных, используемых при проектировании систем пожарной безопасности объектов, в том числе графических;

–      возможность хранения неструктурированной информации для ее использования в задачах логического вывода (типа экспертных систем);

–      возможность развития состава и структуры данных;

–      хранение информации, относящейся к конкретным проектам, с учетом вариантов проектных решений.

Структурно данные в базе могут быть представлены тремя уровнями: концептуальным, внешним и внутренним (рис. 1). Концептуальный уровень отражает объективные свойства данных, описывающих предметную область. Внешний уровень, напротив, отражает субъективные взгляды приложений на данные. В практических случаях внешний уровень является подмножеством концептуального представления. Внутренний уровень представления данных определяет машинно-ориентированное, физическое представление данных.

Любое здание или сооружение состоит из n-го количества помещений. В зависимости от того, к какой категории пожаро- и взрывоопасности они относятся, присваивается категория самому зданию (сооружению).

Алгоритм расчета критериев взрывопожарной и пожарной опасности помещений включает в себя четыре основных этапа (рис. 2).

Первый этап: анализ исходных данных, включающий описание пожароопасных свойств и количества веществ и материалов, обращающихся (находящихся) в категорируемом помещении. Данные вещества и их характеристики, как уже было сказано, хранятся в БД. Оцениваются технологический процесс и оборудование, размещение пожарной нагрузки в помещении, наличие и эффективность вентиляции, температурный режим в помещении. В результате анализа выявляются вещества и материалы по группам горючести (горючие газы, легковоспламеняющиеся и горючие жидкости, горючие пыли, горючие твердые вещества, негорючие вещества и материалы).

Второй этап: определение необходимых условий для отнесения помещения к соответствующей категории. В качестве условий используются параметры, варьирующиеся в правилах категорирования помещений по взрывопожарной и пожарной опасности. В зависимости от агрегатных состояний веществ к ним относят величину температуры вспышки t, °C, и удельной пожарной нагрузки g, МДж/м2.

Третий этап: определение достаточных условий для отнесения помещения к соответствующей категории. К ним относят: для помещений А и Б величину избыточного давления взрыва DP, кПа, а для помещений В1–В4 проверку способа размещения пожарной нагрузки и величину удельной пожарной нагрузки g, МДж/м2.

Четвертый этап: определение категории помещения в зависимости от вышеперечисленных условий. Данная категория определяется по со- вокупности выполнения необходимых и доста- точных условий, позволяющих отнести помещение к соответствующей категории. Невыполнение достаточного условия приводит к повышению категории, соответствующему нормам.

Из перечисленных шагов следует, что, имея на входе в информационную подсистему вещества, находящиеся в помещении, необходимо также в зависимости от агрегатного состояния веществ производить расчет их основных характеристик: величину температуры вспышки t, °C, удельную пожарную нагрузку g, МДж/м2, величину избыточного давления взрыва DP, кПа.

После определения категории пожаро- и взрывоопасности помещений, находящихся в заданном здании, вступит в силу алгоритм определения категории пожаровзрывоопасности здания (сооружения).

Данный алгоритм изображен на рисунке 3.

Основными шагами алгоритма являются следующие определения:

–      здание относится к категории А, если суммарная площадь помещений (SS) категории А в нем > 5 % площади всех помещений или =200 м2;

–      здание не относится к категории А, если SS категории А в здании £25 % SS всех размещенных в нем помещений (но £1 000 м2) и эти помещения оснащаются установками автоматического пожаротушения;

–      здание относится к категории Б, если одновременно выполнены следующие условия: здание не относится к категории А и SS категорий А и Б >5 % SS всех помещений или =200 м2;

–      здание не относится к категории Б, если SS категорий А и Б в здании £25 % SS всех размещенных в нем помещений (но £1 000 м2) и эти помещения оснащаются установками автоматического пожаротушения;

–      здание относится к категории В, если одновременно выполнены следующие условия: здание не относится к категории А или Б и SS категорий А, Б, B1, B2 и В3 >5 % (10 %, если в здании отсутствуют помещения категорий А и Б) SS всех помещений;

–      здание не относится к категории В, если SS категорий А, Б, B1, B2 и В3 в здании £25 % SS всех размещенных в нем помещений (но £3 500 м2) и эти помещения оснащаются установками автоматического пожаротушения;

–      здание относится к категории Г, если одновременно выполнены следующие условия: здание не относится к категориям А, Б или В и SS категорий А, Б, B1, B2, ВЗ и Г >5 % SS всех помещений;

–      здание не относится к категории Г, если SS категорий А, Б, B1, B2, ВЗ и Г в здании £25 % SS всех размещенных в нем помещений (но £5000 м2) и помещения категорий А, Б, B1, B2 и В3 оснащаются установками автоматического пожаротушения;

–      здание относится к категории Д, если оно не относится к категориям А, Б, В или Г.

