Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Маликов Илья Андреевич
трансформация и анализ информации по исследованию пожароопасных свойств древесных материалов
и закономерностей их горения в присутствии горючих жидкостей
05.13.01 - системный анализ, управление и обработка информации
(промышленность)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург - 2012 г.
Работа выполнена в Санкт-Петербургском университете
Государственной противопожарной службы МЧС России
Научный руководитель | Кольцова Ольга Николаевна кандидат технических наук, доцент, Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы доцент кафедры Криминалистики и инженерно-технических экспертиз | |
Официальные оппоненты: | Иванов Александр Юрьевич, доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы, профессор кафедры Прикладной математики и информационных технологий; Козленко Роман Николаевич, кандидат технических наук, доцент, Главное управления МЧС России по Ленинградской области - заместитель начальника управления надзорной деятельности. | |
Ведущая организация | Санкт-Петербургский государственный |
Защита состоится 30 мая 2012 г. в 14.00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 205.003.04 при Санкт-Петербургском университете ГПС МЧС России (196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, дом 149).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России (196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, дом 149).
Автореферат разослан л___ апреля 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 205.003.04 С.В. Шарапов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования.
Пожары промышленных объектов часто носят крупномасштабный характер и могут приводить к массовой гибели людей. Распространенной причиной пожара является его умышленный поджог. Поджоги остаются в последние годы единственной причиной пожара, по которой наблюдается неуклонный рост их числа.
Установление поджога, как причины пожара, является одним из самых сложных вопросов, решаемых при техническом обеспечении расследования пожаров. Для этого требуется квалифицированный осмотр места происшествия с участием пожарно-технических специалистов, использование юридических и специальных знаний в области противопожарной техники и безопасности, пожарно-технической экспертизы, грамотное применение современной криминалистической техники. Такой комплексный и системный подход всех служб, в том числе и оперативных, принят сейчас во всех ведущих экономически развитых странах мира.
Актуальность данной диссертационной работы определяется тем, что проблема расследования поджогов промышленных объектов самого различного назначения, до сегодняшнего дня решена еще далеко не полностью. Обнаружение на месте пожара следов горючих жидкостей является одним из главных, хотя, разумеется, не единственным квалификационным признаком умышленной причины возникновения пожара. Современное технико-методическое обеспечение расследования поджогов часто выдвигает указанный признак на первый план, а сочетание данного условия со множественностью первичных очагов пожара, быстрой динамикой развития пожара и выявлением в ряде случаев устройств и приспособлений для поджога позволяет считать поджог достоверной причиной пожара.
При установлении причин пожаров необходимо уметь отслеживать наличие в объектах наряду с большими визуально фиксируемыми количествами горючих жидкостей, также и их следовые количества. Последняя задача принципиально сложнее и имеющиеся методы ее разрешения дают подчас неоднозначные результаты. Малые содержания горючих жидкостей неизбежно подразумевают их целостность с системой объекта носителя, что делает неприемлемым применение для их изучения частных методик исследования выявляемых на пожаре объемных количеств горючих жидкостей. Это определяется, во-первых, крайней ограниченностью исследуемого материала, во вторых, мешающим влиянием на результаты анализа органических компонентов объектов носителей, общая масса которых при этом становится соизмерима с количеством инородных горючих жидкостей.
В связи со сказанным приобретает важное значение изучение состава и свойств строительных материалов органической природы, которых, как правило, в зданиях и сооружениях имеется большое число и разнообразие. Большое значение среди них имеют древесина и древесные композиционные материалы. Появление в последние годы большого ассортимента новых строительных и отделочных материалов существенно усложняет решение данной задачи.
В ее решении важнейшим и центральным звеном является выявление устойчивых характеристик равновесного состояния систем, или как принято говорить их фоновых параметров. Без наличия знаний о фоновых характеристиках изучаемых объектов, в частности, о составе и свойствах входящих в них органических соединений невозможно зафиксировать отклонение систем от нормы. Такие отклонения могут носить двоякий характер. С одной стороны, изменения состава органических компонентов могут быть закономерно связаны со степенью термического воздействия на тот или иной материал на пожаре. Выявленные при этом показатели можно использовать в качестве очаговых признаков пожара, то есть зон с большей или меньшей степенью термического преобразования материалов на пожаре. С другой стороны, наличие занесенных извне горючих жидкостей приходится фиксировать на фоне потенциально мешающего влияния органических компонентов объектов носителей, которые экстрагируются совместно с ними.
