Разработка приложения к программному продукту Origin Pro для информационного анализа и прогноза лесной пожарной опасности, обусловленной грозовой активностью

Разработка приложения к программному продукту Origin Pro для информационного анализа и прогноза лесной пожарной опасности, обусловленной грозовой активностью

В настоящей работе описано приложение, работающее в диалоговом режиме и использующее возможности пакета Origin Pro для визуализации пространственной информации. Кроме того, возможности пакета позволяют анализировать расчетные поля температур в дереве, подвергнувшемся воздействию наземного грозового...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Проблемы управления и информатики
Дата:2019
Автор: Барановский, Н.В.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України 2019
Теми:
Методы обработки информации
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/180785
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Разработка приложения к программному продукту Origin Pro для информационного анализа и прогноза лесной пожарной опасности, обусловленной грозовой активностью / Н.В. Барановский // Проблемы управления и информатики. — 2019. — № 2. — С. 89-99. — Бібліогр.: 31 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-180785
record_format dspace
spelling Барановский, Н.В.
2021-10-18T19:10:42Z
2021-10-18T19:10:42Z
2019
Разработка приложения к программному продукту Origin Pro для информационного анализа и прогноза лесной пожарной опасности, обусловленной грозовой активностью / Н.В. Барановский // Проблемы управления и информатики. — 2019. — № 2. — С. 89-99. — Бібліогр.: 31 назв. — рос.
0572-2691
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/180785
614.841.2
В настоящей работе описано приложение, работающее в диалоговом режиме и использующее возможности пакета Origin Pro для визуализации пространственной информации. Кроме того, возможности пакета позволяют анализировать расчетные поля температур в дереве, подвергнувшемся воздействию наземного грозового разряда, для принятия решений о противопожарных мерах на территории контролируемого Тимирязевского участкового лесничества Томской области. Предложено описание вероятностного критерия с оценкой всех его сомножителей в формуле. Представлено описание режима работы новой специализированной геоинформационной системы, которая может использоваться для прогнозирования, мониторинга и оценки лесной пожарной опасности от гроз.
Лісові пожежі виникають через низку природних і антропогенних причин. Основна природна причина виникнення лісових пожеж — це грозова активність, а саме, вплив наземних грозових розрядів. Відомо, що для аналізу просторової інформації широке застосування знаходять геоінформаційні системи. Мета цієї роботи — демонстрація можливостей власного програмного коду, що взаємодіє з пакетом Origin Pro, для геоінформаційного аналізу лісових пожеж, що виникають через грозову активність. Відомі різні способи прогнозування та оцінки лісової пожежної небезпеки від гроз. У даній роботі використовується підхід детерміновано-ймовірнісного прогнозу лісової пожежної небезпеки. В процесі дослідження розроблено власний програмний код для оцінки лісової пожежної небезпеки і її характеристик на прикладі Тимірязівського дільничного лісництва Томської області. Програмний пакет Origin Pro використовується для візуалізації і додаткового розширеного аналізу даних за параметрами лісової пожежної небезпеки. Продемонстровано процес обробки даних за грозової активності лісотаксаційними описами і метеорологічними параметрами з прив’язкою до ймовірнісної оцінки лісової пожежної небезпеки.
Forest fires occur for a variety of natural and man-made causes. The main natural cause of forest fires is thunderstorm activity, namely, the impact of cloud-to-ground lightning discharges. It is known that geographic information systems are widely used for analyzing spatial information. The purpose of this work is to demonstrate the capabilities of own program code interacting with the Origin Pro software for geoin-formational analysis of forest fires arising due to lightning activity. There are various ways to predict and assess forest fire danger from lightning activity. The approach of a deterministic-probabilistic forecast of forest fire danger is used. Our own program code was developed for assessing forest fire danger and its characteristics on the example of the Timiryazevskiy forestry of Tomsk Region. The application works in dialog mode. The Origin Pro software is used for visualization and additional advanced data analysis on the parameters of forest fire danger. The data processing on lightning activity, forest descriptions and meteorological parameters with reference to the probabilistic assessment of forest fire danger is demonstrated.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и администрации Томской области. Научный проект № 16-41-700831.
ru
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
Проблемы управления и информатики
Методы обработки информации
Разработка приложения к программному продукту Origin Pro для информационного анализа и прогноза лесной пожарной опасности, обусловленной грозовой активностью
Розробка додатка до програмного продукту Origin Pro для інформаційного аналізу і прогнозу лісової пожежної небезпеки, обумовленої грозовою активністю
The development of application to software Origin Pro for informational analysis and forecast of forest fire danger caused by lightning activity
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Разработка приложения к программному продукту Origin Pro для информационного анализа и прогноза лесной пожарной опасности, обусловленной грозовой активностью
spellingShingle Разработка приложения к программному продукту Origin Pro для информационного анализа и прогноза лесной пожарной опасности, обусловленной грозовой активностью
Барановский, Н.В.
