Способ прогнозирования траектории струи огнетушащего вещества из пожарного лафетного ствола при воздействии на нее ветра на базе нейросетевой модели и математического моделирования Российский патент 2024 года по МПК A62C37/50 

Изобретение относится к области управления роботизированными пожарными лафетными стволами при ликвидации аварийных ситуаций и пожаров, а именно наведению струи огнетушащего вещества на цель: очаг пожара, охлаждаемое оборудование, резервуар или строительные конструкции, осаждаемые облака ядовитых или радиоактивных газов, паров и пылей.

Известны способы наведения струи огнетушащего вещества на цель, в которых используются системы технического зрения, включающие устройства распознавания струи и определения ее координат с программой цифровой обработки видеосигнала (см., например, патент RU 2433847 C1 «Роботизированный пожарный комплекс с системой технического зрения»).

Недостатком известных способов является сравнительно невысокая точность наведения струи в условиях сильного задымления, при котором распознавание и определение ее координат на основе видеосигнала затруднительно, а применение только расчетных данных по заданию баллистических параметров наведения струи имеет существенные ограничения, например, ветер может оказывать значительное влияние на ее траекторию, в частности, отклонение пятна контакта от полученного на основе расчетных моделей без учета возмущающей нагрузки может быть существенным.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ прогнозирования траектории струи огнетушащего средства из пожарного лафетного ствола при возмущающих воздействиях на основе математического моделирования. Известный способ (см. статью Пожаркова И.Н., Цариченко С.Г., Немчинов С.Г. Моделирование траектории струи огнетушащего средства из пожарного лафетного ствола при возмущающих воздействиях // Безопасность труда в промышленности. – 2022. – № 11. – C. 7-13) использует математическое моделирование на основе модели турбулентности и двухфазных потоков жидкость-газ для расчета траектории движения огнетушащего вещества при воздействии на нее ветра с учетом параметров ветровой нагрузки (скорость, направление ветра) и управляющих параметров (угол возвышения выходного патрубка пожарного лафетного ствола, рабочее давление, расход огнетушащего вещества).

Признак, являющийся общим с предлагаемым способом – использование математического моделирования на основе моделей турбулентности и двухфазных потоков жидкость-газ для прогнозирования траектории огнетушащего вещества при воздействии на нее ветра с учетом параметров ветровой нагрузки, таких как скорость, направление ветра, и управляющих параметров, таких как угол возвышения выходного патрубка пожарного лафетного ствола, рабочее давление, расход огнетушащего вещества.

Недостатки этого способа заключаются в низкой скорости проведения расчета траектории, в частности время моделирования движения огнетушащего вещества для фиксированного набора параметров составляет несколько часов, что не позволяет использовать его результаты для решения задачи наведения струи на цель из-за существенного запаздывания прогнозных данных, кроме того, в указанном способе не учитывается влияние угла распыливания струи, а также температуры огнетушащего вещества на траекторию струи, что может снижать точность прогноза, например, при ликвидации аварийных ситуаций и пожаров на открытых пространствах в арктических условиях.

В связи с указанными недостатками техническая задача, решаемая с помощью изобретения, заключается в создании способа прогнозирования траектории струи огнетушащего вещества из пожарного лафетного ствола при воздействии на нее ветра с учетом влияния температур окружающего воздуха, направлений и скоростей ветровой нагрузки, углов возвышения выходного патрубка пожарного лафетного ствола, углов распыливания струи, рабочих давлений, расхода и температур огнетушащего вещества в режиме реального времени, при котором время построения прогноза не превышает времени движения огнетушащего вещества от выходного патрубка пожарного лафетного ствола до цели путем изменения известного способа.