Несмотря на относительно большое число отдельных методических разработок, посвященных изучению остатков веществ, которые могут быть использованы в качестве инициаторов горения, до сих пор при проведении пожарно-технических экспертиз далеко не все диагностические и идентификационные задачи успешно разрешаются.
Методические сложности при анализе следов ЛВЖ и ГЖ помимо малых количеств анализируемых веществ, дополнительно обусловлены теми изменениями, которые претерпевают горючие жидкости под влиянием разрушительного теплового воздействия пожара.
Однако мощный прогресс аналитического приборостроения и внедрение в эту область современных компьютерных технологий дают возможность решать задачи по установлению причин пожаров на качественно новом уровне.
Тема диссертации поставлена в соответствии с планом научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре исследования и экспертизы пожаров Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России по техническому обеспечению расследования и экспертизы пожаров и поджогов.
Целью диссертационной работы является совершенствование методов исследования свойств строительных материалов и закономерностей их горения в присутствии горючих жидкостей.
Объекты исследования - строительные и отделочные материалы органической природы, составляющие конструктивные элементы зданий и сооружений и предметов интерьера, легковоспламеняющиеся и горючие жидкости, использующиеся в качестве инициаторов горения при поджогах
Предмет исследования - свойства строительных и отделочных материалов и свойства горючих жидкостей, изменяющиеся в процессе горения под воздействием горючих жидкостей.
В задачи исследования входило.
- Разработать методику выявления очаговых признаков пожара на основе исследования люминесцентных свойств строительных и отделочных материалов.
- Разработать методику экспрессной количественной оценки содержания инородных горючих жидкостей в пористых материалах.
- Провести качественную диагностику после пожара остатков горючих жидкостей в объеме строительных и отделочных материалов различной природы.
- Разработать методику кластерного анализа статистических данных об остатках горючих жидкостей в строительных и отделочных материалах
Методы исследования. Лабораторное моделирование, молекулярная люминесценция, методы математической статистики, в частности методы кластерного анализа.
Научная новизна.
- Предложена методика выявления очаговых признаков пожара, основанная на особенностях люминесцентных свойств органических компонентов строительных материалов, меняющихся в результате термического воздействия пожара.
- Установлены аналитические параметры экспрессной количественной оценки содержания инородных горючих жидкостей в пористых строительных и отделочных материалах.
- Показана возможность диагностики следовых количеств горючих жидкостей в объеме строительных и отделочных материалов различной природы, подвергнутых тепловому воздействию пожара.
- Представлена методика кластерного анализа статистических данных об остатках горючих жидкостей в строительных и отделочных материалах, позволяющая на основании имеющихся экспериментальных данных спектрального устанавливать принадлежность к наличию инородных жидкостей в материалах.
Практическая значимость работы.
Внедрение методов выявления очаговых признаков на основе особенностей поведения на пожаре органических компонентов строительных и отделочных материалов и методики диагностики следов горючих жидкостей, обнаруживаемых на материалах, составляющих пожарную нагрузку зданий и сооружений, повышает качество и эффективность расследовании пожаров.
Результаты работы используются в экспертных органах МЧС России для повышения эффективности и достоверности проведения судебных экспертиз по делам о пожарах.
Основные положения работы используются в учебном процессе Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России при проведении занятий по дисциплинам Расследование пожаров, Пожарно-техническая экспертиза.
Достоверность научных положений и выводов диссертации, подтверждается данными экспериментальных исследований по изучению горючих жидкостей; продуктов их термического преобразования; органических компонентов материальных объектов пожарной нагрузки зданий и сооружений в их исходном виде и после термического воздействия, а также использованием современных методов математической статистики.