Методы обработки информации
title_short Разработка приложения к программному продукту Origin Pro для информационного анализа и прогноза лесной пожарной опасности, обусловленной грозовой активностью
title_full Разработка приложения к программному продукту Origin Pro для информационного анализа и прогноза лесной пожарной опасности, обусловленной грозовой активностью
title_fullStr Разработка приложения к программному продукту Origin Pro для информационного анализа и прогноза лесной пожарной опасности, обусловленной грозовой активностью
title_full_unstemmed Разработка приложения к программному продукту Origin Pro для информационного анализа и прогноза лесной пожарной опасности, обусловленной грозовой активностью
title_sort разработка приложения к программному продукту origin pro для информационного анализа и прогноза лесной пожарной опасности, обусловленной грозовой активностью
author Барановский, Н.В.
author_facet Барановский, Н.В.
topic Методы обработки информации
topic_facet Методы обработки информации
publishDate 2019
language Russian
container_title Проблемы управления и информатики
publisher Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
format Article
title_alt Розробка додатка до програмного продукту Origin Pro для інформаційного аналізу і прогнозу лісової пожежної небезпеки, обумовленої грозовою активністю
The development of application to software Origin Pro for informational analysis and forecast of forest fire danger caused by lightning activity
description В настоящей работе описано приложение, работающее в диалоговом режиме и использующее возможности пакета Origin Pro для визуализации пространственной информации. Кроме того, возможности пакета позволяют анализировать расчетные поля температур в дереве, подвергнувшемся воздействию наземного грозового разряда, для принятия решений о противопожарных мерах на территории контролируемого Тимирязевского участкового лесничества Томской области. Предложено описание вероятностного критерия с оценкой всех его сомножителей в формуле. Представлено описание режима работы новой специализированной геоинформационной системы, которая может использоваться для прогнозирования, мониторинга и оценки лесной пожарной опасности от гроз. Лісові пожежі виникають через низку природних і антропогенних причин. Основна природна причина виникнення лісових пожеж — це грозова активність, а саме, вплив наземних грозових розрядів. Відомо, що для аналізу просторової інформації широке застосування знаходять геоінформаційні системи. Мета цієї роботи — демонстрація можливостей власного програмного коду, що взаємодіє з пакетом Origin Pro, для геоінформаційного аналізу лісових пожеж, що виникають через грозову активність. Відомі різні способи прогнозування та оцінки лісової пожежної небезпеки від гроз. У даній роботі використовується підхід детерміновано-ймовірнісного прогнозу лісової пожежної небезпеки. В процесі дослідження розроблено власний програмний код для оцінки лісової пожежної небезпеки і її характеристик на прикладі Тимірязівського дільничного лісництва Томської області. Програмний пакет Origin Pro використовується для візуалізації і додаткового розширеного аналізу даних за параметрами лісової пожежної небезпеки. Продемонстровано процес обробки даних за грозової активності лісотаксаційними описами і метеорологічними параметрами з прив’язкою до ймовірнісної оцінки лісової пожежної небезпеки. Forest fires occur for a variety of natural and man-made causes. The main natural cause of forest fires is thunderstorm activity, namely, the impact of cloud-to-ground lightning discharges. It is known that geographic information systems are widely used for analyzing spatial information. The purpose of this work is to demonstrate the capabilities of own program code interacting with the Origin Pro software for geoin-formational analysis of forest fires arising due to lightning activity. There are various ways to predict and assess forest fire danger from lightning activity. The approach of a deterministic-probabilistic forecast of forest fire danger is used. Our own program code was developed for assessing forest fire danger and its characteristics on the example of the Timiryazevskiy forestry of Tomsk Region. The application works in dialog mode. The Origin Pro software is used for visualization and additional advanced data analysis on the parameters of forest fire danger. The data processing on lightning activity, forest descriptions and meteorological parameters with reference to the probabilistic assessment of forest fire danger is demonstrated.
