Hasenie poziaru na australskej pevnine

From Simulace.info
Jump to: navigation, search

Táto stránka bola vypracovaná za účelom popisu simulácie hasenia požiarov na austrálskej pevnine

Názov simulácie: Hasenie požiarov na austrálskej pevnine

Predmet: 4IT495 Simulace systémů

Semester: LS 2023/2024

Autor: Matúš Ravas, ravm01

Modelovací nástroj: NetLogo


Definícia problému

Lesné požiare predstavujú významnú environmentálnu, ekonomickú a sociálnu hrozbu na celom svete. V posledných rokoch sme svedkami narastajúceho počtu a intenzity lesných požiarov, čo vedie k rozsiahlym škodám na prírode, majetku a životoch ľudí. V Austrálii, kde je táto simulácia situovaná, sú lesné požiare obzvlášť časté a devastujúce. Táto simulácia je vytvorená na tzv. grassfire požiaroch.

Napríklad počas rokov 2019-2020 bolo zaznamenaných viac než 11 264 grassfire požiarov, pri ktorých zhorelo viac ako 5,4 milióna hektárov pôdy, zničilo 2 439 domov a použilo viac ako 24 miliónov litrov fire retardantu.[1]

Cieľ

Hlavným cieľom simulácie hasenia požiarov je optimalizovať stratégie a zdroje používané na boj proti požiarom. Konkrétne sa zameriava na:

• Analýzu účinnosti rôznych hasiacich techník a materiálov (voda vs. retardéry).

• Zistenie, ktorá kombinácia techník a stratégií je najefektívnejšia pri obmedzovaní šírenia požiaru.

• Identifikáciu kritických faktorov, ktoré ovplyvňujú šírenie požiaru a účinnosť hasenia - t.j. hlavne počasie - rýchlosť vetra a relatívna vlhkosť vzduchu.

Metóda

Simulácia využíva agentný model v prostredí NetLogo, ktorý je vhodný na modelovanie situácií, kde sú jednotlivé entity (agenti) schopné interagovať medzi sebou a s prostredím.

V tomto modeli sú agenty reprezentované:

• Patches (časti povrchu), ktoré môžu byť v stave "horí" alebo "nehorí".

• Turtles (lietadlá), ktoré môžu byť typu "water" (vodné) alebo "retardant" (s retardérom).


Kľúčové faktory zahrnuté v simulácii:

• Rýchlosť šírenia požiaru je ovplyvnená relatívnou vlhkosťou a rýchlosťou vetra.

• Intenzita dažďa (light vs. heavy) ovplyvňuje pravdepodobnosť uhasiť alebo rozšíriť oheň.

• Reakčný čas hasičov určuje, kedy začnú lietadlá zasahovať.

Obmedzenia simulácie

Aj keď táto simulácia poskytuje zaujímavé informácie a umožňuje analyzovať rôzne scenáre hasenia požiarov, má niekoľko obmedzení:

• Zjednodušenie reálneho sveta: Simulácia nemôže úplne reprezentovať komplexnosť a dynamiku skutočných grassfire požiarov. Mnohé ďalšie faktory, ako sú topografia, typ vegetácie, vlhkosť pôdy a ďalšie meteorologické podmienky, nie sú zahrnuté.

• Obmedzené interakcie: Interakcie medzi agentmi (lietadlami) a prostredím sú zjednodušené. Skutočné hasenie požiarov zahŕňa koordináciu viacerých tímov a zdrojov, čo je v simulácii ťažké modelovať.

• Náhodné prvky: Simulácia obsahuje náhodné prvky (napr. pravdepodobnosť uhasiť oheň dažďom), čo môže viesť k variabilným výsledkom. Aj keď to umožňuje simulovať rôzne scenáre, nemusí vždy presne reflektovať reálnu situáciu.

• Časová škála: Simulácia modeluje udalosti v priebehu 7 týdňa(168 hodín), čo nemusí byť dostatočné na zachytenie dlhodobých efektov a zmien, ktoré môžu nastať počas týždňov alebo mesiacov.

Model

Simulácia hasenia požiarov v NetLogo je agentný model, ktorý simuluje dynamiku šírenia lesného požiaru a účinnosť rôznych hasiacich stratégií. Model zahŕňa interakcie medzi agentmi (lietadlami), patchami (plochami) a environmentálnymi faktormi, ako sú vlhkosť, rýchlosť vetra a intenzita dažďa. Simulácia je vytvorená na obdobie 168 hodín (7 dní) - každý tick v simulácii reprezentuje jednu hodinu. Prostredi-pozar.png Obrázok 1 - používateľské prostredie simulácie

Hlavné globálne premenné:

• total-water-supply: Celková zásoba vody dostupná pre hasenie. (v litroch)

• total-retardant-supply: Celková zásoba retardérov dostupná pre hasenie. (v litroch)

• fire-spread-rate: Rýchlosť šírenia požiaru. (manuálna hodnota, ktorú je možné nastaviť)

• fire-intensity: Intenzita požiaru.