Технический результат, который может быть получен – построение в режиме реального времени прогноза траектории струи огнетушащего вещества из пожарного лафетного ствола при воздействии на нее ветра с учетом влияния температур окружающего воздуха, направлений и скоростей ветровой нагрузки, углов возвышения выходного патрубка пожарного лафетного ствола, углов распыливания струи, рабочих давлений, расхода и температур огнетушащего вещества.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе прогнозирования, использующем математическое моделирование на основе моделей турбулентности и двухфазных потоков жидкость-газ для расчета траектории движения огнетушащего вещества при воздействии на нее ветра с учетом параметров ветровой нагрузки, таких как скорость, направление ветра и управляющих параметров, таких как угол возвышения выходного патрубка пожарного лафетного ствола, рабочее давление, расход огнетушащего вещества, полученные результаты математического моделирования применяют для формирования выборок, основанных на параметрах диапазонов температур окружающего воздуха, направлений и скоростей ветровой нагрузки, углов возвышения выходного патрубка пожарного лафетного ствола, углов распыливания струи, рабочих давлений, расхода и температур огнетушащего вещества, для последующего обучения и верификации нейросетевой модели, на основе которой в режиме реального времени производят расчет прогноза траектории струи огнетушащего вещества при воздействии на нее ветра, при этом валидацию обученной нейросетевой модели осуществляют на основе не пересекающейся с обучающей выборки, построенной по результатам натурных испытаний на ограниченном наборе параметров ветровой нагрузки и управляющих параметров пожарного лафетного ствола, во время которых производится фото- и видеофиксация движения огнетушащего вещества, а время построения прогнозной траектории с использованием обученной нейросетевой модели не должно превышать времени движения огнетушащего вещества от выходного патрубка пожарного лафетного ствола до цели, соответствующего режиму реального времени.

Признаки предлагаемого способа, отличительные от признаков способа по прототипу: результаты математического моделирования применяют для формирования выборок, основанных на параметрах диапазонов температур окружающего воздуха, направлений и скоростей ветровой нагрузки, углов возвышения выходного патрубка пожарного лафетного ствола, углов распыливания струи, рабочих давлений, расхода и температур огнетушащего вещества, для последующего обучения и верификации нейросетевой модели; расчет прогноза траектории струи огнетушащего вещества при воздействии на нее ветра проводят на основе обученной нейросетевой модели; валидацию обученной нейросетевой модели осуществляют на основе не пересекающейся с обучающей выборки, построенной по результатам натурных испытаний на ограниченном наборе параметров ветровой нагрузки и управляющих параметров пожарного лафетного ствола, во время которых производится фото- и видеофиксация движения огнетушащего вещества; время построения прогнозной траектории с использованием обученной нейросетевой модели не должно превышать времени движения огнетушащего вещества от выходного патрубка пожарного лафетного ствола до цели, соответствующего режиму реального времени.

Использование математического моделирования позволяет получать исходные данные, необходимые для обучения и верификации нейросетевой модели с высокой точностью. Обученная таким образом прогнозная модель дает возможность производить расчет траектории струи огнетушащего вещества с учетом ветровой нагрузки за время, не превышающее времени его движения от выходного патрубка пожарного лафетного ствола до цели. Применение моделей теплопередачи, а также моделей зависимости физических параметров огнетушащего вещества и окружающего воздуха от температуры, позволяет учитывать влияние соответствующих процессов на движение огнетушащего вещества. Использование в качестве одного из исходных параметров угла распыливания струи дает возможность учитывать влияние данного фактора на траекторию ее движения.

Авторам не известны способы прогнозирования траектории струи огнетушащего вещества из пожарного лафетного ствола при воздействии на нее ветра с отличительными признаками в соответствии с заявляемыми техническими решениями.

Изобретение отвечает требованиям новизны и положительного эффекта, а также критерию «существенные отличия».

На фиг. 1 представлена функциональная диаграмма способа прогнозирования траектории струи огнетушащего вещества из пожарного лафетного ствола при воздействии на нее ветра в режиме реального времени, на фиг. 2 – функциональная диаграмма декомпозиции задачи построения модели прогнозирования огнетушащего вещества, на фиг. 3 – функциональная диаграмма декомпозиции задачи формирования исходных данных для машинного обучения, верификации и валидации модели прогнозирования траектории струи огнетушащего вещества, на фиг. 4 – результаты прогнозирования траектории движения огнетушащего вещества на основе предлагаемого способа и натурных испытаний для одинаковых значений параметров ветровой нагрузки и управляющих параметров.