issn 0572-2691
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/180785
citation_txt Разработка приложения к программному продукту Origin Pro для информационного анализа и прогноза лесной пожарной опасности, обусловленной грозовой активностью / Н.В. Барановский // Проблемы управления и информатики. — 2019. — № 2. — С. 89-99. — Бібліогр.: 31 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT baranovskiinv razrabotkapriloženiâkprogrammnomuproduktuoriginprodlâinformacionnogoanalizaiprognozalesnoipožarnoiopasnostiobuslovlennoigrozovoiaktivnostʹû
AT baranovskiinv rozrobkadodatkadoprogramnogoproduktuoriginprodlâínformacíinogoanalízuíprognozulísovoípožežnoínebezpekiobumovlenoígrozovoûaktivnístû
AT baranovskiinv thedevelopmentofapplicationtosoftwareoriginproforinformationalanalysisandforecastofforestfiredangercausedbylightningactivity
first_indexed 2025-11-26T18:08:03Z
last_indexed 2025-11-26T18:08:03Z
_version_ 1850767014745866240
fulltext © Н.В. БАРАНОВСКИЙ, 2019 Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2019, № 2 89 УДК 614.841.2 Н.В. Барановский РАЗРАБОТКА ПРИЛОЖЕНИЯ К ПРОГРАММНОМУ ПРОДУКТУ ORIGIN PRO ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННОГО АНАЛИЗА И ПРОГНОЗА ЛЕСНОЙ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ, ОБУСЛОВЛЕННОЙ ГРОЗОВОЙ АКТИВНОСТЬЮ Ключевые слова: геоинформационная система, прогноз, лесная пожарная опасность, грозовая активность, Origin Pro. Введение В настоящее время для пространственного анализа данных по лесной пожар- ной опасности используется спектр программных продуктов — геоинформацион- ных систем [1]: ArcGIS, QGIS, Grass, GeoDMA, eCognition. Однако авторы [1] пред- лагают в качестве ГИС-системы использовать библиотеку языка R [2]. В настоящей работе для геоинформационного анализа данных предлагается использовать в ка- честве хост-системы программный пакет Origin Pro компании Origin Lab. Это обусловлено рядом причин, в том числе стоимостью разработки и самого про- граммного обеспечения, используемого в качестве хост-системы. Кроме того, стоимость конечного рабочего места оператора или инженера по защите леса вы- годнее при использовании пакета Origin Pro. Более того, пакет предлагает расши- ренные возможности для всестороннего анализа данных. В настоящей работе для оценки уровня лесной пожарной опасности используются детерминированные математические модели зажигания деревьев и лесных горючих материалов в условиях грозовой активности [3]. Численная реализация данных моделей выпол- нена с использованием метода конечных разностей [4]. Использование встроенно- го, например, в ArcGIS языка программирования ArcPy [5] накладывает некото- рые ограничения, так как это не компилятор, а интерпретатор. Поэтому цель ис- следования формулируется следующим образом. Цель настоящей работы — демонстрация возможностей собственного про- граммного кода, взаимодействующего с пакетом Origin Pro, для геоинформацион- ного анализа лесных пожаров, возникающих по причине грозовой активности. Метеорологические условия 2012 года, сложившиеся в Томской области [6], привели к тому, что смог от лесных пожаров на севере области стоял в городе в течение месяца. Причиной крупномасштабных и продолжительных пожаров ста- ли неблагоприятные метеорологические условия (длительный период без выпаде- ния осадков) и наземные грозовые разряды [7], которые привели к возникновению очагов лесных пожаров. Удаленность этих территорий от областного центра обу- словила их позднее обнаружение, когда очаги возгорания приняли уже крупные масштабы. Известно, что после удара наземного грозового разряда очаг даже при выпадении осадков может длительное время находиться в стадии беспламенного тления [8]. В таких условиях данных системы грозопеленгации недостаточно для отслеживания возможных очагов лесных пожаров [9].  Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и админи- страции Томской области. Научный проект № 16-41-700831. 90 ISSN 0572-2691 Существуют различные системы грозопеленгации. Например, для прилегаю- щих к территории Томска лесных массивах в радиусе 480 км могут использовать- ся системы грозопеленгации Boltek [10]. Достаточно подробное исследование возможностей этих приборов рассматривается в работах коллектива под руковод- ством В.П. Горбатенко [11–13]. В настоящей работе предлагается ориентировать- ся на глобальную сеть пеленгации грозовых разрядов World Wide Lightning Loca- tion Network [14, 15]. Эта система предоставляет данные в масштабах всей плане- ты, в том числе по всей территории Томской области [16]. Анализ крупных лесных пожаров 2012 года в Томской области показывает, что зачастую локализация и подавление лесного пожара невозможны в течение длительного времени. Распространение лесного пожара по лесному массиву пре- кращается в случае выпадения значительного количества жидких осадков или в результате подхода фронта лесного пожара к естественной преграде (река, дорога и т.