Методы определения классификационных признаков отнесения зданий и помещений производственного и складского назначения к категориям по пожарной и взрывопожарной опасности устанавливаются нормативными документами по пожарной безопасности.

После определения категории здания (сооружения) по пожаровзрывоопасности следующим шагом алгоритма следует сделать оптимизацию. Оптимизация категории пожарной опасности – процесс, позволяющий снизить текущую категорию помещения путем применения различных правил оптимизации, в частности удаления/добав­ления горючих материалов, изменения количества веществ.

Общие правила оптимизации пожарной нагрузки для получения требуемой категории:

–      повышение категории не допускается, то есть нельзя перейти с категории В4 до категории В1 или А;

–      помещения, содержащие сложные горючие объекты (СГО), оптимизировать не допускается;

–      оптимизация пожарной нагрузки работает по принципу: что необходимо выполнить для того, чтобы получилась целевая категория;

–      перед оптимизацией всегда выполняется расчет реальной категории помещения [2].

Оптимизация пожарной нагрузки проводится по следующим параметрам:

–      по количеству: уменьшение или увеличение количества веществ;

–      по геометрии: изменение площади размещения пожарной нагрузки, минимального расстояния от высоты пожарной нагрузки до потолка помещения и изменения высоты помещения (при необходимости).

Переход к категории А не осуществляется.

Переход к категории Б.

Первое условие – удаление веществ и материалов с температурой вспышки менее 28 °С (при наличии таковых).

Второе условие – добавление веществ и материалов с температурой вспышки более 28 °С (при отсутствии таковых).

Третье условие – нахождение такого аварийного количества для веществ с температурой вспышки более 28 °С, при котором будет достигнуто избыточное давление взрыва ∆P=5,10 кПа.

Переход к категориям В1–В4.

Первое действие – это вычисление такого аварийного количества для веществ типов «жидкость», «газы», «пыли» (при наличии таковых), при котором будет достигнуто суммарное избыточное давление взрыва ∆P=4,90 кПа.

Второе действие – выбор способа оптимизации по количеству или по площади:

–      по количеству: для данного выбора требуется предварительно отметить оптимизируемые вещества; далее производится пересчет общего количества веществ таким образом, чтобы достигнуть соответствующих значений g, МДж/м2 (удельной временной пожарной нагрузки);

–      по площади: при выборе данного способа изменяются значения площади размещения пожарной нагрузки (размеры помещения и площадь размещения пожарной нагрузки не контролируются).

Переход к категориям Г или Д.

Данные переходы обусловлены удалением всех пожароопасных веществ и материалов из помещения.

Из всего вышесказанного следует отметить основные моменты решения поставленной задачи категорирования помещений (зданий, сооружений) по пожаровзрывоопасности.

Во-первых, следует определить, сколько в здании помещений и к какой категории по пожаро- взрывоопасности каждое из них относится.

Далее в зависимости от количества и степени пожаро- и взрывоопасности типов помещений следует определить категорию пожаровзрывоопасности всего здания (сооружения).

На последнем этапе необходимо оптимизировать помещения по категории взрывопожароопасности по одному из вышеуказанных методов, что приведет к оптимизации категории взрывопожароопасности здания (сооружения) в целом.

Без процесса оптимизации можно обойтись, если здание (сооружение) или ряд помещений не приводятся к определенной категории пожаро- взрывоопасности. Но в целом суть решения задачи остается прежней.

Для правильного категорирования помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности необходимо придерживаться алгоритма, изображенного на рисунке 3.

Для данной схемы алгоритма выбираем все необходимые данные из технологического регламента. Далее из фактографической БД «Пожаро- взрывоопасность», структура которой представ- лена на рисунке 4, выбираем необходимые для расчета данные [3, 4].

Рассмотрим подробно таблицу БД «Виды расчетов».

Выбор и обоснование расчетного варианта осуществляются следующим образом.

При расчете значений критериев взрывопожарной опасности в качестве расчетного следует выбирать наиболее неблагоприятный вариант аварии или период нормальной работы аппаратов, при котором во взрыве участвует наибольшее количество веществ или материалов, наиболее опасных в отношении последствий взрыва. В случае, если использование расчетных методов не представляется возможным, допускается определение значений критериев взрывопожарной опасности на основании результатов соответствующих научно-исследовательских работ, согласованных и утвержденных в установленном порядке.

Информационная подсистема обязательно должна содержать в себе БД с фактографической информацией о веществах и материалах, чтобы пользователю после объявления вещества или материала, находящегося в помещении (здании), не пришлось самостоятельно вводить его характеристики взрывопожароопасности.