На защиту выносятся следующие основные научные результаты:
- Методика выявления очаговых признаков пожара, основанная на особенностях люминесцентных свойств органических компонентов строительных материалов, меняющихся в результате термического воздействия пожара.
- Способ количественной оценки содержания инородных горючих жидкостей в пористых строительных и отделочных материалах.
- Диагностика следовых количеств горючих жидкостей в объеме строительных и отделочных материалов различной природы, подвергнутых тепловому воздействию пожара.
- Методика кластерного анализа статистических данных об остатках горючих жидкостей в строительных и отделочных материалах.
Апробация работы. Основные научные результаты исследования докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры криминалистики и инженерно-технических экспертиз Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России, на научно-практических конференциях:
Реализация и внедрение результатов работы.
Результаты диссертации внедрены в деятельность ГУ МЧС России по Санкт-Петербургу и в учебный процесс кафедры криминалистики и инженерно-технических экспертиз Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России.
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 5 печатных статей, в том числе 1 - в журналах, рекомендуемых ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка литературы (117 наименований). Общий объем работы составляет 151 страница печатного текста, содержит 33 рисунка, 14 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении изложены актуальность темы исследования, сформулированы цель и основные задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе дана характеристика и рассмотрены методы исследования древесных материалов и конструкций в экспертизе пожаров. В частности если рассматривать ассортимент современных древесных композиционных материалов, то в последнее время он существенно видоизменился, как за счет появления новых, так и за счет изменения соотношения в количествах отдельных видов используемых материалов. Многие из современных материалов поставляются непосредственно зарубежными производителями под торговыми наименованиями. Из-за отсутствия данных об их составе, в частности о содержании органических компонентов, многие их свойства приходится устанавливать только методами прямых испытаний.
Процессы, происходящие с горючими строительными материалами во время пожара, сводятся не только к изменению физических свойств, формы, размеров, структуры, но и к коренному преобразованию химического состава и строения, частичному выгоранию, выделению горючих летучих и жидких продуктов вплоть до полного уничтожения. Тем не менее, сохранившиеся остатки древесных материалов являются очень важным объектом пожарно-технической экспертизы. Методы их исследования тщательно разработаны и являются важнейшим источником информации при поисках очага пожара.
В частности для выявления очаговых признаков пожара используют исследование элементного состава, термический анализ, инфракрасную спектроскопию. Для изучения древесины и других органических материалов, дающих твердый карбонизованный остаток при горении, хорошо зарекомендовал себя метод, основанный на замерах электросопротивления, дающий информацию начиная с температур 250-300 оС. Метод ИК-спектроскопии твердых образцов позволяет получать значимую информацию, начиная с температур прогрева около 300 оС. Он используется в основном для анализа остатков различных видов лакокрасочных покрытий и ряда полимерных материалов.
Многообразие используемых поджигателями горючих жидкостей, сложность их составов, содержащих многокомпонентные смеси различных химических соединений, различие в исходном сырье, неоднозначные изменения, происходящие с ними на пожаре, делают их одними из самых сложных объектов экспертных исследований. Исследования, проведенные в последние годы, и экспертная практика показали, что успешная диагностика жидкостей, использованных для поджога, возможна по схеме, состоящей из нескольких этапов, с применением комплекса инструментальных методов, среди которых в первую очередь применяются газожидкостная хроматография, инфракрасная и люминесцнтная спектроскопии. Данная схема не является простым набором перечисленных методов, а построена по принципу возрастания трудоемкости и информативности познавательных методов на каждом последующем этапе исследования. Имеющиеся на месте пожара образцы, предположительно содержащие остатки и следы инициаторов горения, часто находятся в количестве и виде просто не пригодном для детального анализа, поэтому методы, применяющиеся для их анализа должны иметь, помимо прочего, очень низкий предел обнаружения.
Особое место в комплексной схеме исследования следов горючих жидкостей является чувствительный, экспрессный, относительно простой метод молекулярной люминесценции, не требующий к тому же концентрирования экстракта и не уничтожающий пробу. По данным люминесцентной спектроскопии поддаются групповой диагностике неизмененные автомобильные топлива (автомобильные бензины, в особенности высокооктановые; дизельные топлива), продукты их частичного выгорания, асфальтово-смолистые компоненты, легкокипящие компоненты нефтепродуктов и составных растворителей.