• response-time: Doba reakcie hasičov, po ktorej začnú lietadlá zasahovať.

• current-humidity: Aktuálna vlhkosť vzduchu.

• current-rainfall: Aktuálna intenzita dažďa. Môže nadobúdať hodnoty none, light a heavy.

• wind-speed: Rýchlosť vetra.

• hours-passed: Počet uplynulých hodín od začiatku simulácie.

• fire-coverage: Percento oblasti pokrytej ohňom.


V samotnom používateľskom prostredí sa nachádza plocha, ktorá reprezentuje samotnú oblasť, na ktorej sa nachádza požiar. Môže nadobudnúť tieto stavy (farby):

• zelená: predstavuje trávu, ktorá nie je postihnutá požiarom

• červená: aktívny alebo už prebehnutý požiar

Každý tick predstavuje jednu hodinu v samotnej simulácii. Celkovo je v simulácii maximálne 168 tickov, t.j. 168 hodín, čo predstavuje 1 týždeň. Kliknutie na tlačidlo "go" predstavuje posunutie sa o jednu hodinu v celej simulácii, pričom tlačidlo "Start simulation" predstavuje celých 168 hodín simulácie. Lietadlá sa na simulácii objavia až po uplynutí reakčného času, rovnako zmiznú aj vtedy, keď vyčerpajú zásoby hasiacej kvapaliny.


Dáta - premenné a ich vlastnosti

1. Rýchlosť šírenia požiaru (fire-spread-rate)

Relatívna vlhkosť (current-humidity): Nižšia vlhkosť zvyšuje rýchlosť šírenia požiaru. Napríklad pri 10% relatívnej vlhkosti je rýchlosť šírenia približne 1.266 m/s, zatiaľ čo pri 100 % vlhkosti je to približne 1.0173 m/s.[2]

Rýchlosť vetra (wind-speed): Vyššia rýchlosť vetra zvyšuje rýchlosť šírenia požiaru. Všeobecne platí, že za každých 10 km/h pridaných v rýchlosti vetra sa zrýchli šírenie požiaru o 10 %.[3] Pri rýchlosti vetra nad 40 km/h a vlhkosti pod 20% môže požiar narásť na viac ako 100 km² za deň.[4]

Intenzita požiaru (fire-intensity): Vyššia intenzita požiaru vedie k rýchlejšiemu šíreniu ohňa.


2. Aplikácia vody a retardérov

Voda (apply-water): Lietadlá s vodou aplikujú vodu na horúce patchy. Každé lietadlo má kapacitu 45 000 litrov a môže pokryť oblasť približne 1600*90 m² (približne 3 patchy). Efektívnosť hasenia vodou sa pohybuje medzi 50% až 60%.[5]

Retardéry (apply-retardant): Lietadlá s retardérmi aplikujú retardéry na horúce patchy. Každé lietadlo má kapacitu 72 000 litrov a môže pokryť oblasť približne 2200*120 m² (približne 4 patchy). Efektívnosť retardérov je približne 63.3%.[6]


3. Účinky dažďa (adjust-for-rainfall)

Light Rain: Zvýšenie plochy požiaru o 1.8%. Každý tick má 1.8% šancu zapáliť nehoriace patchy.

Heavy Rain: Zníženie plochy požiaru o 6.1%. Každý tick má 6.1% šancu uhasiť horiace patchy.

Inenzívny dážď dokáže znížiť horiacu plochu o 6,1 %. pričom jemný dážď má schopnosť zvýšiť horiacu oblasť o 1,8 %.[7]


4. Reakčný čas (response-time)

response-time určuje počet hodín od začiatku simulácie, kedy začnú lietadlá zasahovať. Táto premenná sa nastavuje manuálne - dokážame pomocou nej určiť, ako dlho trvá, než začne hasenie požiaru.


Pre účely hasenia vodou(water-airplanes) sa používa model lietadla DC 10 Air Tanker, ktorý má kapacitu až 45000 litrov a za hodinu dokáže pokryť oblasť o rozlohe cca. 1600*90m.[8]

Pre hasenie retardantom sa používa Boeing 747 Supertanker, ktorý naraz dokáže uniesť až 72000 litrov a za hodinu teda cca pokryť rozlohu priližne 2200*120 metrov.[9]

Výsledky

Nakoľko je v simulácii množstvo premenných, ktoré môžu zmeniť samotný výsledok, existuje aj veľa rôznych scenárov, ako samotná simulácia môže skončiť. Uvádzam teda 3 rôzne príklady nastavenia simulácie.

Scenár 1 Simulacia 1.png

V tejto simulácii bol zvolený dostatočný počet lietadiel, krátky reakčný čas - 4 hodiny + itenzívny dážď, 30 % vlhkosť vzduchu a 5 m/s vietor. Požiar sa podarilo uhasiť.