Одной из основных задач управления пожарными роботами является наведение струи огнетушащего вещества на очаг пожара, охлаждаемый объект и т.д. Ее решение на открытых пространствах при определенных условиях существенно осложняется влиянием внешних факторов. В частности, воздействие ветра может приводить к изменению траектории струи и к ее распаду, а низкие температуры снижают высоту и дальность струи за счет изменения физических параметров окружающего воздуха и огнетушащего вещества, что в конечном итоге может вызвать значительное смещение пятна контакта. Ситуация осложняется еще и тем, что проведение натурных испытаний для получения эмпирических данных, описывающих поведение струи из ствола пожарного робота в широком спектре значений параметров внешних факторов, соответствующих различным сценариям их использования, крайне затруднительно. В статье (см. Пожаркова И.Н., Цариченко С.Г., Немчинов С.Г. Моделирование траектории струи огнетушащего средства из пожарного лафетного ствола при возмущающих воздействиях // Безопасность труда в промышленности. – 2022. – № 11. – C. 7-13) был предложен метод прогнозирования траектории струи огнетушащего вещества при ветровой нагрузке на основе высокоточного математического моделирования, а в статье (см. Пожаркова И.Н. Прогнозирование траектории струи огнетушащего вещества из пожарного лафетного ствола при возмущающих воздействиях // Актуальные проблемы обеспечения пожарной безопасности и защиты от чрезвычайных ситуаций: Материалы IV Всероссийской научно-практической конференции. – 2022. Железногорск: ФГБОУ ВО СПСА ГПС МЧС России. – C. 11-13) представлен опыт использования указанного метода с учетом влияния отрицательных температур. Основным недостатком данного подхода в контексте задачи управления пожарными роботами является его значительная вычислительная сложность, которая не позволяет использовать метод в режиме реального времени, при котором моделирование производится со скоростью протекания соответствующих процессов. Для решения этой проблемы в настоящее время используются различные подходы, в частности:

- Упрощение модели путем увеличения размера ячеек расчетных сеток см. Elfverson D., Lejon, C. 2021. Use and scalability of OpenFOAM for wind fields and pollution dispersion with building-and ground-resolving topography. Atmosphere, 12(9): 1124, что дает возможность существенно уменьшить время моделирования за счет снижения точности результатов расчета. Такой подход применительно к задаче прогнозирования траектории огнетушащего вещества малоэффективен, т.к. затруднительно обеспечить приемлемую погрешность и скорость прогноза, соответствующую режиму реального времени.

- Повышение скорости численного решения дифференциальных уравнений за счет уменьшения количества итераций на основе метода Арнольди, см. Masoumi-Verki S. et al. 2022. A review of advances towards efficient reduced-order models (ROM) for predicting urban airflow and pollutant dispersion. Building and Environment, 216: 108966. При этом, как правило, обеспечивается несущественное увеличение погрешности. Однако при решении задачи прогнозирования траектории огнетушащего вещества при возмущающих воздействиях данный подход не позволяет повысить быстродействие до режима реального времени.

- Сокращение времени моделирования за счет применения параллельных вычислений для решения уравнений, описывающих моделируемые процессы, см. Ye C.C. et al. 2022. Accelerating CFD simulation with high order finite difference method on curvilinear coordinates for modern GPU clusters. Advances in Aerodynamics, 4(1): 7, при сохранении высокой точности. Однако использование данного подхода применительно к пожарным роботам существенно ограничивается соответствующей элементной базой, которая не позволяет обеспечить приемлемую скорость расчета.

- Расчет с достаточно высокой точностью и скоростью отдельных характеристик потоковых процессов на основе машинного обучения, см. Zhao Y. et al. 2020. RANS turbulence model development using CFD-driven machine learning. Journal of Computational Physics, 411: 109413. Эффективность данного подхода для прогнозирования характерных точек (дальность по крайним каплям, высота), верхней и нижней границ струи огнетушащего вещества из пожарного лафетного ствола без учета возмущающих воздействий была продемонстрирована в статьях, см. Пожаркова И.Н. Применение методов машинного обучения для прогнозирования траектории струи огнетушащего вещества из лафетного ствола // Актуальные проблемы пожарной безопасности: материалы XXXV Международной научно-практической конференции. – 2023. М.: ВНИИПО МЧС России. – C. 334-341, и Пожаркова И.Н., Цариченко С.Г., Немчинов С.Г. Использование машинного обучения в задачах управления пожарными роботами // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. – 2023. – № 12. – С. 19-25. Для обучения соответствующих моделей используются экспериментально полученные данные. Такой подход применительно к задаче прогнозирования траектории огнетушащего вещества при возмущающих воздействиях слабо реализуем, т.к. обеспечить проведение натурных испытаний в широком диапазоне направлений и скоростей ветра, а также температур, крайне затруднительно. В этих статьях также было указано на возможность использования моделирования для получения необходимых для обучения данных.