Методом молекулярной люминесценции уверенно устанавливается наличие и тип горючей жидкости на древесных материалах. Часто, однако, спектры люминесценции экстрактов исходных древесных материалов имеют сложный характер, в некоторых случаях схожий со спектрами нефтепродуктов.
Сохранность автомобильных бензинов на различных объектах носителях и связанная с этим возможность их обнаружения неодинакова и связана, по-видимому, с пористостью материала. В частности, наибольшая сохранность бензинов выявляется на образцах древесноволокнистых и древесностружечных плит, наименьшая - на плотной древесине.
Во второй главе выявлены очаговые признаки пожара на основе изучения экстрактивных органических компонентов древесных материалов и конструкций. В работе, с целью выявления очаговых признаков пожара изучены спектральные характеристики экстрактов органических соединений (ЭОС) древесины и древесных композиционных материалов, составляющих пожарную нагрузку в зданиях и сооружениях, в транспортных средствах. Экстракты исследовались методом молекулярной люминесценции по методической схеме, представленной на рисунке 1. Обработка информации велась с использованием современного пакета прикладных программ.
Качественные и количественные изменения в составе экстрагируемых органических соединений по мере увеличения степени прогрева образца позволяют изучать свойства и особенности поведения древесных материалов на пожаре. Установлено, что заметные фиксируемые изменения в спектральных характеристиках экстрактов изученных материалов начинают происходить уже на стадии прогрева до 100оС.
Рисунока1аЦаСистема экспертного исследования свойств древесных материалов и конструкций при поиске очага пожара и установлении умышленной причины возникновения пожара.
В частности, наиболее распространенный основной максимум в спектрах люминесценции у изученных образцов наблюдается в диапазоне длин волн 350380 нм, и незначительно сдвигается от этого значения по мере прогрева образцов. Изменения, наблюдающиеся в характере флуоресценции, касаются количественной характеристики - относительной интенсивности флуоресценции. Такие изменения зафиксированы в экстрактах древесно-стружечных и древесноволокнистых плит, сосновой древесины. Это позволяет использовать данные материалы для их сравнительного изучения при установлении признаков направленности термического воздействия и ориентировочной температуры прогрева (рисунок 2).
Рисунок 2 - Спектры люминесценции экстрактов образцов древесно-стружечных плит, прогретых при разных температурах.
С другой стороны, в экстрактах фанеры выявляются ярко выраженные качественные изменения люминесцентных характеристик.
Эти качественные изменения в характере флуоресценции могут служить очень важными показателями степени термического преобразования конкретных материалов и являться надежными очаговыми признаками (рисунок 3).
В целом температурный диапазон получения информации о поведении повсеместно распространенных древесных материалов начинается при температурах от 100 оС и распространяется до температур 300350 оС.
Рисунок 3 - Спектры люминесценции экстрактов образцов фанеры, прогретых при разных температурах.
Разумеется, в очаге пожара такие относительно низкие температуры устанавливаются очень редко, поэтому выявленные признаки могут быть отнесены к признакам направленности распространения горения на участках удаленных от места первоначального возникновения горения. Они могут дать очень ценную информацию о путях распространения конвективных потоков в помещениях, смежных с зоной горения.
Обработка полученных спектров люминесценции проводилась в пакете Oridgin с помощью распределения Коши-Лоренца, которым в физике принято описывать профили равномерно уширенных спектральных линий. Распределением Коши характеризуется длина отрезка, отсекаемого на оси абсцисс прямой, закреплённой в точке на оси ординат, если угол между прямой и осью ординат имеет равномерное распределение на интервале (; ):
y = y0 + (2A/)(w/(4(x-xc)2 + w2)) (1)
где А - площадь под спектральной линией,
w - ширина спектральной линии на середине высоты.
Если принять y0=0 то в точке максимума при х=хс
y = 2А/w (2)
Рисунок 4 - Обработка спектров люминесценции в пакете Oridgin.