п.). Это позволяет сделать вывод, что основой для успешной борьбы с лесны- ми пожарами является их прогнозирование, мониторинг и оценка [6]. Под прогнозированием лесных пожаров понимается расчет параметров лесной пожарной опасности с некоторой заблаговременностью прогноза, чтобы иметь до- статочное количество времени для упреждения чрезвычайной ситуации [17]. Расчет в данном случае ведется в режиме, опережающем реальное время развития ката- строфы, — возникновения лесного пожара. Под мониторингом понимается пери- одический расчет параметров лесной пожарной опасности с частью информации, доступной в режиме реального времени. Этот вид моделирования условий лесной пожарной опасности необходим для оценки периодических изменений в условиях возникновения лесных пожаров в целях выявления изменений, которые могут привести к возникновению лесного пожара. И оценка лесной пожарной опасности является расчетом условий возникновения лесных пожаров с учетом текущей по- жароопасной ситуации. Эта оценка необходима для принятия корректирующих мер при охране лесов от пожаров. Технологии прогнозирования, мониторинга и оценки лесной пожарной опасно- сти можно разделить на эмпирические, статистические, имитационные, детерминиро- ванные, вероятностные и детерминированно-вероятностные подходы [6, 17, 18]. Физико-математическая модель зажигания дерева Основные допущения и предположения: 1) разряд класса облако–земля дей- ствует на отдельно стоящее дерево; 2) в различных горизонтальных сечениях ствола параметры электрического тока одинаковы, и он протекает в подкорковой зоне хвойного дерева; 3) в структуре коры присутствует неоднородность — «тре- щина». Трещина считается «идеальной», т.е. проходит по всей вертикали ствола. Это и есть приближение «идеальной» трещины, которое позволяет использовать 2D-постановку задачи; 4) разогрев древесины происходит за счет выделения Джо- улева тепла [19]; 5) подкорковая зона — проводник электрического тока типа ре- зистор, для которого справедлив закон Ома; 6) при термическом разложении ма- териала выделяются газообразные горючие продукты, основным горючим компо- нентом которых является моноксид углерода [20, 21]; 7) состав газовой фазы: кислород, моноксид углерода, инертные компоненты; 8) пренебрегается влияние влажности древесины на процесс зажигания. Горючие компоненты поступают в область газовой фазы и смешиваются с воздухом, содержащим кислород. При определенных концентрациях и температуре происходит воспламенение хвойного дерева в газовой фазе. Условием возгорания является преобладание теплоприхода от химической реакции над теплоприходом из подкорковой зоны. Задача решает- ся для цилиндра, который моделирует ствол дерева, в коре которого имеется «идеальная» трещина. Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2019, № 2 91 Математически процесс газофазного зажигания хвойного дерева наземным грозовым разрядом в рамках предложенной физической модели описывается сис- темой нестационарных дифференциальных уравнений теплопроводности и диффу- зии (1)–(14) с соответствующими начальными (32)–(34) и граничными (15)–(31) условиями [3]:                          1 1 712 1 2 2 1111 11 exp RT E kQ T rr T r rrt T c pp , (1)                          2 1 722 2 2 2 2222 22 exp RT E kQJU T rr T r rrt T c pp , (2)                          3 1 732 3 2 2 3333 33 exp RT E kQ T rr T r rrt T c pp , (3) ,)1( 5552 2 2 RQ T rr T r rrt T c ggggg gg                    (4) , 2 5 4 52 4 2 2 44 M M R C r D r C r rr D t C                 (5) ,52 5 2 2 55 R C r D r C r rr D t C                 (6) ,1 6 4  i iC (7) ,1 8 7  i i (8)             1 1 71 7 1 exp RT E k t p , (9)             2 1 72 7 2 exp RT E k t p , (10)             3 1 73 7 3 exp RT E k t p , (11)                 ,05,0, ,05,0, exp 454 45 5,0 4 3 525,2 555 xxx xxx RT E TMkR (12) 6 4 i i k i kk C x C M M   , (13) . 1 , 6 6 5 5 4 4 M C M C M C MM RT P    (14) 92 ISSN 0572-2691 Приведем граничные условия для системы уравнений (1)–(14): r 0, ,01 1     r T (15) rR2, ,2 2 1 1 r T r T       ,21 TT  (16) rR1, ,3 3 2 2 r T r T       ,32 TT  (17) Гr, ,3 3 r T r T g g       ,3 gTT  (18) rRS, ,3 3 r T r T g g       ,3 gTT  (19) rRe, ),( ge g g TT r T     (20) φ 0, ,0   iT i1, 2, 3, g, (21) φ   π, 0   iT , i1, 2, 3, g, (22) Гφ, ,3 3       g g TT ,3 gTT  (23) Гr, ,04     r C D (24) ,5 5 Y r C D     (25) rRS, ,04     r C D (26) ,5 5 Y r C D     (27) rRe, 04     r C D , (28) ,05     r C D (29) Гφ, ,04     C D (30) .05     C D (31) Запишем начальные условия для системы уравнений (1)–(14): t 0, ),()( 0 rTrT ii  i 1, 2, 3, g, (32) t 0, ),()( 0 rCrC ii  i 4, 5, 6, (33) Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2019, № 