Основу предлагаемого способа составляет обученная модель прогнозирования траектории струи из пожарного лафетного ствола. Соответствующая функциональная модель представлена на фиг. 1. Построение данной модели состоит из четырех основных этапов (фиг. 2): формирования исходных данных, машинного обучения, верификации и валидации модели.

Формирование исходных данных (фиг. 3) производится на основе сценариев использования пожарного робота, которые описываются совокупностью следующих параметров:

- диапазон температур окружающего воздуха;

- диапазон направлений и скоростей ветровой нагрузки;

- диапазон углов возвышения выходного патрубка ствола пожарного робота;

- диапазон углов распыливания струи;

- диапазон рабочих давлений, расхода и температур огнетушащего вещества.

С учетом указанных параметров производится выбор наборов сценариев для машинного обучения, верификации и валидации модели прогнозирования траектории струи огнетушащего вещества, исходя из следующих принципов:

- Наборы обучающих и верификационных сценариев не должны пересекаться, т.е. сценарии, которые используются для проверки адекватности построенной модели относительно результатов, полученных на основе математических методов (верификации), не участвуют в ее обучении.

- Наборы обучающих и валидационных сценариев также не должны пересекаться, т.е. сценарии, которые используются для проверки адекватности построенной модели относительно результатов, полученных на основе натурных испытаний (валидации), не участвуют в ее обучении.

- Границы диапазонов значений основных параметров набора для обучения должны соответствовать сценариям использования пожарного робота.

- Набор валидационных сценариев может формироваться и изменяться по результатам проведенных натурных испытаний, т.к. обеспечение точных значений основных физических параметров эксперимента не всегда реализуемо.

На базе сформированных наборов сценариев генерируются соответствующие выборки: обучающая и тестовая (верификационная) по результатам моделирования с использованием математических методов движения огнетушащего вещества, а также экспериментальная (валидационная) – по результатам натурных испытаний. Каждая такая выборка представляет собой множество траекторий струи из пожарного ствола при различных значениях основных физических параметров.

Результаты моделирования движения струи на основе сеточных математических методов представляют собой большой массив данных, состоящий из множества физических параметров (координаты, векторы скорости, плотность, объемная доля огнетушащего вещества и т.д.) в различных точках трехмерного пространства и моментах времени. Такой объем информации относительно решаемой задачи является избыточным, и прогнозирование соответствующего набора величин приведет к значительному усложнению модели. Поэтому в качестве траектории огнетушащего вещества в рамках предлагаемого способа используется множество лежащих на ее верхней границе точек трехмерного пространства в установившемся режиме, когда значения основных параметров в этих точках не испытывают значительных изменений. Формирование таких множеств по результатам моделирования обучающих и верификационных сценариев производится путем соответствующей свертки (Блок «Обработка результатов моделирования» на фиг. 3).

Построение верхней границы траектории по результатам натурных испытаний производится на основе фото- и видеофиксации движения огнетушащего вещества. Для решения данной задачи используется подсветка прожекторами струи в темное время суток с разных сторон с целью получения значительного перепада яркостей на границах струи и окружающего пространства и облегчения ее последующей идентификации, предварительная обработка (фильтрация) полученных в различных плоскостях изображений, в т.ч. и коррекция перспективных искажений, привязка к координатной сетке, сглаживание и т.д.

Согласно схеме, представленной на фиг. 2, на основе полученной обучающей выборки производится машинное обучение модели прогнозирования. В рамках предлагаемого способа для этой цели применяется многослойный персептрон с использованием метода обратного распространения ошибки.

Верификация обученной модели заключается в оценке качества прогнозирования на основе сравнения с траекториями, полученными по результатам моделирования с использованием математических методов при соответствующих сценариях (верификационная выборка). Валидация производится аналогичным образом, но при этом используются результаты натурных испытаний (валидационная выборка). В случае получения неудовлетворительных показателей качества (в частности, значений абсолютных среднеквадратических ошибок) выполняется повторное машинное обучение модели с другими настроечными параметрами.

Для оценки эффективности предложенного способа была обучена на ограниченном наборе сценариев модель прогнозирования траектории струи воды из пожарного лафетного ствола ЛС-С40У. Для валидации и верификации использовался сценарий, значения основных параметров которого представлены ниже:

- Направление ветра вдоль оси, перпендикулярной направлению ствола;

- Скорость ветра: 5 м/с;

- Температура воздуха: -3°С.

- Угол возвышения выходного патрубка: 30°.