Таблица 1 - Значения коэффициентов распределения Лоренца для образцов ДСП, прогретых при различных температурах (Н - величина максимума интенсивности люминесценции, R2 - достоверность аппроксимации).
R2 | Xc | w | A | H | XcH | XcA | Xcw | |
20 | 0,96 | 361 | 73 | 1,18 | 0,011 | 4,0 | 426 | 26353 |
100 | 0,96 | 362 | 70 | 1,19 | 0,011 | 4,0 | 431 | 25340 |
150 | 0,91 | 368 | 70 | 1,05 | 0,009 | 3,3 | 386 | 25760 |
200 | 0,90 | 377 | 75 | 0,73 | 0,006 | 2,3 | 275 | 28275 |
250 | 0,93 | 385 | 74 | 0,27 | 0,002 | 0,8 | 104 | 28490 |
300 | 0,87 | 389 | 107 | 0,18 | 0,001 | 0,4 | 70 | 41623 |
350 | 0,94 | 375 | 80 | 0,15 | 0,001 | 0,4 | 56 | 30000 |
В работе показано, что наиболее информативным параметром диагностики типа древесного материала по спектрам люминесценции является произведение длины волны максимума люминесценции на высоту этого максимума - XcH. Распределение данного параметра в зависимости от температуры прогрева образца для образцов ДСП показано на рисунке 4.
Рисунока5аЦа Зависимость параметра XcH от температуры прогрева образцов древесно-стружечных плит.
Аппроксимационная зависимость указанного параметра наилучшим образом описывается сигмоидальной функцией Больцмана или сигмоидой, то есть гладкой монотонной нелинейной S-образнй функцией, которая часто применяется для УсглаживанияУ значений некоторой величины:
(3)
Где А1 и А2 - верхняя и нижняя асимптоты функции.
Для полученной зависимости она принимает численные значения:
(4)
Сглаживание полученных значений сигмоидальной функцией означает, что изменения рассматриваемого параметра имеет критическую область значений при х = 200 оС.
Полученные в результате настоящей работы данные служат экспериментальным обоснованием использования спектрального анализа экстрактов органических строительных материалов при поисках очага пожара на различных объектах. Конкретные спектральные характеристики экстрактивных органических соединений изученных материалов могут использоваться при экспертном исследовании обстановок на местах реальных пожаров.
Полученные данные могут также найти практическое использование для оценки степени термического воздействия на тот или иной конструктивный элемент здания при установлении возможности его дальнейшего использования. Для древесных материалов именно температуры 250300 оС могут оказаться критическими, с точки зрения необратимой потери эксплуатационных свойств.
В главе три рассматривается возможность обнаружения инородных ЛВЖ на древесных материалах зависит от степени сохранности горючих жидкостей в объеме объектов носителей в условиях пожара, которая, в первую очередь связана с пористостью объектов. В настоящей работе были проведены эксперименты по установлению эффективной пористости различных строительных материалов, которую определяли по способности насыщаться определенным нефтепродуктом (нефтенасыщенность). Степень сохранности горючих жидкостей на образцах строительных материалов устанавливалась методом молекулярной люминесценции экстрактов материалов, пропитанных равными количествами нефтепродукта и прогретых в изотермическом тепловом поле.
Была оценена зависимость степени сохранности горючих жидкостей от эффективной пористости строительных материалов в условиях теплового воздействия. Исходя из позиций сохранности ЛВЖ в объектах, составляющих пожарную нагрузку не вызывает сомнений, что наиболее качественные результаты можно получить при диагностике инициаторов горения в пористых материалах, таких, как древесно-волокнистые плиты; древесно-стружечные плиты.
В плотные древесные материалы, таких как сосновая древесина, фанера горючие жидкости впитываются хуже и неравномерно, о чем свидетельствует высокий коэффициент вариации при определении нефтенасыщенности этих материалов. Со стороны лицевой поверхности этих материалов инициаторы горения сохраняются хуже, следовательно, при их анализе возможны ошибки, связанные с малым количеством пробы. Можно сделать вывод, что дававшиеся ранее рекомендации о безуспешности отбора для исследования ЛВЖ проб обугленной древесины определяются именно плохой пористостью древесины. Выдвигавшаяся ранее трактовка этого вопроса, связывавшая полное выгорание горючих жидкостей при пиролизе древесины плохо согласовывалась с рекомендациями об отборе для диагностики горючих жидкостей обугленных участков тканей, пиролизующихся при температурах не меньших, чем древесина.