Комплектование информационной базы в фактографических АИС включает обязательную структуризацию входной информации из документального источника. Структуризация осуществляется через определение экземпляров информационных объектов, в данном случае показателей пожаровзрывоопасности веществ и материалов, и заполнение их реквизитов. На рисунке 5 изображены уровни представления информации в АИС.

Внешний пользовательский уровень определяется локальными представлениями пользователей о своих информационных потребностях.

Эти представления выражаются на языке данной предметной области и находят отражение в совокупностях данных.

На основе анализа индивидуальных представлений и информационно-технологических потребностей пользователей формируется интегрированная информационно-логическая (инфологическая) схема предметной области.

На этом же концептуальном уровне представления данных строится логическая структура данных, которая в первую очередь предусматривает их разделение (независимость) от прикладных программ обработки.

Третий уровень представления данных в фактографических АИС выражается внутренней структурой БД, определяющей физическую схему организации данных на носителях вычислительных установок АИС. Способы задания и реализации физической структуры БД определяются форматом файлов данных, который поддерживается конкретной СУБД.

Под переменной информацией, используемой в САПР пожаровзрывобезопасности, понимают информацию, которая вводится непосредственно перед решением задачи. К ней относят, например, размеры исследуемого помещения (длина, высота, площадь, объем), количество веществ и материалов, находящихся в помещении, высоту пожарной нагрузки H.

Эта информация обрабатывается по заранее разработанному алгоритму. В зависимости от получаемых промежуточных результатов выполняются вычисления по тем или иным ветвям алгоритма. Таким образом, исходная информация одновременно является управляющей совместно с программой работы ЭВМ.

Информация должна быть достаточной для решения задачи и максимально понятной, не требующей предварительного ручного кодирования.

Информация задается в виде:

–      последовательности чисел (при этом, если в последовательности содержится качественно различная информация, ее вид определяется занимаемым ею в последовательности местом);

–      системы правил (грамматики, синтаксиса, семантики), на основе которых создается специальный язык [4].

Выбор той или иной формы задания исходной информации зависит от решаемой задачи, области и частоты ее применения, сложности алгоритма, времени для его реализации. Для решения задачи определения категории помещений (зданий, сооружений) в САПР пожарной безопасности технологическую информацию, имеющуюся в форме последовательности фактов (знаний) о предметной области, рекомендуется представлять в виде фактографической АИС. Для обработки переменной информации можно использовать алгоритм, представленный в ранее опубликованной статье [4], посвященной теме САПР пожарной безопасности.

Литература

1.     Корольченко А.Я., Корольченко Д.А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: Справочник. М.: Изд-во Пожнаука, 2004. 156 с.

2.     Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования: учеб. пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 336 с.

3.     Баранников Н.И., Сергеева М.А. Применение инновационных методов и технологий в САПР пожарной безопасности // Инновационный вестник региона. 2012. № 4. С. 16–21.

4.     Сергеева М.А., Баранников Н.И. Формы и методы представления технологической информации в САПР пожарной безопасности // Оптимизация и моделирование в автоматизированных системах: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: Изд-во ВГТУ. 2012. С. 15–18; Алгоритмизация определения категорий помещений по взрывопожарной и пожарной опасности в САПР установок автоматического пожаротушения. Там же. 2011. С. 82–85.

References

1.     Korolchenko A.Ya., Korolchenko D.A., Pozharovzryvo­opasnost veshchestv i materialov i sredstva ikh tusheniya [Fire-and-explosion hazard of substances and materials and suppressants], 2nd ed., Moscow, Pozhnauka Publ., 2004.

2.     Norenkov I.P., Osnovy avtomatizirovannogo proektiro­vaniya [The basics of automated design], study guide, 2nd ed., Moscow, Bauman MSTU Publ., 2002.

3.     Barannikov N.I., Sergeyeva M.A., Innovatsionny Vestnik Region [Innovative messenger region], 2012, no. 4, pp. 16–21.

4.     Sergeyeva M.A., Barannikov N.I., Optimizatsiya i mode­lirovanie v avtomatizirovannykh sistemakh: mezhvuz. sb. nauch. tr. [Optimization and Modeling in Automated Systems: the interacade­mic collected papers], Voronezh, VSTU Publ., 2012, pp. 15–18.

5.     Sergeyeva M.A., Barannikov N.I., Optimizatsiya i mode­lirovanie v avtomatizirovannykh sistemakh: mezhvuz. sb. nauch. tr. [Optimization and Modeling in Automated Systems: the interaca­demic collected papers], Voronezh, VSTU Publ., 2011, pp. 82–85.