- Угол распыливания струи: 0° (сплошная струя).

- Рабочее давление: 600 кПа.

- Расход огнетушащего вещества (воды): 40 л/с.

Данный сценарий не был включен в обучающую выборку. На фиг. 4 представлены верхние границы траектории движения огнетушащего вещества из пожарного ствола, полученные на основе предлагаемого способа и по результатам натурного эксперимента. Отклонение прогнозной траектории от экспериментальной незначительно, что соответствует высокой точности. При этом время построения прогноза на несколько порядков меньше времени движения огнетушащего вещества от выходного патрубка до конечной точки траектории, что соответствует режиму реального времени.

Предлагаемый способ прогнозирования траектории струи огнетушащего вещества из лафетного ствола при воздействии на нее ветра обеспечивает решение поставленной задачи с высокой скоростью и точностью за счет:

- использования методов высокоточного математического моделирования на основе моделей турбулентности, двухфазных потоков жидкость-газ, теплопередачи, а также эмпирических моделей зависимости физических параметров огнетушащего вещества и окружающего воздуха от температуры для построения обучающей и верификационной выборки;

- использования методов машинного обучения для построения нейросетевой модели, которая позволяет выполнять расчет траектории струи огнетушащего вещества за время, не превышающее времени его движения от выходного патрубка пожарного лафетного ствола до цели.

Предлагаемый способ позволит:

- осуществлять наведение струи на заданную цель в условиях плохой видимости, в частности при сильном задымлении, когда системы технического зрения для распознавания и определения траектории огнетушащего вещества неэффективны, на открытых пространствах при ветровой нагрузке и низких температурах;

- предотвратить развитие аварийных и пожароопасных ситуаций и сократить затраты на ликвидацию их последствий;

- уменьшить риски и время действия поражающих факторов на личный состав аварийно-спасательных служб.

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в обеспечении построения в режиме реального времени прогноза траектории струи огнетушащего вещества из пожарного лафетного ствола при воздействии на нее параметров окружающей среды. Способ определения траектории струи огнетушащего вещества из пожарного лафетного ствола при воздействии на нее ветра с использованием нейросетевой модели использует моделирование для расчета траектории движения огнетушащего вещества при воздействии на нее ветра с учетом параметров ветровой нагрузки и управляющих параметров, причем результаты моделирования применяют для формирования выборок для последующего обучения и верификации нейросетевой модели, на основе которой производят расчет прогноза траектории струи огнетушащего вещества при воздействии на нее ветра, при этом валидацию обученной нейросетевой модели осуществляют на основе выборки, построенной по результатам натурных испытаний на ограниченном наборе параметров ветровой нагрузки и управляющих параметров, а время построения прогнозной траектории с использованием обученной нейросетевой модели не должно превышать времени движения огнетушащего вещества от выходного патрубка ствола до цели, соответствующего режиму реального времени. 4 ил.

Способ определения траектории струи огнетушащего вещества из пожарного лафетного ствола при воздействии на нее ветра с использованием нейросетевой модели, использующий математическое моделирование на основе моделей турбулентности и двухфазных потоков жидкость-газ для расчета траектории движения огнетушащего вещества при воздействии на нее ветра с учетом параметров ветровой нагрузки, таких как скорость, направление ветра и управляющих параметров, таких как угол возвышения выходного патрубка пожарного лафетного ствола, рабочее давление, расход огнетушащего вещества, отличающийся тем, что результаты математического моделирования применяют для формирования выборок, основанных на параметрах диапазонов температур окружающего воздуха, направлений и скоростей ветровой нагрузки, углов возвышения выходного патрубка пожарного лафетного ствола, углов распыливания струи, рабочих давлений, расхода и температур огнетушащего вещества, для последующего обучения и верификации нейросетевой модели, на основе которой в режиме реального времени производят расчет прогноза траектории струи огнетушащего вещества при воздействии на нее ветра, при этом валидацию обученной нейросетевой модели осуществляют на основе не пересекающейся с обучающей выборки, построенной по результатам натурных испытаний на ограниченном наборе параметров ветровой нагрузки и управляющих параметров пожарного лафетного ствола, во время которых производится фото- и видеофиксация движения огнетушащего вещества, а время построения прогнозной траектории с использованием обученной нейросетевой модели не должно превышать времени движения огнетушащего вещества от выходного патрубка пожарного лафетного ствола до цели, соответствующего режиму реального времени.