2 93 t 0, ),()( 0 rr ii  i 7, 8, (34) где Ti, i, ci, i — температура, плотность, теплоемкость и теплопроводность со- ответственно сердцевины (i 1), подкорковой зоны (i 2), коры (i 3), газовой фа- зы в трещине коры (i g) ствола; Ci, Mi — концентрация и молярная масса кисло- рода (i4), моноксида углерода (i5), инертных компонент (азот и диоксид угле- рода) (i 6); φi — объемная доля органического вещества (i 7) и газовой фазы (i8);  — коэффициент теплоотдачи; J — сила тока; U — напряжение; Y5 — по- ток массы; D — коэффициент диффузии; P — давление; R — универсальная газо- вая постоянная; Qp — тепловой эффект пиролиза; kp — предэкспоненциальный множитель реакции пиролиза; E1 — энергия активации реакции пиролиза; Q5 — тепловой эффект реакции окисления моноксида углерода; k5 — предэкспоненци- альный множитель реакции окисления моноксида углерода; E5 — энергия актива- ции реакции окисления моноксида углерода; 5 — доля теплоты, поглощенная слоем древесины; x4, x5 — вспомогательные переменные; r, φ — полярные коор- динаты, t — время. Индексы «e» и «0» соответствуют параметрам внешней среды и параметрам в начальный момент времени. ГИС-система В настоящей работе рассматривается специализированная ГИС-система, со- зданная на основе собственного программного кода и пакета Origin Pro для визуа- лизации прогнозной информации. Модуль расчета процесса зажигания дерева наземным грозовым разрядом и оценки вероятности возникновения лесного пожара написан на языке высокого уровня Паскаль в среде разработки RAD Studio [22–24]. Рассматриваемый модуль — консольное приложение с возможностью работы в диалоговом режиме. Пакет Origin Pro выбран в качестве среды визуализации и анализа данных по ряду причин. Например, его использование обеспечивает следующие преимуще- ства: а) применение программных продуктов Origin Pro обеспечивает невысокую стоимость конечного продукта разработки — ГИС-системы; б) продвинутые воз- можности для анализа и обработки данных в такой ГИС-системе. Кроме того, ис- пользование пакета Origin Pro оправдано тем, что карты лесничеств не имеют гео- графической привязки и построены в системе «лесничество–квартал» [25, 26]. ГИС конкретной территории представляет собой проект в пакете Origin Pro, а также набор файлов исходной информации. Кроме того, пакет Origin Pro совме- стим с программой Microsoft Excel, что обеспечивает возможности для подготов- ки отчетов. Исходная информация по лесотаксационным характеристикам и па- раметрам грозовой активности хранится в файлах, содержащих матрицы N × N. В этих файлах описывается прямоугольная область, в которую вписана террито- рия Тимирязевского участкового лесничества. Информация по грозовой активности предоставлена системой World Wide Lightning Network, которая аккумулирует данные по грозовым разрядам по терри- тории всей планеты. Таким образом, зная лесотаксационные описания и имея дан- ные WWLLN, в перспективе можно разработать ГИС-систему любого лесничества как нашего государства, так и лесопокрытых территорий других государств. Функции прогнозирования лесной пожарной опасности Информация по лесорастительным условиям получена на основе анализа книг лесотаксационных описаний Тимирязевского лесничества Томской области. На рис. 1 представлено распределение данных по преобладающей породе хвой- ных деревьев (сосне). 94 ISSN 0572-2691 Рис. 1 Вероятность возникновения лесного пожара по лесорастительным условиям определяется в соответствии с формулой , DC C FC TT T P   где PFC — вероятность возникновения лесного пожара по лесорастительным условиям; TC — доля хвой- ных (C — conifeorous) деревьев на территории квартала; TD — доля лиственных (D — deciduous) деревьев на территории квартала. Следует отметить, что CT .10 DT На рис. 1 видно, что максимальная пожарная опасность будет иметь место вблизи центра Тимирязевского участкового лесничества, где произрастает макси- мальное количество хвойных деревьев. Именно возгорания в хвойных массивах наиболее опасны с точки зрения возникновения лесных пожаров, в том числе пе- рехода низовых пожаров в верховые [27, 28]. Функции мониторинга лесной пожарной опасности Важным метеорологическим явлением, которое следует учитывать при мони- торинге лесной пожарной опасности, является движение воздушных масс или ве- тер [29]. Пакет Origin Pro позволяет визуализировать данные по скорости ветра в рассматриваемом лесном массиве. Это особенно важно для оценки возникновения верховых лесных пожаров. На рис. 2 продемонстрировано векторное поле скоро- сти ветра в лесном массиве. Рис. 2 y, к м 0 0 1 2 3 4 5 6 7 1 2 x, км 2 3 4 5 7 6 1 0 y, к м 0 1 2 3 4 5 6 Скорость ветра, м/с 7 x, км 9,750 8,531 7,313 6,094 4,875 3,656 2,438 1,219 0,000 Хвойные породы 3 4 5 6 7 Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2019, № 2 95 Оценка вероятности перехода низового лесного пожара в верховой может быть произведена по формуле         ,,1 ,, crcur crcur cur VV VV V V P crFW где FWP — вероятность перехода низового лесного пожара в верховой при до- стижении критической скорости ветра; curV — текущая скорость ветра в массиве; crV — критическая скорость ветра, при которой возможен переход низового лес- ного пожара в верховой. Известна зависимость скорости ветра на разной высоте от скорости ветра над пологом древостоя (canopy) [29]. Таким образом, могут быть построены вектор- ные поля скорости ветра для разных уровней над подстилающей поверхностью. Следующий параметр, который важен с точки зрения мониторинга лесной пожарной опасности, — это распределение грозовых разрядов по территории лес- ничества (рис. 3). Рис. 3 Вероятность грозового разряда вычисляется по формуле , max cur N N PLD  где LDP — вероятность наземного грозового разряда на конкретном квартале лесничества; curN — количество разрядов на территории конкретного квар- тала лесничества; maxN — максимальное количество разрядов из числа квар- талов рассматриваемого участкового лесничества . Функции оценки лесной пожарной опасности При наличии данных о силе тока наземного грозового разряда можно вы- числить условия воспламенения или невоспламенения хвойного дерева. Мате- матически процесс воспламенения хвойного дерева наземным грозовым разря- дом описывается системой нестационарных дифференциальных уравнений теп- лопроводности с соответствующими начальными и граничными условиями. В настоящей работе предлагается оценивать вероятность возникновения лес- ного пожара, учитывая лесорастительные условия (по преобладающей породе хвойных), а также математическую модель зажигания хвойного дерева наземным грозовым разрядом с учетом статистики по грозовым разрядам. Статистические 0,200 0,1875 0,1750 0,1500 0,1375 0,1250 0,1125 0,1000 0,1625 6 7 y, к м x, км 0 0 1 2 3 4 5 разряд /км2 1 2 3 4 5 6 7 96 ISSN 0572-2691 данные предоставлены системой WWLLN, которая аккумулирует данные по гро- зовой активности по территории всей планеты [14, 15]. Метеоусловия учитывают- ся в рамках детерминированной математической модели зажигания дерева назем- ным грозовым разрядом. Вероятность возникновения лесного пожара рассчитывается по формуле ,ignLDFCFF PPPP  где FFP — вероятность возникновения лесного пожара, ignP — вероятность зажигания дерева наземным грозовым разрядом, LDP — вероятность наземного грозового разряда, FCP — вероятность возникновения лесного пожара по лесорастительным условиям. Вероятность зажигания дерева оценивается по формуле с учетом мощности разряда     ния.воспламененет,0 ние,воспламенеесть,1 ignP Типичное распределение вероятности лесной пожарной опасности по террито- рии Тимирязевского участкового лесничества Томской области показано на рис. 4. Кроме того, пакет Origin Pro предполагает расширенный анализ данных по параметрам воспламенившегося дерева. На рис. 5 продемонстрировано темпера- турное поле в стволе дерева с помощью инструмента построения кривых. Рис. 4 Рис. 5 6 7 y, к м x, км 0 0 1 2 3 4 5 Вероятность лесного пожара 1 2 3 4 5 6 7 1,000 0,8750 0,7500 0,5000 0,3750 0,2500 0,1250 0,000 0,6250 1200 1300 T , K г, м 0,23 300 1100 кора 1000 900 800 700 600 500 400 0,24 0,25 0,26 0,27 0,28 0,29 трещина Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2019, № 2 97 Кроме того, пакет Origin Pro предлагает расширенные возможности по ста- тистическому анализу данных и аппроксимации статистических данных. Таким образом, пакет Origin Pro может использоваться для анализа, аппроксимации и визуализации данных и параметров лесной пожарной опасности. Разработанное приложение в совокупности с пакетом Origin Pro можно рассматривать как специ- ализированную геоинформационную систему для прогнозирования, мониторинга и оценки лесной пожарной опасности либо как экспертную систему, основанную не на знаниях [30], а на детерминированных и вероятностных моделях. Первона- чально экспертные системы основывались на специализированных базах знаний и технологиях искусственного интеллекта [31]. Это во многом было обусловлено тем фактом, что реализация сложных, комплексных детерминированных моделей была невозможна либо затруднительна по причине малого объема оперативной памя- ти ЭВМ и низкого быстродействия центрального процессора. Однако современное развитие компьютерной техники позволяет моделировать достаточно сложные физи- ческие явления и процессы с использованием детерминированных математических моделей. Таким образом, возникновение лесного пожара переходит из стохастическо- го явления в детерминированный процесс. Это меняет восприятие и методы прогно- зирования, мониторинга и оценки лесной пожарной опасности. Заключение Таким образом, в настоящей работе описано приложение, работающее в диалоговом режиме и использующее возможности пакета Origin Pro для визуа- лизации пространственной информации. Кроме того, возможности пакета поз- воляют анализировать расчетные поля температур в дереве, подвергнувшемся воздействию наземного грозового разряда, для принятия решений о противопо- жарных мерах на территории контролируемого Тимирязевского участкового лесничества Томской области. Предложено описание вероятностного критерия с оценкой всех его сомножителей в формуле. Представлено описание режима ра- боты новой специализированной геоинформационной системы, которая может использоваться для прогнозирования, мониторинга и оценки лесной пожарной опасности от гроз. М.