Спектры люминесценции полученных в этих экспериментах имеют сложный характер с несколькими максимумами (рис. 5).
Рисунок 6 - Спектры люминесценции экстрактов ДВП с нефтепродуктом, обработанные в программном пакете Oridgin.
Программа Oridgin позволяет обрабатывать даже такие сложные спектры, имеющие 5 и более максимумов люминесценции.
Таблица 2 - Значения коэффициентов распределения Лоренца для образцов ДВП с нефтепродуктом, прогретых при различных температурах
R2 | Xc | w | A | H | XcH | XcA | Xcw | |
20 | 0,99 | 270 | 24 | 10,4 | 0,27 | 72,9 | 2808 | 6480 |
20 | 295 | 33 | 11,6 | 0,22 | 64,9 | 3422 | 9735 | |
100 | 0,98 | 273 | 16 | 4,8 | 0,19 | 51,9 | 1316 | 4368 |
100 | 294 | 44 | 6,77 | 0,10 | 29,4 | 1990 | 12936 | |
200 | 0,98 | 278 | 13 | 2,10 | 0,11 | 30,6 | 584 | 3614 |
200 | 293 | 23 | 3,00 | 0,08 | 23,4 | 879 | 6739 | |
200 | 322 | 51 | 6,30 | 0,08 | 25,8 | 2029 | 16422 | |
300 | 0,98 | 280 | 17 | 2,43 | 0,09 | 25,2 | 680 | 4760 |
300 | 304 | 48 | 4,72 | 0,06 | 18,2 | 1435 | 14592 | |
350 | 0,99 | 279 | 11 | 0,60 | 0,04 | 11,2 | 167 | 3069 |
350 | 296 | 20 | 1,30 | 0,04 | 11,8 | 385 | 5920 | |
350 | 316 | 35 | 3,83 | 0,07 | 22,1 | 1210 | 11060 | |
350 | 356 | 15 | 0,34 | 0,01 | 3,6 | 121 | 5340 | |
350 | 377 | 16 | 0,68 | 0,03 | 11,3 | 256 | 6032 |
Помимо количественного показателя степени сохранности горючих жидкостей, попадающих на строительные материалы, в работе установлены значимые отличия между качественным составом экстрактов исходных органических материалов и экстрактов этих же материалов со следами горючих жидкостей.
По данным люминесцентной спектроскопии в экстрактах образцов древесных материалов сожженных совместно с ЛВЖ во всех случаях наблюдается существенно более высокая интенсивность флуоресценции по сравнению с образцами чистых древесных материалов. При этом проявляется характерный для моторных топлив тип флуоресценции с максимумами при 380, 405 и 435 нм.
Среди образцов древесных материалов, сожженных с ЛВЖ, наибольшая интенсивность люминесценции наблюдается у образцов рыхлых материалов - ДВП и ДСП, что очевидно связано с наилучшей сохранностью горючих жидкостей в объемах этих материалов.
Обилие разнообразных строительных и отделочных материалов, горючих жидкостей, их возможных сочетаний и параметров предполагает решение задачи многомерного статистического анализа с целью более компактного представления информации. Эти методы направлены на решение проблемы дифференциации совокупностей по результатам наблюдений. Сущность проблемы выражается двумя частными задачами - дискриминации и классификации. Первая состоит в выработке решения об отнесении нового элемента, полученного по результатам эксперимента, к одной из выборок, а вторая - в разделении всей совокупности случайных величин на группы, в определенном смысле максимально отличающиеся друг от друга. Изложенные факторы приводят к актуальности разработки методики дискриминации и классификации, объединяемых общим термином кластеризация данных.