Scenár 2 Simulacia 2.png V tomto scenári sme zvýšili rýchlosť vetra z 5 na 15 m/s. V tomto prípade nebolo hasenie úspešné, zásoby vody a retardantu neboli dostatočné. Na ploche sú vidieť jednotlivé malé zelené plochy - to je spôsobené tým, že je intenzívny dážď.

Scenár 3 Simulacia 3-2.png V tomto prípade sme zvýšili reakčný čas na 7 hodín, zvýšili rýchlosť vetra a znížili relatívnu vlhkosť. Dážď v tento simulácii nehrá rolu. Požiar sa nepodarilo uhasiť - na grafe zobrazujúce pokrytie plochy ohňom je vidno strmý pád, kedy sa začali aplikovať hasiace prostriedky, ich zásoba ale nestačila.


Záver

Táto simulácia hasenia požiarov v NetLogo poskytuje náhľad na dynamiku šírenia grassfire požiarov a účinnosť rôznych hasiacich stratégií. Model umožňuje analyzovať vplyv kľúčových faktorov, ako sú relatívna vlhkosť, rýchlosť vetra a intenzita dažďa, na rýchlosť a rozsah šírenia požiaru. Okrem toho simulácia umožňuje hodnotiť efektívnosť použitia vody a retardérov pri hasení požiarov.

Jedným z najdôležitejších zistení z tejto simulácie je, že reakčná doba hasičov má zásadný dopad na rozsah a šírenie požiaru. Rýchly zásah hasičských lietadiel môže významne znížiť rozsah poškodenia, zatiaľ čo oneskorená reakcia umožňuje požiarom rýchlejšie sa šíriť a spôsobiť väčšie škody. Táto skutočnosť podčiarkuje dôležitosť efektívneho plánovania a rýchlej mobilizácie hasičských tímov v prípade vypuknutia požiaru. Použitie retardérov je efektívnejšie v porovnaní s vodou v niektorých situáciách, avšak aj voda má svoje nezastupiteľné miesto v hasiacich stratégiách. Rýchlosť vetra a relatívna vlhkosť sú kritické faktory, ktoré ovplyvňujú rýchlosť šírenia požiaru. Vyššia rýchlosť vetra a nižšia vlhkosť zvyšujú rýchlosť šírenia požiaru, čo zvyšuje nároky na rýchly a efektívny zásah hasičov.

Kód modelu

File:Haseni.nlogo

Referencie

  1. ↑ Mao, F. (2020, February 14). Australia weather: How much rain did it take to put out NSW fires?. BBC News. https://www.bbc.com/news/world-australia-51498193
  2. ↑ Moinuddin, K., Khan, N., & Sutherland, D. (2020, April 6). VU Research Repository. VU Research Repository | Victoria University | Melbourne Australia. https://vuir.vu.edu.au/42206/
  3. ↑ Cruz, M.G., Alexander, M.E. The 10% wind speed rule of thumb for estimating a wildfire’s forward rate of spread in forests and shrublands. Annals of Forest Science 76, 44 (2019) https://doi.org/10.1007/s13595-019-0829-8
  4. ↑ Cruz, Miguel G., Martin E. Alexander and Musa Kilinc. “Wildfire Rates of Spread in Grasslands under Critical Burning Conditions.” Fire (2022) https://www.mdpi.com/2571-6255/5/2/55
  5. ↑ E.G., Knapp, E.E., Brooks, W.R. et al. Forest thinning and prescribed burning treatments reduce wildfire severity and buffer the impacts of severe fire weather. fire ecol 20, 17 (2024)." https://doi.org/10.1186/s42408-023-00241-z
  6. ↑ Àgueda Costafreda, Alba. "Effects of Long-Term Forest Fire Retardants on Fire Intensity, Heat of Combustion of the Fuel, and Flame Emissivity." Dissertation, Universitat Politècnica de Catalunya, 2009" https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2117/94162/AAC1de1.pdf
  7. ↑ Àgueda Costafreda, Alba. "Jacob J. LaCroix, Soung-Ryoul Ryu, Daolan Zheng, Jiquan Chen, Simulating Fire Spread with Landscape Management Scenarios, Forest Science, Volume 52, Issue 5, October 2006, Pages 522–529, https://doi.org/10.1093/forestscience/52.5.522
  8. ↑ Haygood, J. (2022, August 30). The DC 10 Air Tanker: Your Ultimate guide. SkyTough. https://www.skytough.com/post/dc-10-air-tanker
  9. ↑ Gabbert, B. (2017, July 17). National media covers the lack of federal contract for 747 Supertanker. Fire Aviation. https://fireaviation.com/2017/07/17/national-media-covers-the-lack-of-federal-contract-for-747-supertanker/
Retrieved from "http://www.simulace.info/index.php?title=Hasenie_poziaru_na_australskej_pevnine&oldid=25860"