В. Барановський РОЗРОБКА ДОДАТКА ДО ПРОГРАМНОГО ПРОДУКТУ ORIGIN PRO ДЛЯ ІНФОРМАЦІЙНОГО АНАЛІЗУ І ПРОГНОЗУ ЛІСОВОЇ ПОЖЕЖНОЇ НЕБЕЗПЕКИ, ОБУМОВЛЕНОЇ ГРОЗОВОЮ АКТИВНІСТЮ Лісові пожежі виникають через низку природних і антропогенних причин. Ос- новна природна причина виникнення лісових пожеж — це грозова активність, а саме, вплив наземних грозових розрядів. Відомо, що для аналізу просторової інформації широке застосування знаходять геоінформаційні системи. Мета цієї роботи — демонстрація можливостей власного програмного коду, що взаємодіє з пакетом Origin Pro, для геоінформаційного аналізу лісових пожеж, що вини- кають через грозову активність. Відомі різні способи прогнозування та оцінки лісової пожежної небезпеки від гроз. У даній роботі використовується підхід детерміновано-ймовірнісного прогнозу лісової пожежної небезпеки. В процесі дослідження розроблено власний програмний код для оцінки лісової пожежної небезпеки і її характеристик на прикладі Тимірязівського дільничного лісницт- 98 ISSN 0572-2691 ва Томської області. Програмний пакет Origin Pro використовується для візуа- лізації і додаткового розширеного аналізу даних за параметрами лісової поже- жної небезпеки. Продемонстровано процес обробки даних за грозової активності лісотаксаційними описами і метеорологічними параметрами з прив’язкою до ймовірнісної оцінки лісової пожежної небезпеки. Ключові слова: геоінформаційна система, прогноз, лісова пожежна небезпека, грозова активність, Origin Pro. N.V. Baranovskiy THE DEVELOPMENT OF APPLICATION TO SOFTWARE ORIGIN PRO FOR INFORMATIONAL ANALYSIS AND FORECAST OF FOREST FIRE DANGER CAUSED BY LIGHTNING ACTIVITY Forest fires occur for a variety of natural and man-made causes. The main natural cause of forest fires is thunderstorm activity, namely, the impact of cloud-to-ground lightning discharges. It is known that geographic information systems are widely used for analyzing spatial information. The purpose of this work is to demonstrate the capabilities of own program code interacting with the Origin Pro software for geoin- formational analysis of forest fires arising due to lightning activity. There are various ways to predict and assess forest fire danger from lightning activity. The approach of a deterministic-probabilistic forecast of forest fire danger is used. Our own program code was developed for assessing forest fire danger and its characteristics on the ex- ample of the Timiryazevskiy forestry of Tomsk Region. The application works in di- alog mode. The Origin Pro software is used for visualization and additional advanced data analysis on the parameters of forest fire danger. The data processing on lightning activity, forest descriptions and meteorological parameters with reference to the probabilistic assessment of forest fire danger is demonstrated. Keywords: geoinformation system, prediction, forest fire danger, lightning activity, Origin Pro. 1. Louvet R., Aryal J., Josselin D., Genre-Grandpierre C. R as a GIS: illustrating scale and aggrega- tion problems with forest fire data. Procedia Environmental Sciences. 2015. 27. P. 66–69. DOI: 10.1016/j.proenv.2015.07.118. 2. R: A language and environment for statistical computing reference index the R development core team. Version 2.6.2 (2008-02-08). 1999–2003. R foundation for statistical computing. Vienna, Austria. 2673 p. 3. Барановский Н.В., Кузнецов Г.В. Математическое моделирование зажигания хвойного де- рева в приближении «идеальной» трещины в коре. XXIX Сибирский теплофизический се- минар: Сб. тезисов докладов Всерос. конф. (Новосибирск, 15–17 ноября 2010 г). Новоси- бирск: Изд-во Ин-та теплофизики СО РАН. 2010. С. 30–31. 4. Самарский А. А., Николаев Е. С. Методы решения сеточных уравнений. М.: Наука, 1978. 590 c. 5. Keranen K., Malone L. Instructional guide for the ArcGIS Book. Redlands, California: Esri Press, 2018. 387 p. 6. Барановский Н.В. Теплофизические аспекты прогностического моделирования лесной по- жарной опасности. Автореф. дис. … д-ра физ.-мат. наук. Томск: ТПУ, 2012. 32 с. 7. Cummins K. L., Murphy M. J., Bardo E. A. et al. A combined TOA/MDF technology upgrade of the U.S. national lightning detection network. J. Geophys. Res. 1998. 103. P. 9035–9044. DOI: 10.1029/98JD00153. 8. Anderson K. A model to predict lightning-caused fire occurrences. Int. J. Wildland Fire. 2002. 11. N 3–4. P. 163–172. DOI: 10.1071/WF02001. 9. Larjavaara M., Kuuluvainen T., Rita H. Spatial distribution of lightning-ignited fires in Finland. Forest Ecology and Management. 2005. 208, N 1–3. P. 177–188. DOI: 10.1016/j.foreco.2004.12.005. Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2019, № 2 99 10. Chilingarian A. Thunderstorm ground enhancements — Model and relation to lightning flashes. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2014. 107. P. 68–76. DOI: 10.1016/j.jastp. 2013.11.004. 11. Горбатенко В.П., Громницкая А.А., Константинова Д.А., Ершова Т.В., Нечепуренко О.Е. Оценка роли климатических факторов в возникновении и распространении лесных пожа- ров на территории Томской области. Вестник Томского государственного университета. 2015. № 395. С. 233–240. DOI: 10.17223/15617793/395/38. 12. Горбатенко В.П., Ершова Т.В. Роль климатических факторов в возникновении лесных по- жаров на территории Томской области. Сибирский экологический журнал. 2006. № 2. С. 151–155. 13. Горбатенко В.П., Ершова Т.В. Способ определения плотности разрядов молнии в землю на территории умеренных широт северного полушария земли. Патент РФ № 2332693, опубл. 27.08.08. 14. Rodger C.J., Werner S., Brundell J.B., Lay E.H., Thomson N.R., Holzworth R.H., Dowden R.L. Detection efficiency of the VLF World-Wide Lightning Location Network (WWLLN): initial case study. Annales Geophysicae. 2006. 24. P. 3197–3214. DOI: 10.5194/angeo-24-3197-2006. 15. Baranovskiy N., Krechetova S., Belikova M., Perelygin A. WWLLN data cluster analysis meth- ods for lightning-caused forest fires monitoring. International Journal of Electrical and Computer Engineering. 2016. 6. P. 3112–3120. DOI: 10.11591/ijece.v6i6.12780. 16. Karanina S.Yu., Kocheeva N.A., Belikova M.Yu., Baranovskiy N.V. Spatial and temporal distri- bution of lightning discharges over Tomsk region according to WWLLN data for 2010–2015. Ad- vances and Applications in Statistics. 2018. 52. P. 339–362. DOI: 10.17654/as052050339. 17. Гришин А.М. Моделирование и прогноз катастроф. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2002. 122 c. 18. Титаев П.С. Имитационная модель вероятности возникновения лесных пожаров с учетом грозовой активности и антропогенного фактора. Пожаровзрывобезопасность. 2015. 24. № 5. С. 44–53. DOI: 10.18322/pvb.2015.24.5.44-53. 19. Сивухин Д.В. Общий курс физики. М.: Наука, 1977. 3. Электричество. 688 с. 20. Гришин А.М., Шипулина О.В. Математическое моделирование распространения вершин- ных лесных пожаров в однородных лесных массивах и вдоль просек. Физика горения и взрыва. 2002. 38, № 6. С. 17–29. 21. Гришин А.М. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними. Новосибирск: Наука, СО РАН. 1992. 408 с. 22. Принципы проектирования и разработки программного обеспечения. Учебный курс MCSD: Пер. с англ. М.: Издательско-торговый дом «Русская редакция». 2000. 608 с. 23. Фленов М.Е. Библия Delphi. СПб: БХВ-Петербург, 2011. 674 с. 24. Васильев В.И., Ильясов Б.Г. Интеллектуальные системы управления: Теория и практика. М.: Радиотехника. 2009. 387 с. 25. Проект организации и развития лесного хозяйства Тимирязевского мехлесхоза Томского лесохозяйственного территориального производственного объединения министерства лес- ного хозяйства РСФСР. Т. III. Таксационные описания Тимирязевского лесничества. Кн. 3. Кварталы 91–145. Инв. № 390 / Гослезхоз СССР. Всесоюзное объединение «Леспроект». Западно-сибирское лесоустроительное предприятие. Томск, 1990. 400 с. 26. Маценко В.В., Соколов А.Я., Калинин С.И. и др. Генеральный план противопожарного устройства лесов. Т. 1. Пояснительная записка. 5-99.14-17-ПМ. Государственный проект- но-изыскательский институт «Росгипролес», Алтайский филиал. Барнаул, 1999. 139 с. 27. Гришин A.M., Перминов В.А. Переход низового лесного пожара в верховой. Физика горе- ния и взрыва. 1990. 26, № 6. С. 27–35. 28. Perminov V. Mathematical modeling of crown forest fire initiation. WSEAS International Confer- ence on Engineering Mechanics, Structures, Engineering Geology (EMESEG '08). Heraklion, Crete Island, Greece, July 22-24, 2008. P. 259–264. 29. Валендик Э.Н. Ветер и лесной пожар. М. : Наука, 1965. 118 с. 30. Джарратано Дж., Райли Г. Экспертные системы: принципы разработки и программирова- ние: Пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильямс». 2007. 1152 с. 31. Рассел С., Норвиг П. Искусственный интеллект: современный подход: Пер. с англ. М.: Из- дательский дом «Вильямс». 2007. 1408 с. Получено 02.12.2018 После доработки 11.02.2019

Схожі ресурси