Под кластером понимают группу объектов, характеризующихся множеством признаков и обладающих некоторым общим свойством. В группы объединяют объекты, удовлетворяющие критерию близости или сходства. Это позволяет перейти от описания каждого объекта - элемента исходной статистической выборки, представляющей собой точку в многомерном пространстве, к описанию каждого кластера. Поскольку число кластеров существенно меньше числа объектов (мощности исходной выборки), то описание на уровне кластеров оказывается более компактным.
Предлагаемая методика состоит из следующих этапов.
А. Дискриминация
1.аВыделение вектора признаков исследуемого объекта (материала и жидкости) .
2.аОпределение расстояния между двумя объектами
. (5)
При большом числе объектов целесообразно вместо расчета взаимного удаления объектов использовать удаление каждого из них от центра тяжести кластера , где l - номер кластера, - координаты центра тяжести кластера, определяемые как среднеарифметическое одноименных координат всех объектов кластера
, , (6)
где - число объектов (мощность) l-го кластера, j - номер объекта в кластере, k - число кластеров, N - мощность исходной выборки.
3. По найденным удалениям очередного объекта, взятого из выборки, от каждого кластера выбирается ближайший кластер и ему приписывается новый объект.
4. Определение параметров кластеров.
Итеративное применение описанной процедуры к каждому объекту приведет к наполнению кластеров и тем самым - к решению задачи дискриминации. По окончании решения этой задачи кластер может быть охарактеризован двумя параметрами - центром тяжести и мощностью.
Дополнительно перечень выходных параметров может быть увеличен за счет внутрикластерной дисперсии
. (7)
Тогда объект включается в ближайший кластер только в том случае, если после его включения внутрикластерная дисперсия не превышает некоторого порогового значения. В противном случае объект считается нераспознанным. Кроме того, для полного решения задачи дискриминации следует вводить в рассмотрение такие параметры, как радиус кластера, определяемый расстоянием от центра тяжести до самого дальнего объекта, удельный вес кластера - отношение мощности кластера к мощности исходной выборки, максимальное и минимальное значения каждого признака.
Б. Классификация
Последовательность шагов классификации может быть следующей.
1. Из классифицируемой выборки случайным образом выбирается произвольное число объектов k<<N объявляемых эталонами кластеров, а их координаты считаются центрами тяжести соответствующих кластеров
2. Оставшиеся N-k объектов исходной выборки приписываются различным кластерам. Идет поочередный обход кластеров и отыскивается распределение, минимизирующее внутрикластерную дисперсию. Близость объекта любому кластеру определяется не его удалением от центра тяжести каждого кластера, а его способностью повысить плотность расположения объектов в кластере.
3. Добавление нового элемента в кластер изменяет его мощность и сдвигает центр тяжести. Поэтому координаты центра модифицированного кластера пересчитываются. В целях снижения трудоемкости операций этот шаг рекомендуется выполнять реже, например, когда мощность кластера возрастет на заданное число объектов или в заданное число раз.
4. Обработка очередного объекта исходной выборки сопровождается уточнением числа кластеров. С этой целью определяется межкластерная дисперсия для каждой lp пары кластеров, где l - номер кластера, которому приписан последний объект, p - переменная, принимающая значения номеров всех оставшихся кластеров, т.е. , где M - текущее число сформированных кластеров:
, (8)
где и .
5.аКаждая из полученных дисперсий сравнивается с двумя пороговыми значениями - и , после чего принимается одно из следующих решений:
1) при l-й и p-й кластеры сохраняются в неизменными.
2) в случае , кластеры l и p объединяются. Если в результате сравнения l-го кластера со всеми остальными может произойти объединение нескольких кластеров.
3) вариант ведет к образованию нового кластера. Причем новому кластеру приписывается только один объект 1 Ц последний из взятых на обработку. Координаты этого объекта объявляются центром тяжести вновь образованного кластера.
юбое изменение числа кластеров, их анализ и повторное уточнение числа кластеров.
В заключении работы предложена комплексная методика экспертного исследования экстрактивных органических компонентов древесины и древесных композиционных материалов и следов горючих жидкостей, обнаруживаемых в материальных объектах на местах пожаров. Методика использует изучение спектральных свойств органических соединений объектов, изымаемых на местах пожаров.
Получены фоновые аналитические параметры состава экстрагируемых компонентов древесных материалов. Создана база данных по составу и спектральным характеристикам экстрагируемых органических соединений конструкционных и отделочных материалов, составляющих пожарную нагрузку в их исходном виде и после термического воздействия.
Установлено, что температурный диапазон получения информации о поведении на пожаре древесных материалов на основании спектрального изучения их экстрактивных компонентов начинается при температурах от 100оС и распространяется до температур 300350оС. Выявленные при этом изменения носят как качественный, так и количественный характер. Данные результаты позволяют ввести в практику расследования пожаров новую группу очаговых признаков пожара. Внедрение методов выявления очаговых признаков, основанные на изучении спектральных характеристик экстрагируемых органических компонентов древесных материалов повышает достоверность установления очага пожара.
В работе проведено изучение и сопоставление параметров эффективной пористости строительных материалов (по нефтенасыщенности и относительной сохранности в них горючих жидкостей), на основании которого показано, что исходя из позиций сохранности ЛВЖ в объектах, составляющих пожарную нагрузку наиболее качественные результаты можно получить при диагностике инициаторов горения в таких материалах, как древесно-волокнистые плиты, древесно-стружечные плиты. В плотные древесные материалы, таких как паркет, ламинат, сосновая доска горючие жидкости впитываются хуже и неравномерно. Изменение качественного состава горючих жидкостей на этом материале предопределяет возможность ошибки при установлении типа инициатора горения.
Спектральные аналитические параметры занесенных извне инициаторов горения, находящихся после пожара в исходном или частично выгоревшем виде на поверхности или в объеме древесных материалов, позволяют быстро и достоверно диагностировать горючие жидкости на фоне мешающего влияния экстрактивных компонентов самих материалов, составляющих пожарную нагрузку.
Комплексная методика экспертного изучения экстрактивных органических компонентов древесных материалов и горючих жидкостей, обнаруживаемых в виде следов на элементах пожарной нагрузки использована при расследовании реальных пожаров и показала свою полную работоспособность.
Представлена методика, позволяющая на основе методов кластерного анализа и имеющихся экспериментальных данных спектрального устанавливать принадлежность к наличию инородных горючих жидкостей в строительных и отделочных материалах
Список опубликованных работ по теме диссертации.
Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК:
- Кольцова О.Н., Маликов И.А., Дементьев Ф.А. Молекулярная люминесценция в экспертизе пожаров // Вестник СПб университета ГПС МЧС России. - 2011 г. - №3. - 0,4/0,2 п.л.
Статьи в иных научных изданиях:
- Маликов И.А. Технико-криминалистическое обеспечение расследования чрезвычайных ситуаций, возникающих при попадании в окружающую среду нефтепродуктов // Природные и техногенные риски (физико-математические и прикладные аспекты) - 2011 г.- № 2 - 0,4 п.л.
- Маликов И.А., Кольцова О.Н. Многоцелевая комплексная система прогнозирования и мониторинга чрезвычайных ситуаций, связанных с воздействием нефтепродуктов Сервис безопасности в России: опыт, проблемы, перспективы, г. Санкт-Петербург, 29-30 октября 2009 г. Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России. - 2009 г. - 0,4/0,2 п.л.
- Маликов И.А., Дементьев Ф.А. Спектральные методы изучения экстрактивных компонентов строительных и отделочных материалов: / Надзорная деятельность и судебная экспертиза в сфере безопасности. - 2011 г. - № 2. - 0,5/0,3 п.л.
- Маликов И.А., Кольцова О.Н. Поиск и идентификации товарных нефтепродуктов при отработке версии поджога на объектах промышленности: материалы III Международной научно-практической конференции Технические средства противодействия террористическим и криминальным взрывам, Санкт-Петербург, 19 - 21 октября 2010 г. Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России. - 2010 г. - 0,4/0,1 п.л.
Подписано в печать 27.04.2012 г. Формат 60*84 1/16
Печать цифровая Объем 1,4ап.л. Тираж 100 экз.
Отпечатано в Санкт-Петербургском университете
Государственной противопожарной службы МЧС России
196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, дом 149
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям