VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA

VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ – TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA

1 2008 ročník III

SBORNÍK vědeckých prací Vysoké školy báňské – Technické univerzity Ostrava Řada bezpečnostní inženýrství

TRANSACTIONS of the VŠB – Technical University Ostrava Safety Engineering Series

OSTRAVA

ISBN 978-80-248-1920-4 ISSN 1801-1764

Sborník vědeckých prací Vysoké školy báňské – Technické univerzity Ostrava číslo 1, rok 2008, ročník III, řada bezpečnostní inženýrství

REDAKČNÍ RADA: vedoucí redaktor: doc. RNDr. Jiří Švec, CSc. členové redakční rady: doc. RNDr. Jiří Švec, CSc., doc. Dr. Ing. Michail Šenovský, doc. Dr. Ing. Aleš Bernatík, Martina Sedlářová OBSAH Světla FIŠEROVÁ Expozice vibracemi přenášenými na ruce u osob s rozdílnou dobou pracovní adaptace ....... 1

Světla FIŠEROVÁ Současná metodologie v ergonomii pracovních systémů ..................................................... 13

Ján GLASA, Peter WEISENPACHER, Ladislav HALADA Analýza priebehu lesného požiaru pomocou počítačovej simulácie .................................... 23

Karel KLOUDA, Stanislav BRÁDKA, Renata WIRCINSKA, Hana KUBÁTOVÁ, Jitka KALÍKOVÁ Bioterorismus Příklady modelového šíření substituentu antraxu ................................................................. 35

Petr KUČERA, Jaroslav MIKLÓS Zásady při ověřování matematických modelů požáru .......................................................... 47

Bohuš LEITNER The Fatigue of Material as a Risk Item in the Process of the Reliability and Safety Prediction of Various Technical Systems .............................................................................................. 57

Luděk LUKÁŠ K některým aspektům vymezení informační podpory IZS a krizového řízení..................... 69

Václav NEVRLÝ, Petr BITALA, Michal STŘIŽÍK, Zdeněk ZELINGER, Pavel DANIHELKA, Ondřej ZAVILA, Tomáš KOLLÁRIK Laboratorní studie plamene jako nástroj pro lepší porozumění průmyslovým požárům a jejich atmosférickým emisím ............................................................................................. 79

Jiří SERAFÍN, Jaroslav DAMEC, Aleš BEBČÁK Experimentální stanovení vlivu inertu na teplotní meze výbušnosti ............... ……………89

Jiří ŠVEC, Pavel ŠVEC Fyzikální veličiny popisující vliv fyzikálních polí na člověka ........................................... 101

Jaroslav TUREČEK Detekce stopových částic výbušnin .................................................................................... 107

Miluše VÁCHOVÁ Bezpečnost vodíkových systémů ........................................................................................ 117

Peter WEISENPACHER Simulácia požiaru intravilánu – možnosti systému WFDS ................................................ 127

Světla FIŠEROVÁ1 EXPOZICE VIBRACEMI PŘENÁŠENÝMI NA RUCE U OSOB S ROZDÍLNOU DOBOU PRACOVNÍ ADAPTACE HAND-ARM VIBRATION EXPOSURE IN PERSONS WITH DIFFERENT TIMES OF WORKING ADAPTATION Abstrakt Příspěvek se zabývá problematikou měření a hodnocení expozice vibrací přenášených na ruce při práci s ručním elektrickým nářadím. Součástí příspěvku je prezentace naměřených hodnot a jejich interpretace s důrazem na délku adaptace vybraných osob, u kterých je hygienická expozice hodnocena. Abstract The contribution deals with measurement and assessment of exposure of hand-arm vibration at work with electric hand tools. Part of the contribution is the presentation of measured values and their interpretation with emphasis on the time of adaptation of selected persons who are subject to hygienic exposure assessment. Key words: Hand-arm vibration, exposure assessment, health effects, working adaptation Úvod Vibracemi, jako fyzikálním faktorem pracovních podmínek, se rozumí vibrace přenášené pevnými tělesy na lidské tělo. S ohledem na to, že vibrace mohou mít velmi nepříznivé účinky na zdraví, jsou především z preventivních důvodů stanoveny hygienické limitní hodnoty pro všechny známé možnosti expozice v pracovním i životním prostředí. Právním předpisem v České republice, kterým jsou hygienické limitní hodnoty hluku a vibrací stanoveny, je nařízení vlády č. 148/2006 Sb., o ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací. Jedná se o prováděcí předpis k zákonu č. 258/2000 Sb., o ochraně veřejného zdraví, ve znění pozdějších předpisů. Zaměstnavatelé, kteří provozují stroje a zařízení, které jsou zdrojem hluku nebo vibrací, jsou povinni technickými, organizačními a dalšími opatřeními zajistit, aby vibrace nepřekračovaly platnou legislativou stanovené hygienické limity, a to pro chráněné venkovní i vnitřní prostory staveb a aby bylo zabráněno nadlimitnímu přenosu na lidský organismus.[1] Podle způsobu přenosu a okolních podmínek rozlišujeme celkové vertikální a horizontální vibrace, vibrace přenášené zvláštním způsobem a vibrace přenášené na ruce [2]. Z hlediska výskytu nepříznivých zdravotních dopadů jsou nejzávažnější vibrace přenášené na ruce. Vibrace přenášené na ruce jsou vibrace, které se přenášejí z vibrující rukojeti nebo jiného předmětu přidržovaného rukou, zejména na ruce exponované osoby (například vibrace přenášené na ruce z rukojeti ručního mechanizovaného nářadí, vibrace přenášené z řídítek nebo volantu). 1

Ing., VŠB – TUO, Fakulta bezpečnostního inženýrství, Katedra bezpečnostního managementu, e-mail: [email protected]

1

Vliv vibrací přenášených na ruce na zdraví Vibrace přenášené na ruce se vyskytují při práci s nářadím elektrickým, pneumatickým, hydraulickým (ruční vrtačky, brusky, pily, rozbrušovačky, utahováky, pěchovačky, sbíječky, kladiva) řetězové pily se zabudovaným spalovacím motorem, úderná nářadí. K přenosu na ruce dochází při přenosu z opracovávaného materiálu např. pomocí lisů, bucharů, ve stolařských dílnách apod. V závislosti na typu a umístění pracoviště mohou vibrace vstupovat jen do jedné paže, nebo do obou paží současně a mohou být přenášené rukou a paží do ramene. Vibrace části těla a vnímané vibrace jsou často zdrojem nepohody a možného snížení pracovní výkonnosti. Je prokázáno, že dlouhodobé používání vibrujících mechanizovaných nářadí je spojeno s výskytem příznaků onemocnění postihujících cévy, nervy, kosti, klouby, svaly nebo vazivové tkáně ruky a předloktí. U vibrací, které mohou být škodlivé pro zdraví, jsou stanoveny hygienické limity. Důsledkem překračování stanovených limitů je vznik profesionálního poškození zdraví, které je hodnoceno vyhlášením nemoci z povolání nebo ohrožení nemocí z povolání. Při práci s vibrujícími nástroji a zařízeními může dojít k rozvoji onemocnění horních končetin, která jsou ve stávajícím seznamu obsažena dokonce třemi položkami, a to: • nemoci cév rukou (diagnosticky ověření bělení prstů v chladu), • nemoci periferních nervů horních končetin charakteru ischemických a úžinových neuropatií, • nemoci kostí a kloubů rukou nebo zápěstí nebo loktů – aseptické nekrózy zápěstních nebo prstních kůstek nebo izolovaná artróza kloubů ručních, zápěstních nebo loketních, spojené se závažnou poruchou funkce vedoucí k výraznému omezení pracovní schopnosti. Podmínky vzniku onemocnění jsou dosud definovány tak, že vznikají při práci s pneumatickým nářadím ručně ovládaným nebo při práci s vibrujícími nástroji s takovými hodnotami zrychlení vibrací, které jsou podle současných lékařských poznatků příčinou nemoci. Ze statistik Státního zdravotního ústavu [9], jenž každoročně zpracovává přehled vyhlášených profesionálních onemocnění, vyplývá, že přestože dochází trvale k mírnému poklesu celkového absolutního počtu vyhlášených nemocí z povolání a ohrožení nemocí z povolání, lze konstatovat, že procentuální podíl profesionálních onemocnění způsobených při práci s vibrujícími nástroji a zařízeními zůstává s mírnými odchylkami konstantní. Vyhlášená profesionální poškození zdraví způsobená vibracemi přenášenými na ruce tvoří cca 17% ze všech profesionálních onemocnění. Metody hodnocení pracovní expozice Metody hodnocení vibrační expozice i v oblasti vibrací přenášených na ruce jsou v ČR v souladu s platnými právními normami EU. Poslední direktiva týkající se vibrací působících na člověka byla přijata 25.6.2002 – The HumanVibration Directive 2002/44/EC , která stanovuje minimální zdravotní a bezpečnostní požadavky týkající expozice pracujících vystavených riziku fyzikálních faktorů – vibrací. (minimum health and safety requirements regarding the exposure of workers to the risks arising from physicalagents – vibration).

2

Při měření a hodnocení vibrací se postupuje dle normových metod, kterými se rozumí metody obsažené v české technické normě za podmínek stanovených v nařízení vlády č.148/2006 Sb., o ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací. Pro měření a hodnocení vibrací je používána ČSN EN ISO 5349 Měření a hodnocení expozice vibracím přenášeným na ruce Část 1 – všeobecné požadavky, Část 2 – praktický návod pro měření na pracovním místě. Charakteristika hodnocení pracovní expozice Pro potřeby hygienického hodnocení vibrací přenášených na ruce se jako určující veličina používá hladina zrychlení vibrací La a efektivní hodnota zrychlení vibrací a e. Hladina zrychlení vibrací La je určena vztahem La = 20 log (a/a 0) [dB] kde a a0 a0

je okamžité zrychlení vibrací v m.s-2, je referenční hladina zrychlení vibrací v m.s-2, je 10-6 m.s-2.

Efektivní hodnoty zrychlení vibrací a e je určena vztahem ae=

1 T 2 a (t )dt T ∫0

[m.s-2]

kde a(t) je okamžité zrychlení v m.s-2, T je doba, pro kterou je třeba určit efektivní hodnotu zrychlení v s. Hladiny zrychlení vibrací a efektivní hodnoty zrychlení vibrací jsou vzájemně zastupitelné veličiny vibrací. Vážená hladina zrychlení vibrací Law je hladina zrychlení vibrací, která odpovídá kmitočtové korekci pro daný způsob a podmínky přenosu a směr vibrací. Vyjadřuje se v dB. Souhrnná vážená hladina zrychlení vibrací je dána vektorovým součtem vážených efektivních hodnot zrychlení ve třech ortogonálních osách. Kmitočtová pásma, ve kterých je třeba hodnotit vibrace s ohledem jejich působení na člověka, jsou u vibrací přenášených na ruce v rozmezí 8 – 1000 Hz. Limitní hodnota (nejvyšší přípustné hodnoty) stanovená [2] pro osmihodinovou pracovní dobu pro vibrace přenášené na ruce je to Lahv,8h = 123 dB (průměrná souhrnná vážená hladina zrychlení vibrací), to je ahv,8h = 1,4 m.s-2 (průměrná souhrnná vážená hodnota zrychlení vibrací). Tento limit je zároveň určující pro zařazení práce do 3. rizikové kategorie práce [4]. Pro jinou denní pracovní dobu se stanoví limitní hodnota tak, (nebo pracovní dobu – dobu skutečné expozice vibracím), že se připočte korekce KT, vypočtená podle vztahu: KT = 10 log (480/T) [dB] kde T

je pracovní doba ve vibracích v minutách za směnu [2]

3

Při výpočtu expozice a objektivizaci celkové zátěže je možné také stanovení průměrné expozice vibracím za více pracovních dnů. Použití je namístě na takových pracovištích, kde pracovní doba není rovnoměrně rozložena a kde dochází v průběhu týdne k značným změnám expozice, ale týdenní expozice vibracím se však výrazně neliší. Nejčastěji se v provozních podmínkách jako rizikový faktor pracovního prostředí vyskytují vibrace přenášené na ruce, a to z vibrujících nářadí, vibrujících strojů nebo vibrujících opracovávaných předmětů. Měření vibrací přenášených na ruce Vibrace se standardně měří v místě přenosu vibrací na člověka. Tedy tam, kde se vibrující zařízení stýká s lidským organismem. Při hodnocení nepříznivého působení vibrací přenášených na člověka je rozhodující způsob přenosu, dominantní směr a frekvence vibrací. Pro posouzení směrových účinků vibrací byly stanoveny soustavy souřadnic lidského těla a ruky, ve kterých se provádí měření. Zásadně hodnotíme jen posuvné, neboli translační vibrace. Kmitočet vibrace se sleduje zejména za účelem omezení nepříznivého působení vibrací na rezonančních frekvencích lidského organismu. Nezbytné je zajistit dodržování nejvyšších přípustných hodnot vyjadřovaných obvykle jako nejvyšší přípustná vážená hladina zrychlení vibrací platná pro osmihodinovou pracovní směnu [6]. Místní vibrace přenášené na ruce se měří ve všech třech směrech pravoúhlé soustavy, které odpovídají osám x, y a z biodynamické soustavy. Bazicentrická soustava souřadnic odpovídá biodynamické soustavě obecně natočené v rovině y-z tak, že směr y je rovnoběžný s osou rukojeti [5]. Nejistoty měření a hodnocení expozice vibrací přenášených na ruce Vibrace lze měřit pro jednotlivé osy buď současně, nebo postupně. Postup měření závisí na typu požitého měřicího přístroje. Je-li to možné, upřednostňuje se měřit chvění ve všech třech osách současně. Postupná měření v každém ze tří směrů jsou přípustná pouze tehdy, pokud při všech měřeních budou dodrženy stejné nebo podobné provozní podmínky. Biologické účinky vibrací jsou závislé na spojení ruky se zdrojem chvění. Toto spojení může značně ovlivnit velikost naměřených hodnot [3]. Proto se musí měření provádět za působení sil, které jsou reprezentativní pro spojení ruky s vibrujícím mechanizovaným nářadím, rukojetí nebo opracovávaným předmětem při typické činnosti nářadí nebo typickém pracovním postupu. Mechanické vibrace zpravidla obsahují velký počet složek, vyskytujících se současně na mnoha frekvencích, takže pouhým pozorováním časového průběhu jeho amplitud nelze určit ani počet, ani frekvence jednotlivých složek. Jednotlivé složky mechanického chvění mohou být zjištěny pouze ze závislosti jeho amplitud na frekvenci. Rozklad složených vibrací na frekvenční složky se nazývá frekvenční vážení a je jednou ze základních metod v oboru měření vibrací [7]. Zdroje nejistoty závisejí na měřené pracovní činnosti. Při měření vibrací přenášených na pracovníky bude nejistota ovlivněna činiteli, které se vztahují k jednotlivým měřením, jako jsou [5]:
přesnost měřicího přístroje,
kalibrace,
elektrické rušení kabelů,
připevnění, hmotnost a umístění accelerometru,
změny v metodě práce obsluhy v důsledku toho, že je předmětem měření.

4

Kromě toho nejistota souhrnného hodnocení expozice vibracím bude ovlivněna změnami, které se vyskytnou v průběhu pracovního dne, jako jsou:
změny stavu mechanizovaného nářadí a vloženého nástroje (např. změny brusného kotouče mohou výrazně změnit vibrace přenášené na obsluhu),
změny polohy a vyvíjených sil, adaptabilita obsluhy
změny ve vlastnostech obráběných materiálů. Experimentální měření v reálných podmínkách Experimentální měření proběhlo s cílem potvrzení výše uvedeného předpokladu vlivu adaptability obsluhy na velikost expozice. Vyšší expozice by měla být zjištěna u osoby neadaptované a to ve všech třech ortogonálních osách působení. Měření pracovní zátěže vibrací přenášených na ruce bylo prováděno při obvyklé činnosti broušení hranolu ze smrkového dřeva o šířce cca 60 mm pásovou bruskou. Výše zmíněnou činnost postupně prováděli dva lidé, nejprve zacvičený – adaptovaný pracovník a poté neadaptovaný pracovník, který s podobným zařízením pracoval poprvé. Důvodem takto koncipovaného měření přenosu vibrací na horní končetiny dvou osob při použití stejného nářadí a stejného pracovního postupu při opracovávání stejného materiálu bylo vzájemné porovnání naměřených hodnot expozice adaptované a neadaptované osoby. Pro hodnocení naměřených výsledků se předpokládá, ţe ani jedna z exponovaných osob mimo expozici danou bruskou (po dobu 30 min) nebude vystavena dalším zdrojům chvění v průběhu zbývající osmihodinové pracovní směny. Měření se uskutečnilo [8] v prostorách Fakulty bezpečnostního inženýrství VŠB – TUO a provádělo se za standardních podmínek odpovídajících běžné práci s daným typem zařízení. Měření probíhalo na venkovní rampě, podmínky měření byly následující: venkovní teplota – 12,3oC, relativní vlhkost vzduchu – 62%, atmosférický tlak – 968,5 bar. Zdrojem vibrací byla ruční elektrická pásová bruska Bosch, konkrétně typ PBS 75 AE, která se standardně používá k plošnému broušení za sucha, při vysokém úběru dřeva, umělých hmot, kovů, tmelů, lakovaných povrchů a jimi podobných materiálů. Strategie a způsob měření Vibrace byly měřeny ve všech třech směrech bazicentrické soustavy souřadnic tříosým accelerometrem typ 4524. Při měření byl snímač připevněn k podložce, a ta byla pomocí stahovacích plastových pásků a lepenky uchycena k místům úchopů jednotlivých zdrojů vibrací K realizaci měření byl použit ⅓ oktávový analyzátor signálu 2260 ObserverTM a Front–end 1700, zařízení pro snímání vibrací ve třech osách působení – tříosý snímač vibrací, typ 4524. Měřicí přístroje byly kalibrovány před a po každém měření kalibrátorem typ 4294. Všechny měřicí přístroje, včetně kalibrátoru, jsou měřicími přístroji s příslušenstvím běžně používanými pro profesionální hygienická i technická měření od firmy Brüel & Kjær, neboť splňují požadavky k měřením v ⅓ oktávových pásmech, která odpovídají požadavkům na podrobná měření v první třídě přesnosti v rozsahu ± 0,8 dB [3]. Měření proběhlo v souladu s ČSN ISO 5349 – 2 – praktický návod pro měření na pracovním místě.

5

Foto č. 1: Adaptovaná osoba při expozici v průběhu měření

Foto č. 2: Měřicí sestava: accelerometr 4524, 2260 Observer TM a Front-end 1700

6

Výsledky měření Naměřené hodnoty v ⅓ oktávových pásmech efektivních hladin vibrací Lhi obou pracovníků jsou pomocí programu Brüel & Kjær 7820 EvaluatorTM převedeny do tabulek výsledků. Program pak umožňuje prezentace všech výsledků měření jednotlivě ve třech osách působení – x,y,z, také v přehledné grafické podobě. Jednotlivá spektra grafického výstupu jsou zpracována pro obě ruce exponovaných osob ve všech směrech působení. U vibrací přenášených na ruce jsou významné frekvence od 8 do 1000 Hz. Barevně jsou rozlišeny maximální, ekvivalentní a minimální hladiny vibrací. V grafech č. 1 – 4 je dokumentována grafická prezentace pouze v osách x – obou rukou u obou exponovaných osob. Podrobné výsledky v tabulkové i grafické podobě ze všech proběhlých měření jsou obsahem zdrojového materiálu. Výsledky měření jsou přepočtené pro osmihodinovou pracovní směnu a pro dobu, kdy je pracovník vystaven působením vibrací (T = 30 minut), kde Lahv,8h je průměrná souhrnná vážená hladina zrychlení vibrací [dB], ahv,8h je průměrná souhrnná vážená hodnota zrychlení [m.s-2]. Zvýšená expozice u neadaptované osoby byla u obou rukou a ve všech třech měřených osách působení v jednotlivých frekvencích v rozsahu 0,8 – 4,7 dB [8].

Graf č. 1: Spektrum vibrací působících v ose x na pravou ruku adaptované osoby

7

Graf č. 2: Spektrum vibrací působících v ose x na pravou ruku neadaptované osoby

Graf č. 3: Spektrum vibrací působících v ose x na levou ruku adaptované osoby

8

Graf č. 4: Spektrum vibrací působících v ose x na levou ruku neadaptované osoby V tabulkách 1 – 2 jsou uvedeny přepočtené výsledky měření, a to jak v dB, tak v m·s-2. V tabulce č. 1 jsou prezentovány nižší naměřené a přepočtené expozice vibracím přenášeným na ruce u adaptované osoby, v tabulce č. 2 jsou prezentovány hodnoty neadaptované osoby. Tabulka č. 1: Výsledné hodnoty expozice adaptované osoby Přepočtená expozice vibracemi s přenosem na ruce Lahv,T ahv,T Lahv,8h ahv,8h

Pravá ruka

Levá ruka

131,7 dB 3,86 m·s-2 119,7 dB 0,96 m·s-2

128,6 dB 2,69 m·s-2 116,6 dB 0,67 m·s-2

Tabulka č. 2: Výsledné hodnoty expozice neadaptované osoby Přepočtená expozice vibracemi s přenosem na ruce Lahv,T ahv,T Lahv,8h ahv,8h

9

Pravá ruka

Levá ruka

132,8 dB 4,36 m·s-2 120,8 dB 1,09 m·s-2

131,8 dB 3,89 m·s-2 119,8 dB 0,97 m·s-2

V následujícím grafu č. 5 jsou prezentovány výsledné přepočtené hodnoty expozice z naměřených hodnot ve všech třech osách působení vibrací přenášených na ruce v dB (zvýrazněné hodnoty uvedené v tabulkách 1,2) na pravou a levou ruku u adaptované a neadaptované osoby.

Přepočtené hladiny expozice v dB pro obě ruce adaptované a neadaptované osoby

135 132 [dB]

129

Adapt.

126

Neadapt.

123 120 pravá ruka

levá ruka

Graf č. 5: Přepočtené hladiny expozice v dB pro pravou a levou ruku adaptované a neadaptované osoby

V tabulkách č. 1, č. 2 a grafu č. 5 demonstrované přepočtené hladiny expozice vibracemi přenášenými na ruce dokládají vyšší zátěž na pravou i levou ruku neadaptované osoby. Pro pravou ruku je zátěž vibracemi po provedení přepočtu vyšší u neadaptované osoby o 1,1 dB a pro levou ruku o 3,2 dB než u osoby adaptované. Závěr U všech provedených měření byly totožné podmínky prováděné činnosti i samotného průběhu měření. Naměřené hodnoty byly ve všech osách působení na obě ruce exponovaných osob vždy vyšší u osoby, která nebyla na pracovní činnost adaptovaná. Experimentálním měřením prováděným za standardních podmínek v souladu s požadavky příslušné legislativy byl potvrzen předpoklad vyšších expozic vibracím přenášeným na ruce u osoby nezacvičené a neadaptované na konkrétní pracovní výkon. Vlivem zácviku, zkušenosti s velikosti úchopu rukojeti zařízení i přidržovaného opracovávaného matriálu pro konkrétní pracovní činnost dochází ke snížení zátěže. Pro určení míry závislosti zácviku a adaptace na pracovní podmínky je potřeba provést ještě mnoho dalších ověřovacích měření. Dříve publikované i nyní prezentované výsledky měření velikosti expozice vibracím přenášeným na ruce potvrzují, že neadaptované osoby jsou vystaveny vyšší expozici.

10

Tento závěr by měl být respektován vždy při nastavení preventivních opatření, a to tak že by preventivní opatření měla být přísnější po dobu zácviku. Je známo, že preventivní opatření ke zmírnění vlivu vibrací přenášených na ruce nelze zajistit pomocí prostředků osobní ochrany. Účinná jsou opatření, která spočívají v úpravách režimu práce. U neadaptovaných osob se po dobu zácviku jedná zejména o přiměřené zkrácení jednorázové i celosměnové expozice dle konkrétních podmínek práce. Seznam použité literatury [1] [2] [3] [4]

[5] [6] [7] [8] [9]

Zákon č. 258/2000 Sb., ve znění pozdějších předpisů, o ochraně veřejného zdraví Nařízení vlády č. 148/2006 Sb.., o ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací Smetana, C.: Hluk a vibrace, Sdělovací technika, Praha 1998, ISBN 80–901936-2–5 Vyhláška MZd. č.432/2003 Sb., kterou se stanoví podmínky pro zařazování prací do kategorií, limitní hodnoty ukazatelů biologických expozičních testů, podmínky odběru biologického materiálu pro provádění biologických expozičních testů a náležitosti hlášení prací s azbestem a biologickými činiteli ČSN EN ISO 5349–1, 5349–2, Český normalizační institut, 2002 Tuček et al: Pracovní lékařství pro praxi, GradaPublishing, a.s., Praha 2005, ISBN 80–247-0927–9 Měření chvění [online]. Brüel & Kjær [cit. 2008–04-25]. Dostupný z www: Michálek, M.: Rizikový faktor vibrace, Diplomová práce VŠB – TUO, FBI 2008, obor BI Nemoci z povolání a ohrožení nemocí z povolání hlášené v České republice http://www.szu.cz/data/nemoci-z-povolani

11

12

Světla FIŠEROVÁ1 SOUČASNÁ METODOLOGIE V ERGONOMII PRACOVNÍCH SYSTÉMŮ EXISTING METHODOLOGY IN THE ERGONOMICS OF SYSTEMS OF WORKING

Abstrakt Přehledné informace o ergonomické metodologii jsou základem pro provádění efektivních ergonomických intervencí v pracovních systémech. Příspěvek se zabývá metodami v procesu komplexních ergonomických hodnocení, uvádí aktuální členění a přehled metod a technik pro použití v ergonomii pracovních systémů. Abstract Clear information on the ergonomics methodology forms a basis for carrying out effective ergonomic interventions in systems of working. The contribution deals with methods in the process of comprehensive ergonomic evaluations, presents the current division and overview of methods and techniques for application in the ergonomics of systems of working. Key words: ergonomics methodology, human factors, methods, systems of working Úvod Na mezinárodní úrovni prochází současná ergonomická metodologie neustálým vývojem, který spočívá především v ověřování účinnosti aplikací vhodných metod v různých podmínkách a také ve zvyšujících se požadavcích technické praxe. Správné posouzení a zhodnocení pozice člověka v pracovním systému předpokládá respektování vyváženého pohledu na dva základní významné aspekty, a to technický a lidský. Jedině za splnění tohoto předpokladu lze očekávat dlouhodobé efektivní výsledky. Jejich dosažení je podmíněno důsledným využitím vědeckých poznatků o dispozicích a kapacitách lidského jedince ve vztahu k zařízení, dle jeho specifikace, účelu hodnocení nebo navrhování nových funkčních systémů [6]. Lidský činitel (Human Factor – HF) z širšího pohledu pokrývá všechny aktivity, kde dochází k interakci s okolím – se zařízením pro provádění analýz, pro navrhování nářadí a strojů k jednotlivé či týmové práci a také ostatní varianty související s navrhováním a hodnocením práce, pracovních úkolů včetně organizace práce. V roce 2000 byl použit termín Human Factors Integration (HFI) – jedná se o určení vyváženého vývoje technických oblastí se srovnatelným důrazem na aspekty lidských i technických dispozic pro hodnocené a navrhované pracovní systémy včetně využití všech současných vědeckých poznatků [4]. Současný stav metodologie v ergonomii pracovních systémů Metody, které se týkají hodnocení zdravotních rizik, jsou již ve velké míře podpořeny mezinárodními standardy a jsou zpracovány také do národních právních předpisů. V České republice je to zejména zákon o ochraně veřejného zdraví, zákoník práce a příslušné 1

Ing., VŠB – TUO, Fakulta bezpečnostního inženýrství, Katedra bezpečnostního managementu, e-mail: [email protected]

13

prováděcí právní předpisy a významná z hlediska metodologie je řada harmonizovaných technických předpisů – technických norem. Mezinárodní systémové standardy jsou zaměřeny jak na všeobecné ergonomické principy, tak na specifické disciplíny a oblasti ergonomických aktivit. Část z těchto mezinárodních standardů je dostupná také v češtině, a to jako ČSN ISO, ČSN EN ISO a jejich anotace jsou k dispozici na webových stránkách Českého normalizačního institutu. Jsou to např. ČSN EN ISO 14121: Bezpečnost strojních zařízení – Posouzení rizika – Zásady, ČSN EN 894: Ergonomické požadavky pro navrhování sdělovačů a ovladačů, ČSN EN ISO 6385 – Ergonomické zásady navrhování pracovních systémů, atd. Na mezinárodní úrovni dochází, i díky koncepčním přístupům Mezinárodní ergonomické společnosti (International Ergonomics Association – IEA), průběžně k ověřování i v oblasti ergonomické metodologie. V současné době jsou známy ověřené podklady o poměrně velkém množství metod, více než dvě stě, které souvisejí s hodnocením, posuzováních ergonomických (HF) parametrů jak v systémech již probíhajících, tak při navrhování nových systémů. Současná dostupnost metodik, prezentací výsledků a doporučení je ovšem v národních podmínkách minimální. Některé metody lze použít jak pro predikci situací tak i pro hodnocení člověka. Tato flexibilita použití je pro ergonomická hodnocení velmi výhodná [1]. Faktory, které musí být pro potřebu volby metody hodnocení i navrhování zohledněny, jsou zejména:
přesnost metody (míra integrace prvků metody získaných odhadem),
rozsah metody a druh hodnocených kritérií (časové nároky, odborné nároky, nároky na komunikaci, pohyb, prostředky atd.),
přijatelnost a přiměřenost metody (k analyzovaným osobám, ke kontextu k účelu – doméně, dostupným zdrojům, apod.),
návratnost a úměrnost vynaložených nákladů. V praxi se obvykle postupuje podle standardů, které jsou obsahem právních a technických předpisů. Správné uplatnění metod musí sloužit technické praxi pro účely hodnocení a navrhování pracovních systémů s cílem zlepšení a optimalizace procesů s důrazem na lidský faktor. Pro takováto použití je na místě, aby přístup k efektivním, vhodným a ověřeným metodám byl dosažitelný a co nejlépe přehledně strukturován, a to tak, aby již první chybou hodnocení nebyla nesprávná volba metody. Vědecko – praktický přístup k metodologii v ergonomii Vědecko – praktický model [3] přihlíží k účelu a cílům využití výsledků aplikované metody. K ergonomickým aktivitám obecně musí být přistupováno z vědeckého i z praktického hlediska. Ergonom jako vědec tedy musí:
rozšiřovat oblast činností (přidávat práci i ostatním),
provádět testování – ověřování teorií vazby člověk – stroj v praxi,
rozšiřovat předpoklady a vytvářet hypotézy,
zkoušet, zjišťovat, dotazovat se,
používat přesných dat a analytických technik,
ověřovat a zajišťovat reprodukovatelnost výsledků,
rozšiřovat oblasti poznání. Ergonom jako praktik musí:
určit a definovat reálný problém,
nalézt nejlepší řešení – kompromis za velmi složitých okolností,

14








znát nejlepší nákladově efektivní řešení, vyvíjet potřené pomůcky a prototypy řešení, analyzovat a hodnotit výsledky návrhů, vyvíjet a navrhovat zásady pro lepší praxi, překonávat komunikační bariéry např. zajímavými tématy.

V reálné praxi je potřeba vyhovět oběma přístupům – vědeckému i praktickému. Také metody používané v ergonomii musí odpovídat oběma modelům. Pak je možné očekávat, že dosažené výsledky skutečně povedou ke zlepšení podmínek práce a tedy splnění stanovených cílů. Lze sumarizovat osm nejčastějších otázek [1], které jsou významné pro použití metod ergonomických hodnocení:
jaká by měla být hloubka provedené analýzy,
kterou z metod sběru dat bude vhodné použít,
jak by měla být analýza provedena a prezentována,
která z metod by měla být použita pro samotné ergonomické hodnocení,
kolik času a sil bude zvolená metoda vyžadovat,
zda a jaké druhy posudků je potřeba pro realizaci vybrané metody,
jaké nástroje a jakou další podporu metoda vyžaduje,
jak spolehlivá je metoda, jaká je platnost jejích výsledků. Odpovědět spolehlivě a zodpovědně na takto formulované otázky je velmi náročné. Přehledným popisem a tříděním jednotlivých metod lze dosáhnout vyšší efektivity výběru vhodné metody pro konkrétní podmínky použití a pro další práci se získanými výsledky. Proces komplexního ergonomického hodnocení Při celém procesu komplexního ergonomického hodnocení je velmi významná první část řešení, kde je potřeba provést co nejlépe:
definici problému včetně přípravné studie a studie proveditelnosti a samotné analýzy dat a získaných výstupů,
výběr nejlepší a nejvhodnější metody,
práci s lidmi jako s účastníky výzkumu a posuzování,
další šetření pro ověření správnosti volby metody pro konkrétní aplikaci výsledků. Metody jsou klíčovým komponentem úspěšnosti realizace ergonomických hodnocení a následné realizace návrhů pro zlepšení – optimalizaci pracovních podmínek a pozice člověka v pracovním systému. Metody, jejich znalost a správný výběr pro konkrétní situaci a problematiku jsou významné:
při sběru dat o lidech,
při rozvoji a zlepšování systémů,
při hodnocení systémových uspořádání,
při hodnocení dopadů a vlivů práce na člověka,
při poznávání proč systémy selhávají,
při rozvoji programů řízení s ergonomickým přístupem. Vlastní řešení ergonomického problému je v metodě uspořádáno ve formě algoritmu, kterým je charakterizován předepsaný proces operací konaný v časovém sledu po krocích, jejichž popis lze vyjádřit slovně nebo graficky, a je zárukou, že povede k předpokládanému

15

výsledku. Algoritmem rozumíme záznam jednoznačně určených kroků k řešení úlohy a má tyto základní vlastnosti: elementárnost, determinovanost, konečnost, rezultativnost, hromadnost Při aplikaci metody nebo kombinace metod i při práci se získanými výsledky je ovšem potřeba dbát na všechny výše uvedené aspekty a zejména zpětnou vazbu celého ověřovacího a intervenčního procesu. Tento je znázorněn na následujícím schématu obrázku č. 1.

Určení kritérií pro ergonomickou analýzu

Výběr souboru metod odpovídající kritériím

Zhodnocení výběru metody Zhodnocení volby kritérií

Vyhodnocení efektivity provedené intervence

Hodnocení procesu analýzy

Výběr a aplikace metody : Výsledky analýzy

Práce s výsledky: Rozhodnutí o ergonomické intervenci

Obrázek č. 1: Proces hodnocení výběru metod a ergonomické intervence [3]

Přestože signifikantní pro procesy ergonomických hodnocení je improvizační charakteristika postupů, a to podle množství aspektů, faktorů, vlivů a vzájemných vazeb v systémech, je pro každé ergonomické šetření důležitá jeho rámcová struktura. Nejdůležitějším kritériem pro správné definování problému a volbu vhodné odpovídající metody je stanovení účelu a cíle plánovaného šetření. Pro rozhodování o metodách, technikách a postupech zjišťování je nezbytné poznání a posouzení situace v konkrétních podmínkách. Hlediska výběru metod vhodných pro aplikaci Výběr vhodné a spolehlivé metody či vhodné kombinace metod závisí již na prvotní rozvaze o charakteristice ergonomického hodnocení a na zohlednění všech závažných aspektů, které jsou pro hodnocení významné, a to volbě metody po definici problému, stanovení účelu a cíle zkoumání a podrobný rozbor problematiky a situace, jejich správné pochopení. Důležitý pro celou realizaci ergonomických záměrů je zvolený přístup k prezentaci problému a očekávanému výstupu zkoumání [2]. Názor, že výběr metody je závislý jen na rozdělení na druh metody a pak z „dostupné“ nabídky metod provedení volby je ještě i u odborníků, kteří se touto problematikou zabývají převládající. Nutně je ovšem při volbě vhodné metody potřeba respektovat hlediska výběru, která mohou být

16

rozčleněna následovně: 1) praktické hledisko – hloubka zkoumání, přijatelnost metody, zdroje, užitečnost, přínos, 2) psychometrické hledisko – platnost (specifika), struktura, návaznost, podoba, spolehlivost (reprezentativnost), přesnost, teoretický základ, objektivnost. Po rozdělení metod do základních kategorií je další rozhodování o vhodnosti výběru metody určováno následujícími aspekty: a) Které jsou významné proměnné – jak jsou definovány, jak budou zaznamenány, b) Jaké budou výsledky analýzy – kvalitativní, kvantitativní, obojí, c) Jaké budou úrovně zkoumání – kdo, co se bude na zkoumání podílet, kde bude šetření probíhat, jaké zařízení a nástroje budou potřeba. Výběr metody nebo kombinace metod by mělo vést vždy k dalším diskusím, jak potvrdit získané výsledky, jak zlepšit výstupy pro daný účel použití. Nevhodný výběr metody pro daný účel a cíl použití vede ke ztrátám času a prostředků, v nejhorších případech ke zdravotním a bezpečnostním ohrožením a pro neúspěšného realizátora taktéž ke stresům a případně k omezení profesních kompetencí [2]. Obecné rozdělení typů metod ergonomických hodnocení Rozdělovat poznané a aktuálně publikované metody pro účely ergonomických hodnocení pracovních systémů s cílem nastavení efektivní ergonomické intervence, pro navrhování nových pracovních systémů můžeme dle různých kritérií. Metody ergonomických hodnocení a pozice člověka v pracovních systémech můžeme rozdělit rámcově dle obecných metodologických kritérií [3] na:
deskriptivní metody,
metody experimentálního výzkumu,
metody vyhodnocovací. Deskriptivní metody se mohou věnovat událostem, podobám a podmínkám v závislosti na zkušenostech, charakteru a zvláštnostech systému. V případě metod, které se zabývají popisem osob, určité skupiny populace nebo zaměstnanců musí být v prvé řadě hledána odpověď na základní otázky: kdo, co, kdy, kde, jak. Objektivita deskriptivních metod je závislá na kvalitě a hloubce záběru, vlastnostech a vzájemných vztazích jednotlivých atributů. Deskriptivní metody jsou využívány v ergonomii zejména jako podkladové – vstupní, na základě jejích výstupů a výsledků mohou být realizovány další specifické metody hodnocení. Experimentální metody jsou známy a publikovány také pod názvem empirické metody. Tyto metody jsou určeny k hodnocení vzájemných vztahů v rámci systému a jeho uspořádání. U posuzování lidského faktoru se jedná o účelové rozlišení náhodných selhání od selhání vázaných na některý z prvků systému. V experimentálním zkoumání vzájemných interakcí lidského faktoru, strojního zařízení a pracovního prostředí, je typická rozmanitá manipulace s proměnnými, které mohou být prováděny na systému a pak pozorován vliv a dopad změn. Reprezentativnost výsledků a jejich platnost je často velmi sporná, neboť výsledky závisí na jednorázovém průběhu a podmínkách aplikace experimentální metody. Vyhodnocovací metody jsou známy a publikovány také pod názvem evaluační metody. Jsou specifické pro objektivní hodnocení i návrhy produktů, výrobků, technologií, procesů, postupů, činností. Cíle aplikace vyhodnocovacích metod jsou obvykle završením aplikací metod deskriptivních a experimentálních. Aplikace vyhodnocovacích metod

17

je významná pro navrhování a řešení systémů a jejich aplikace je důležitá v konkrétních reálných podmínkách. Účelem aplikace vyhodnocovacích metod je objasnění vzájemných interakcí v pracovních systémech, ověřování funkčnosti a bezpečnosti systémů, vyhodnocování, zda systém, který je nastaven, odpovídá předpokládaným vlastnostem. Vyhodnocovací metody jsou užívané nejen při hodnocení produktů a systémů včetně pracovních, ale také při navrhování výrobků a pracovních systémů. U metod, které lze respektovat jako použitelné v současných podmínkách pro hodnocení nebo projektování, musí být dispozici dostatek údajů o jejich aplikaci, a to v reálných nebo laboratorních případových studiích. Další rozčlenění může být provedeno na základě psychometrických vlastností, problémů praxe, popisu, výzkumu a hodnocení procesů. Významné je rozlišování úrovně objektivity metody – zda se jedná o metody objektivní nebo subjektivní, dle toho zda se jedná o koncepty posuzování kvalitativní nebo kvantitativní. Členění metod je možné také provádět dle ergonomických disciplín na fyzikální, psychofyziologické, metody studia chování a poznávací metody, týmové metody, metody pro hodnocení prostředí, makroergonomické metody [3]. Také lze metody rozčlenit dle účelu použití ergonomických hodnocení [1] na metody určené ke sběru dat, metody pro využití v systémové analýze a designu, metody určené k hodnocení vztahů člověk – stroj v pracovních systémech, metody určené k hodnocení dopadů a účinků na člověka, metody určené k rozvoji programů managementu. Rozdělení ergonomických metod dle účelu použití Metody ergonomických hodnocení jsou vyšetřovacím nástrojem použitelným pro hodnocení a posuzování charakteristik uživatele i systému samotného. Jejich aplikace vyplývá z požadavků daných schopnostmi, limity a požadavky všech prvků systému [4]. Databázi publikovaných ergonomických metod lze také rozdělit do jedenácti následujících kategorií: 1. Metody sběru dat Metody sběru dat jsou užívány ke sběru specifických dat vztahujících se k systému nebo scénářům. Jedná se o výchozí metody pro navrhování a projektování nových systémů a pro posuzování aktuálně provozovaných systémů. 2. Analytické metody Tyto metody (Task Analysis) jsou užívány k analýzám pozice člověka a jeho role při výkonu úkolů a scénářů v systémech. Analytické metody specifikují úkoly nebo scénáře (např. pracovní postupy, pracovní náplně) do jednotlivých kroků, pro vzájemné interakce člověk – stroj, člověk – člověk (další osoby). 3. Poznávací analytické metody Metody CTA (Cognitive Task Analysis) jsou užívány k popisu dosud neznámých souborů uspořádání činností a úkonů. Tyto metody jsou používány při popisu mentálních procesů systémových operátorů při kompletování a sestavování prováděných úkonů a jejich souborů. 4. Diagramové moduly Jsou užívány ke grafickému zobrazení úkolů a procesů prostřednictvím standardizovaných symbolů. Výstup diagramových metod a technik může být podkladem pro poznání a porozumění odlišným sekvencím úkolů, které jsou obsaženy jako část celkového

18

scénáře – snímku práce. Dále jsou užívány k objasnění časových harmonogramů úkonů, které mohou nastat a které technologické aspekty systému a jeho vazeb jsou požadovány. 5. Metody zjišťování lidských selhání Metody zjišťování lidských selhání (HEI – Human Errors Identification) jsou určeny k předvídání, zjišťování možných selhání člověka v pracovním systému, zejména těch, které mohou nastat v interakci se strojním zařízením. Aplikací metod HRA – Human Reliability Analysis je pak prováděna kvantifikace případů selhání člověka v systému. 6. Analýzy mentální pracovní zátěže Mentální zátěž reprezentuje míru dispozic člověka pro zvládání požadavků na něj kladených. Existuje takových metod poměrně mnoho a umožňují široké využití při hodnocení procesů i jejich projektování. 7. Situační měřicí metody Analýza připravenosti člověka na situace, které mohou v systému nastat, jsou užívány pro určení požadavků na znalosti a schopnosti operátorů a obsluhy strojního zařízení. Jsou také konfrontací s určením cílových požadavků na funkčnost systému a kvalitu připravenosti managementu ve vztahu k odpovídajícímu pochopení zadání pro jednotlivé úkony a jejich vzájemné vazby. Slouží také k projektování celkového uspořádání systému. Tyto techniky se používají pro hodnocení částečná i komplexní zejména dynamických systémů. 8. Analýzy vzájemných vazeb Metody a techniky používané pro analýzy vzájemných vazeb v systému slouží k hodnocení i návrhy a projektování požadavků a funkcí vzájemných propojení mezi jednotlivými složkami systému s cílem optimalizace včetně hodnocení např. spokojenosti zaměstnanců i zvažování jejich názoru. 9. Metody projektování Jsou metody, které jsou typické zejména pro použití při návrzích a projektování nových systémů, činností a vazeb s lidským faktorem při procesech – jednotlivců, skupin a návaznosti v rámci velkých pracovních týmů. 10. Metody pro hodnocení a nastavení výkonu Slouží pro určení odpovídajících časových nároků na pracovní úkony, úkoly a činnosti včetně tvorby návrhů celkových pracovních snímků a scénářů. 11. Týmové výkonové analýzy Jsou užívány pro hodnocení výkonu skupin a týmů pro jednotlivé činnosti i celkové scénáře a snímky práce. Pro taková hodnocení je specifikována zpravidla celá řada aspektů a ty jsou poté vyhodnocovány a srovnávány. Je posuzována požadavky a úroveň vzájemné komunikace, informovanosti, spolurozhodování, zátěže a spolupráce. Při ergonomickém hodnocení práce a podmínek člověka v pracovních systémech je nutno vždy zohlednit specifika a konkrétní situaci. Nezbytné je rovněž ověřování správnosti použité volby metody. Z hlediska uplatnění ergonomických (HFI) metod v technické praxi je vhodné členění vybraných metod dle ergonomických disciplín.

19

Rozdělení vybraných metod dle ergonomických disciplín Z hlediska uplatnění ergonomických (HFI) metod v technické praxi je vhodné členění vybraných metod dle ergonomických disciplín:
metody fyzikální např. PLIBEL (The Method Assigned for Identification of Ergonomic Hazard), DMQ (The Dutch Muskuloskeletal Questionnaire), RULA (Rapid Upper Limb Assessment), REBA (Rapid Entire Body Assessment), OCRA (The Occupational Repetitive Action), PDA (Personal Digital Assistant Technology)
metody psychofyziologické např. EMG (Electromyography), EDM (Electrodermal Measurement), měření krevního tlaku, měření tepové frekvence
metody studia chování a poznávací metody např.: VPA (Verbal Protokol Analysis), HTA (Hierarchical Task Analysis), ACWA (Applied Cognitive Work Analysis)
týmové metody např.: DSTT (Distributed Simulation Training for Teams), EBAT (Event-Based Approach to Training)
metody pro hodnocení prostředí metody měření a hodnocení RF
makroergonomické metody např.: MOQS (Macroergonomic Organizational Questionnaire Survey), PE (Participatory Ergonomics), MEAD (Macroergonomic Analysis and Design) Existují ještě další přehledová i podrobná členění metod z různých hledisek. Správnost zvolené metody závisí na celé řadě závažných aspektů, ale klíčovým předpokladem je kromě znalosti a dostatečného poznání pracovního systému také dostatečný přehled o metodách, jejich vlastnostech a možnostech použití. Účinnost ergonomické intervence Pod pojmem „účinná ergonomická intervence“ rozumíme dosažení stanoveného cíle zlepšení – pracovních podmínek ze zdravotního hlediska, bezpečnosti práce, organizace práce, zvýšení produktivity práce, kvality práce, výkonnosti [8]. Pro aplikaci a účinnost ergonomických intervencí je primární podpora na pracovišti a určení jejich priority v programu bezpečnosti a ochrany zdraví. Identifikace rizikových faktorů a následných poškození zdraví je prvý krok při zabývání se expozicemi v pracovních systémech. Kvantifikace symptomů nebo onemocnění a vývoj frekvence výskytu i míry prevalence, pomáhají stanovit velikost problémů na pracovišti. Identifikace rizikových faktorů při práci podle práce nebo úkolu pomáhá formulovat kde a pro koho by se měla intervence provést. Pro hodnocení efektivnosti snižování expozice rizikovým faktorům v pracovním prostředí je nutné vycházet z objektivního a kvantitativního ocenění příslušných faktorů. Jakmile je

20

intervence realizována a přijata na pracovišti, lze hodnotit její účinnost sledováním snižování počtu případů a závažnosti zranění a symptomy pracovníků. Analýza ekonomické efektivnosti intervence může být provedena proto, aby se stanovily spojené účinky na úrazovost, nemocnost, produktivitu a kvalitu. Určení měřitelných cílů a výstupů ergonomické intervence je základem pro její úspěšnost [6]. Dalším krokem v procesu realizace ergonomické intervence je stanovení úrovní expozice rizikovým faktorům pracovního prostředí, které mají ze zdravotního hlediska vliv na kvalitu pracovních podmínek. Nástrojem pro jejich stanovení je provedení objektivní kategorizace prací včetně podrobného posouzení fyzické a fyziologické zátěže a přijatelnosti pracovních poloh [7]. V mnoha případech reálných problémů je potřeba kompromisního řešení tak, aby byly v rovnováze reálné možnosti firmy i dosažený efekt. Motivací k provádění dalších ergonomických hodnocení a studií kromě zásadních rozhodnutí ke zlepšení pozice člověka v pracovním systému z hlediska bezpečnosti a výkonnosti je obvykle problém, zjištěný odborníkem, specialistou na ergonomii, personálním, výrobním nebo finančním managementem [5]. Závěr Příspěvek je úvodem do studia metodologie v oblasti ergonomie pracovních systémů. Současné vědecké poznatky i poznatky a výstupy z technické praxe budou podkladem pro další zkoumání metod, a to zejména z hlediska možností jejich aplikace v reálných podmínkách. Metody ergonomických hodnocení jsou vyšetřovacím nástrojem použitelným pro hodnocení a posuzování charakteristik uživatele i systému samotného. Aplikace vyplývá z požadavků daných schopnostmi, limity a požadavky všech prvků systému. Správné uplatnění metod musí sloužit pro účely hodnocení a navrhování pracovních systémů s cílem zlepšení a optimalizace procesů s důrazem na lidský faktor. Seznam literatury [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]

[8]

Wilson,J.R., Corlett, N.: Evaluation of Human Work, Taylor&Francis Group, CRC, 2004, ISBN: 0-415-26757-9 Salvendy,G.: Handbook of human factors and ergonomics, John Wiley & Sons,Inc., USA, 2006, ISBN: 0-471-44917-2 Stanton et al.: Human Factors Methods, ASHGATE, UK, 2005, ISBN: 0-7546-4661-0 Karwowski,W.: Handbook of Standards and Guidelines in Ergonomics and Human Factors, IEA, UK, 2006, ISBN: 0-8058-4129-6 Charlton, S., O´Brien, T.: Handbook of Human Factors Testing and Evaluation, 2001, ISBN: 0805832904 Taylor et al: Enhancing Occupational Safety and Health, Elsevier, UK, 2004, ISBN: 0-7506-6197-6 Fišerová, S.: Metody v ergonomii pracovních systémů, In Sborník přednášek mezinárodní konference BOZP 2008, Ostrava, VŠB-TUO, SPBI, s. 46 – 53, ISBN 978–80-7385–038-8 Hudock,S.D.: Development of Effective Ergonomic Interventions, IOHA 2005 Pilanesberg, PK1-1

21

22

Ján GLASA1, Peter WEISENPACHER2, Ladislav HALADA3 ANALÝZA PRIEBEHU LESNÉHO POŽIARU POMOCOU POČÍTAČOVEJ SIMULÁCIE ANALYSIS OF FOREST FIRE BEHAVIOUR BY COMPUTER SIMULATION Abstrakt Práca stručne zhŕňa existujúce metódy modelovania šírenia sa lesných požiarov a programové systémy, ktoré sú založené na týchto modeloch. Ich možná aplikácia na simuláciu lesných požiarov na území Slovenska je ilustrovaná na rekonštrukcii konkrétneho ničivého lesného požiaru, ktorý vypukol v októbri roku 2000 a spôsobil smrť šiestich osôb. Na rekonštrukciu požiaru bol použitý programový systém FARSITE adaptovaný na špecifické podmienky Slovenska, ktorý umožnil analyzovať správanie sa požiaru v tomto regióne. Abstract In this paper existing methods of forest fire modelling and program systems based on these models are briefly summarized. Their possible utilization for the forest fire simulation in Slovakia is demonstrated by computer reconstruction of a tragic destructive forest fire in the locality Krompla in Slovak Paradise National Park. This fire caused the death of six people in October 2000. The program system FARSITE adapted for specific conditions in Slovak forests was used to analyse fire behaviour in the region. Keywords: forest fire modelling and simulation, forest fire behaviour, FARSITE, decision support, forest fire management Úvod Lesné požiare patria k najničivejším prírodným fenoménom, ktoré ohrozujú nielen majetok, prírodu a životné prostredie, ale aj ľudské životy. Každoročne spôsobujú obrovské škody na drevnej hmote a vegetácii a silne devastujú prirodzený ráz krajiny, existujúce ekosystémy a životné prostredie územia zasiahnutého požiarom. Podľa štatistík o lesných požiaroch v desaťročnom období na prelome milénia (r. 1994-2005) bolo na Slovensku 43 obetí požiaru, z toho 35 zranených a 8 usmrtených osôb [31]. Počas lesného požiaru v lokalite Krompľa v Národnom parku Slovenský raj v roku 2000 prišlo o život 6 osôb. Tento požiar zničil okolo 80 ha lesa včítane časti cenných pôvodných porastov v Národnej prírodnej rezervácii Tri kopce. Počas tohto požiaru sa objavili rôzne názory na taktiku a možné spôsoby boja s požiarom dostupnými pozemnými prostriedkami v podmienkach vysokého stupňa ochrany prírody. Zároveň sa ukázala dôležitosť rýchlych a efektívnych prostriedkov na hasenie požiaru v ťažkom, nedostupnom teréne. Žiaľ, v tom čase na Slovensku nebol k dispozícii žiaden programový systém na počítačovú simuláciu šírenia sa požiaru, ktorý by 1

2

3

RNDr., CSc., Slovenská akadémia vied, Ústav informatiky, Dúbravská 9, 845 07 Bratislava, e-mail: [email protected] Mgr., PhD., Slovenská akadémia vied, Ústav informatiky, Dúbravská 9, 845 07 Bratislava, e-mail: [email protected] doc. RNDr., CSc., Slovenská akadémia vied, Ústav informatiky, Dúbravská 9, 845 07 Bratislava, e-mail: [email protected]

23

bol použiteľný na podporu strategických rozhodnutí protipožiarneho manažmentu. Jednou z možností, ako zlepšiť efektívnosť zásahu a zvýšiť bezpečnosť zasahujúcich požiarnikov a záchranárov je predpovedať správanie sa požiaru v danej topografii pomocou počítačových simulátorov požiarov. Toto tvorilo jadro našej motivácie, výsledkom čoho bolo vytvorenie národného konzorcia 4 inštitúcií na výskum počítačovo-riadenej simulácie šírenia sa lesného požiaru a jej možného použitia na podporu rozhodovania v podmienkach Slovenska. Spomedzi dostupných simulačných systémov sme pre uvedené účely vybrali programový systém FARSITE (Fire Area Simulator), ktorý bol pôvodne vyvinutý pre potreby simulácie lesných požiarov v podmienkach amerických národných parkov a iba nedávno bol úspešne testovaný v podmienkach západnej a južnej Európy [16, 17, 3]. Rýchly rozvoj počítačov a informačných technológií podnietil vývoj veľmi výkonných počítačových systémov schopných simulovať šírenie lesných požiarov a popisovať ich postup v priestore a čase. Takéto systémy sú tiež schopné kvantifikovať a často aj vizualizovať rozličné parametre požiaru (napríklad rýchlosť šírenia, výšku plameňa, a pod.), ktoré sú potrebné na klasifikáciu typu požiaru a na odhad rizík a škôd zapríčinených požiarom. Môžu byť použité buď priamo na konkrétne potreby protipožiarneho manažmentu, alebo môžu byť tiež včlenené do komplexnejších systémov na podporu rozhodovania (decision support systems) [2]. Praktické používanie takýchto systémov v EÚ je však v súčasnosti ešte veľmi zriedkavé [41]. Systémy na predpovedanie správania sa požiaru je možné v konkrétnej oblasti použiť na protipožiarnu prevenciu a na plánovanie. Umožňujú simulovať reakciu protipožiarneho manažmentu a testovať efektívnosť stratégie a taktiky v rôznych podmienkach s ohľadom na špecifickú regionálnu infraštruktúru, podmienky, prostriedky a zdroje. Takéto systémy je možné použiť tiež na rekonštrukciu požiarov počas postzásahového obdobia alebo mimo hlavnej požiarnej sezóny, aby bolo možné lepšie pochopiť priebeh daného konkrétneho požiaru a okolnosti, ktoré viedli k tragickým mimoriadnym udalostiam a/alebo k mimoriadnym stratám na hodnotách a majetku [15, 34, 36, 37]. Systémy založené na predikcii šírenia sa požiaru sa napokon môžu použiť na operačné potreby manažmentu počas aktívnych, prebiehajúcich lesných požiarov a pri cvičení, príprave a výchove príslušníkov zasahujúcich zložiek. V súčasnosti existuje viacero sofistikovaných programových systémov, ktoré sú schopné simulovať reálne (alebo potenciálne) rozsiahle lesné požiare pri reálnych (alebo možných) meteorologických, palivových a topografických podmienkach, pričom rozsah simulovaných požiarov sa meria až na desiatky hektárov zasiahnutej plochy a na hodiny alebo dni trvania daného požiaru. Napriek rozsahu a komplexnosti simulovaného javu sú niektoré systémy určené pre bežne dostupné počítačové prostriedky (osobné počítače) a uskutočňujú dostatočne rýchle výpočty na to, aby boli použiteľné dokonca na operačné účely (napr. systémy BEHAVE a FARSITE). Pri modelovaní lesných požiarov sa v súčasnosti používajú dva dominantné princípy, ktoré sú založené na sofistikovaných laboratórnych experimentoch a experimentoch s riadeným lesným požiarom a na starostlivej validácii a verifikácii jednotlivých modelov. Prvý princíp reprezentujú tzv. semi-empirické modely založené zvyčajne na Rothermelovej formulácii šírenia požiaru v stabilnej fáze, v ktorej parametre čelnej línie požiaru (rýchlosť šírenia, výška plameňa, intenzita požiaru) závisia na daných podmienkach prostredia, ako sú parametre paliva a jeho vlhkosť, rýchlosť a smer vetra, topografický sklon a pod. Jako simulačná technika na popis postupu línie požiaru v priestore a čase sa v systémoch tohto typu používajú vlnový (Huygensov princíp) alebo celulárny prístup. Známymi simulačnými systémami tohto typu sú napríklad systémy FARSITE [8], WILDFIRE [39], FIRESTATION [20] a FIREMAP [4]. Jednotka priestorového rozlíšenia v takýchto systémoch je zvyčajne 10 m a viac, preto nie je možné uvažovať heterogenitu na menších plochách a parametre odpovedajúce konkrétnej plošnej jednotke sa špecifikujú ako

24

spriemernené hodnoty. Na druhej strane, semi-empirické systémy nie sú silne limitované vzhľadom na simulovaný priestor a ich výpočtový čas sa meria v sekundách. Druhý princíp modelovania lesných požiarov reprezentujú fyzikálne modely. Proces horenia je v nich popísaný pomocou zákonov zachovania hmotnosti, zložky, momentu a energie, využívajúc poznatky z teórie dynamiky tekutín (computer fluid dynamics). Fyzikálne modely uvažujú jeden alebo viac procesov prenosu energie z horiacej zóny do nehoriaceho paliva a vo všeobecnosti vedú na systémy viacerých diferenciálnych rovníc, ktoré vyžadujú výpočtovo náročné numerické výpočty a obvykle aj veľmi výkonné výpočtové prostriedky [27]. Takéto systémy rešpektujú heterogenitu paliva na veľmi malých plochách. Nevýhodou však je, že hoci priestorové rozlíšenie je možné udať v centimetroch, výsledné rozlíšenie je silne limitované simulovaným priestorom, v ktorom je simulovaný proces modelovaný, keďže simulácia sa uskutočňuje v 3D priestore. Výpočet je preto obmedzený na relatívne malé priestory, pričom výpočtový čas sa meria v hodinách. Efektívna paralená realizácia takýchto výpočtov je výzvou pre súčasný výskum. Do tejto kategórie systémov patria napríklad systémy WFDS [24, 25, 40], FIRETEC [19], FIRESTAR [5] a CAFME [26]. Oba spomínané modelovacie prístupy majú svoje výhody i ohraničenia oblasti použitia. Zlepšenie kvality výstupov simulácie založenej na modeloch prvého typu je možné dosiahnuť napríklad začlenením modelu vplyvu vetra na šírenie požiaru v premenlivej topografii a modelu vplyvu tangenciálnych síl na línii požiaru, pričom druhý problém ešte nebol vyriešený, hoci experimenty potvrdili, že vplyv tangenciálnych síl nie je zanedbateľný [33, 35, 38, 28]. Ďalším zaujímavým problémom je uvažovať namiesto lokálneho eliptického šírenia požiaru z bodového zdroja aj iné tvary pozorované počas experimentov. Na základe našich viacročných skúseností z výskumu problémov týkajúcich sa šírenia požiaru a jeho modelovania považujeme oba spomenuté prístupy za užitočné. Umožňujú odhaliť tiež prípadné neočakávané zmeny v tendenciách správania sa požiaru, ktoré by mohli viesť k tragickým dôsledkom. Systém FARSITE [8] patrí k semi-empirickým simulátorom lesných požiarov. Používa sa (zvlášť v USA) na plánovacie aj operačné účely. FARSITE využíva prednosti GIS systémov. Sú v ňom implementované viaceré modely správania sa požiaru, ako sú napríklad model povrchového požiaru, korunového požiaru, model akcelerácie požiaru spôsobenej bodovými zdrojmi požiaru, model prepočtu vlhkosti paliva, model vplyvu hasenia, a pod. Pôvodne bol vyvinutý v United States Department of Agriculture (USA) a bol zvlášť určený na použitie v amerických národných parkoch v čase špičkovej požiarnej sezóny. V európskych podmienkach bol testovany iba nedávno v Nemecku, Švajčiarsku, Taliansku a Španielsku. V našich doterajších prácach [14, 9-11] sme analyzovali matematické základy metód implementovaných v systéme FARSITE s cieľom adaptovať systém na vykonávanie simulácií lesných požiarov na Slovensku a získať schopnosť ho správne používať v špecifických podmienkach. Táto analýza nám umožnila lepšie pochopiť modely včlenené v systéme a ich ohraničenia, ktoré môžu ovplyvniť výsledky simulácie. V tejto práci sa zameriame na ilustráciu možností použitia systému FARSITE pri odhaľovaní nebezpečných tendencií správania sa požiaru v konkrétnych podmienkach. Ako príklad použijeme rekonštrukciu jedného z najtragickejších ničivých požiarov za posledných 10 rokov, lesného požiaru v Národnom parku Slovenský raj v r. 2000. V podmienkach Slovenského raja však vystupuje niekoľko faktorov, ktoré komplikujú nasadenie systému FARSITE. V prvom rade ide o mimoriadne členitú topografiu s veľkým prevýšením, často nedostupnú pre automobilovú požiarnu techniku, a o vysokú variabilitu vegetačného pokryvu v danej lokalite. Toto spôsobuje, že niektoré javy je možné na danom stupni priestorového rozlíšenia simulovať len do určitej miery. Naviac, štandardná sada palivových modelov (NFFL fuel models [1]) používaná FARSITE-om nebola pôvodne navrhnutá pre podmienky

25

v strednej Európe. Preto bolo nevyhnutné pre záujmové územie definovať nové palivové modely. Získať presný odhad parametrov palivových modelov nebola triviálna úloha v oblastiach s významne vysokou diverzitou vegetácie spôsobenou veľkými rozdielmi v prevýšení terénu a chráneným charakterom územia Kromple v Slovenskom raji (toto tiež platí pre významnú časť územia Slovenska). Výsledky simulácie odhalia základné tendencie šírenia sa požiaru v danom regióne a narastajúce riziko v špecifických podmienkach a okolnostiach požiaru. Použitím počítačovej simulácie sa pokúsime prispieť k diskusii o správaní sa simulovaného požiaru v prvých fázach jeho rozvoja a o okolnostiach, ktoré viedli k tragickej udalosti. Pokúsime sa nájsť odpoveď na otázku prečo malo požiarovisko v prvých fázach požiaru výrazne pretiahnutý oválny tvar a prečo bola skupina šiestich osôb obkľúčená požiarom. Niektoré predbežné výsledky týkajúce sa rekonštrukcie tohto požiaru už boli čiastočne prezentované [15], súborné výsledky samotnej rekonštrukcie budú publikované v inej práci. Počítačová simulácia lesného požiaru v Národnom parku Slovenský raj Cieľom tejto časti je poukázať na možnosti počítačovej simulácie v prípade požiaru, ktorý patril k najdeštruktívnejším požiarom v regióne vzhľadom na svoj rozsah a spôsobené škody.

Obr. 1: Výrez z mapky z dokumentácie požiaru so zakreslenými požiaroviskami

Základné údaje o požiare je možné nájsť v dokumentácii požiaru [18]. Požiar oznámil vo večerných hodinách 23.10.2000 miestny obyvateľ, ktorý ohlásil dym spôsobený požiarom na hrebeni Kromple. V dopoludňajších hodinách 24.10. bol požiar potvrdený v blízkosti hrebeňa Kromple. Požiarovisko bolo napoludnie odhadnuté na 3-6 ha a zaznamenané počas prvej obhliadky požiaru (viď. Obr. 1). Výrazne predĺžený oválny tvar požiaroviska bol orientovaný na východ. V dopoludňajších hodinách prebiehali protipožiarne práce hlavne na hrebeni a po spádnici na okrajoch požiaroviska. V dokumentácii požiaru sa spomínajú

26

ťažkosti spôsobené ťažkým terénom, vysokým sklonom svahu a hustou vegetáciou. Pre nedostupnosť terénu nebolo možné na hasenie použiť automobilovú techniku, použili sa jednoduché prostriedky a budovanie protipožiarnych pásov. V skorých popoludňajších hodinách 24.10. nastala náhla zmena počasia, začal silný juhovýchodný vietor, ktorý spôsobil rýchlo sa šíriace lokálne korunové požiare. Toto spôsobilo náhlu zmenu v správaní sa požiaru, ktorá viedla k tragickej udalosti (nahlásená krátko po 14. hodine), keď zahynula skupina 6 osôb obkľúčených požiarom. Následne boli zastavené prakticky všetky protipožiarne práce a požiar sa šíril bez obmedzenia. Nasledujúci deň, 25.10., sa požiar šíril hlavne severovýchodným, južným a juhozápadným smerom (Obr. 1). Počas tohto dňa boli nasadené do boja s požiarom značné prostriedky a požiarnici dostali požiar pod kontrolu. V ďalších dňoch sa už požiar mimo dosiahnutého požiaroviska takmer nešíril (Obr. 1), preto sme sa pri jeho rekonštrukcii zamerali na prvé dva dni jeho šírenia. Reálne údaje, ktoré popisujú topografiu (nadmorská výška, sklon a osvit terénu) a vegetáciu (korunové pokrytie) v GIS formáte s priestorovým rozlíšením 10 m, a parametre palivového modelu boli pre účely simulácie pripravené výskumníkmi z TU vo Zvolene (Slovensko). Na základe terénnych meraní a ich laboratórnom vyhodnotení bol pre záujmové územie definovaný originálny palivový model TER (viď. Tab. 1) [21, 32]. Tab. 1: Parametre palivového modelu pre lokalitu Krompla potrebné pre FARSITE

Fuel Model TER

Dead 1hr 5,842

Fuel load [t/ha] Dead Dead Live 10hr 100hr herb 3,499 0,339 0,473

Live Woody 1,570

SAV ratio [1/cm] Dead Live Live 1hr Herb woody 77,80 49,20 49,20

Fuel bed depth [m] 0,32

Dead fuel extinction moisture [%] 27

Heat content [kJ/kg] 18600

Meteorologické údaje boli spracované podľa údajov poskytnutých z meteorologických staníc v Poprade, Telgárte a v Košiciach [30]. Pre pomerne veľkú vzdialenosť medzi stanicami a topografickú členitosť lokality boli tieto dáta upravené s ohľadom na pozorovania zaznamenané v dokumentácii požiaru. Vzhľadom na špecifické podmienky jesenného obdobia s nízkymi nočnými a dennými teplotami (-6°C o 5. hod. 25.10. a 5°C o 5. hod. 26.10.) bol použitý scenár s vyššou vlhkosťou paliva (hodnoty 10-12 % pre odumreté palivo a 170 % pre živé palivo). Obdobie horenia (burn period) bolo nastavené na 9-21 a 8-21 hod. pre dni 24. a 25.10. Koeficient redukcie rýchlosti šírenia (adjustment factor) bol s ohľadom na sezónne meteorologické podmienky a podnebie daného regiónu nastavený na hodnotu 0.4 na základe vykonania viacerých komparatívnych simulácií so systémom FARSITE. Keďže parametre korún stromov neboli pre dané územie známe, nesimulovali sme pri rekonštrukcii požiaru lokálny korunový požiar. Kvoli simulácii vplyvu silného nárazového vetra v poobedňajších hodinách 25.10., ktorý zapríčinil sekundárne požiare spôsobené úlomkami stromov zgúľanými dolu strmým svahom, sme v simulácii použili na príslušných miestach niekoľko sekundárnych bodových zdrojov požiaru. Prvé dva dni šírenia požiaru Pri prvých simuláciách sme vychádzali z vtedy všeobecne prijímaného predpokladu, že požiar vznikol z bodového zdroja na lesnom chodníku pod hlavným hrebeňom Kromple. Výsledky simulácii však ukázali, že po prvých troch hodinách horenia požiaroviská nedosahovali tvar zaznamenaný v dokumentácii požiaru. Napriek tomu, že bod vzniku požiaru bol experimentálne posúvaný do rôznych miest, nedosiahli sa uspokojivé výsledky.

27

Takýmto postupom sme však získali hlbšiu skúsenosť a chápanie základných tendencií šírenia sa požiaru v regióne a nadobudli sme presvedčenie, že požiar mohol vzniknúť vzbĺknutím zápalnej línie v tvare úsečky alebo lomenej čiary, alebo súčasným zapálením v niekoľkých bodoch orientovaných z hrebeňa dolu svahom (viď. Obr. 2). Keď sme použili takýto spôsob vznietenia požiaru, výsledky simulácie relatívne dobre odpovedali reálnemu stavu požiaru zaznamenanému v dokumentácii (por. Obr. 1). V tejto simulácii sme zároveň uplatnili protipožiarne práce dobrovoľníkov a lesných pracovníkov na okrajoch požiaroviska po spádnici a na hrebeni v súlade s dokumentáciou požiaru.

Čas [hod] 10 11 12 13 14 15

Rýchlosť šírenia [m/min] 0.6 0.1 0.3 0.3 0.4 1.7

Výška plameňa [m] 0.7 0.3 0.5 0.5 0.5 1.0

Obr. 2: Výsledky simulácie prvých dvoch dní požiaru (2D výstup z FARSITE) a parametre požiaru na línii požiaru blížiaceho sa k miestu tragickej udalosti

Tragická udalosť, ktorá sa stala v čase okolo 14. hod., bola spôsobená náhlou zmenou rýchlosti vetra, ktorá rozšírila požiar do korún stromov. Korunový požiar pravdepodobne prekvapil skupinu osôb, ktorá sa zdržiavala v ohrozenom priestore. Skupina bola obkľúčená požiarom a nestihla včas uniknúť, pretože v danom priestore bol strmý terén a hustá vegetácia. Šírenie požiaru ako aj zmena jeho orientácie vyvolaná vetrom a topografiou terénu je dobre viditeľné na Obr. 2. Miesto, na ktorom došlo k tragédii, je označené na Obr. 2 malým jasným krúžkom (por. tiež Obr. 1). Simulácia relatívne dobre signalizuje túto tendenciu šírenia sa požiaru dokonca aj bez použitia výpočtového modulu pre korunový požiar (neboli známe vstupy pre tento modul, ako bolo už spomenuté vyššie). Rýchlosť šírenia línie požiaru a jej zmeny ako aj výšku plameňa na línii požiaru v kritickom čase je možné získať z parametrov poskytovaných systémom FARSITE (viď. Obr. 2).

28

Tab. 2: Vyhodnotenie požiaru: čas [mesiac, deň, hodina], obvod [km] a plocha [ha] požiaroviska. Simulovaný čas 10 24 9:00 10 24 10:00 10 24 11:00 10 24 12:00 10 24 13:00 10 24 14:00 10 24 15:00 10 24 18:00 10 24 21:00 10 25 21:00

Obvod požiaroviska 0.71 0.94 1.32 1.73 2.24 2.72 3.24 3.87 4.27 6.31

Plocha požiaroviska 0.00 4.11 5.44 6.44 8.22 11.59 16.51 26.74 34.09 69.99

Údaje v Tab. 2 ilustrujú postupný nárast obvodu a plochy požiaroviska v kritickom období. Po tragickej udalosti boli zastavené protipožiarne práce a stiahnutí všetci dobrovoľníci z oblasti. Požiar sa preto šíril nerušene ďalej. Skutočné požiarovisko nebolo ku koncu dňa zistené, preto nie je možné simuláciu porovnať so skutočným stavom požiaru večer 24.10. Požiar postupoval 25.10. prevažne v južnom, severovýchodnom a východnom smere. Do hasebných prác bolo zapojených 219 osôb, 1 vrtulník a 2 lietadlá typu Turbočmeliak. Po vyhodnotení vzdušného zásahu boli lietadlá nasadené na hrebeni a západnej časti požiaroviska. Približne o 13:30 sa opäť zmenila poveternostná situácia. Silný vietor s nárazmi až 53 km/h zapríčinil nekontrolovateľné šírenie požiaru a hasenie komplikovalo silné zadymenie. Práce boli prerušené o 17:30. Postup línie požiaru počas tohto dňa je možné opäť vidieť na Obr. 2. Kým šírenie na východnej hranici požiaroviska bolo úspešne zastavené, na západnej a juhozápadnej strane sa požiar ďalej šíril. Počítačová simulácia nedosiahla večer okraj požiaroviska zaznačený v dokumentácii. Táto odchýlka mohla byť spôsobená možnými sekundárnymi požiarmi vzniknutými pod hlavnou líniou požiaru, ktoré mohli prispieť k rýchlejšiemu postupu požiaru dolu svahom (v dokumentácii sa spomínajú uvoľnené horiace úlomky padajúce dolu strmým svahom). Počas tretieho dňa, 26.10., zasahovali už 4 vrtulníky a kulminovali tiež pozemné protipožiarne activity. Požiar bol lokalizovaný a ani v ďalších dňoch sa už prakticky nešíril. Záver Výsledky počítačovej simulácie nám umožnili nájsť odpoveď na obe otázky položené v úvode. Poznatky získané rekonštrukciou požiaru sme konzultovali s vedúcimi pracovníkmi HaZZ v Spišskej Novej Vsi, ktorí nám potvrdili, že ďalšie vyšetrovanie príčin požiaru ukázalo, že spomínaný požiar sa mohol v ranných hodinách 24.10.2000 rozhorieť z väčšej plochy, keďže bolo potvrdené, že latentné horenie prebiehalo v danej oblasti už počas predchádzajúceho dňa. Toto podporuje náš predpoklad, že požiar nemohol vzniknúť 24.10. z jedného zápalného bodu. Hoci sme predtým nemali túto informáciu, počítačová simulácia nás priviedla k tomuto predpokladu. Výsledky simulácie tiež potvrdili, že skupina osôb, ktorá tragicky uhorela počas prvého dňa požiaru, mohla byť obkľúčená požiarom v čase odpovedajúcom času tragickej udalosti. Bolo to spôsobené náhlou zmenou meteorologických podmienok a topografiou terénu. Domnievame sa, že použitie počítačovej simulácie môže

29

odhaliť zvyšujúce sa riziko správania sa požiaru v danom teréne a môže takto pomôcť predchádzať takýmto tragickým udalostiam. Naviac, dôkladná znalosť simulačného systému umožňuje pre daný región vytvoriť tabuľky parametrov charakterizujúcich správanie sa požiaru v regióne s definovaným palivovým typom pre rôzne poveternostné podmienky (viď. Tab. 3) a generovať v predstihu možný vývoj požiaru a analyzovať ho v záujme odhalenia špecifického správania sa požiaru v regióne. Z predpokladanej rýchlosti šírenia požiaru si je možné pre danú situáciu urobiť predbežný obraz o požiarnej situácii a získať prvý odhad tvaru požiaroviska. Avšak, časový priebeh požiaru a tvar a rozsah požiaroviska sa najlepšie vizualizuje vykonaním kompletnej počítačovej simulácie, ktorá tiež umožňuje predpovedať obvod, tvar a plochu horiaceho územia a v závislosti na jeho prístupnosti navrhnúť najefektívnejšie alternatívy pozemných a/alebo vzdušných hasiacich prác a ich personálne a materiálne zabezpečenie. V budúcnosti plánujeme využiť pri špecifikovaní palivových modelov multi-spektrálnu analýzu a vyvinúť nové palivové modely pre počítačovú simuláciu a podporu rozhodovania v podmienkach Slovenska. Experimentálne výsledky so zodpovedajúcou metodológiou [15, 13, 11] sú pre nás výzvou na rozpracovanie zlepšenej formulácie postupu línie požiaru s tangenciálnymi silami aktivované konvektívnymi tokmi pozdĺž línie požiaru. Tiež sa zaujímame o výskum v oblasti 3D animovanej vizualizácie šírenia požiaru v reálnom (alebo virtuálnom) lese [12, 29, 7] ako aj o simulačné systémy a techniky založené na fyzikálnych modeloch [22, 23, 40, 6]. Tab. 3: Rýchlosť šírenia požiaru v závislosti na rýchlosti vetra a sklone svahu pre palivový model TER. Hodnoty sú určené v intervalovej forme, keďže vplyv vetra je silne závislý na parametroch koruny stromov (canopy cover) Rýchlosť vetra nad vegetáciou [km/h] 0

Rýchlosť Rýchlosť Rýchlosť šírenia požiaru šírenia požiaru šírenia požiaru [m/min] [m/min] [m/min] 0.16 0.20 0.32

Rýchlosť šírenia požiaru [m/min] 0.48

5

0.20 - 0.24

0.24 - 0.28

0.32 - 0.40

0.52 - 0.56

10

0.24 - 0.40

0.28 - 0.44

0.40 - 0.56

0.56 – 0.72

15

0.32 – 0.60

0.36 – 0.64

0.44 – 0.76

0.64 – 0.92

20

0.40 – 0.88

0.44 – 0.92

0.56 – 1.00

0.72 - 1.20

30

0.60 – 1.52

0.64 –1.56

0.76 – 1.64

0.92 – 1.84

Sklon [%]

0%

10 %

20 %

30 %

Poďakovanie Táto práca vznikla s podporou slovenských výskumných grantových agentúr APVV a VEGA v rámci projektov APVT-51-037902, APVV-0532-07 a VEGA 2/7097/27. Zoznam literatúry [1]

Anderson, H. E. Aids to determining fuel models for estimating fire behaviour. USDA For. Serv. Gen. Tech. Rep. INT-122, 1982

30

[2]

[3]

[4] [5]

[6] [7] [8] [9] [10] [11] [12]

[13]

[14]

[15]

[16] [17]

[18] [19] [20]

Andrew, P. L. A temporal and spatial framework for development and application of wildland fire decision support systems, Proceedings of the International Conference on Forest Fire Research, Figueira da Foz, 2006 Arca, B., Duce; P., Pellizzaro, G.; Laconi, M.; Salis, M.; Spano, D. Evaluation of FARSITE simulator in Mediterranean shrubland. Forest Ecology and Management, 234S, S110, 2006 Ball, G. L.; Guertin, D. P. Firemap, fire and environment: ecological and cultural perspectives, NC: USDA Forest Service, 215-218, 1991 Clark, T. L.; Jenkins, M. A.; Coen, J. L.; Packham, D. R. A coupled athmospheric-fire model: convective Froude number and dynamic fingering, International Journal of Wildland Fires, 6, 177-190, 1996 Ewans, D. D.; Rehm, R., Baker, E. Physics-based modeling of community fires, Proceedings of the 10th International Interflam Conference, Vol. 2, 1065-1076, 2004 Fabrika, M.; Dursky, J. Tree growth simulator. Ecological and Forestry Research Agency, 2005 Finney, M. A. FARSITE: fire area simulator - model, development and evaluation, Research Paper RMRS-RP-4, USDA Forest Service, 1998 Glasa, J.; Halada, L. Application of envelope theory for 2D fire front evolution, Proc. of the Int. Conference on Forest Fire Resarch, Figueira da Foz, Portugal, 2006 Glasa, J.; Halada, L. Envelope theory and its application for a forest fire front evolution, Journal of Applied Math., Statistics and Informatics, 3, 1, 27-37, 2007 Glasa, J.; Halada, L. On elliptical model for forest fire modeling and simulation, Mathematics and Computers in Simulation, 78, 76-88, 2008 Glasa, J.; Pajorová, E.; Halada, L.; Weisenpacher, P. Animation of forest fire simulation. Proceedings of the Int. Conference on Environmental Applications and Distributed Computing, Bratislava, 2006 Glasa, J.; Weisenpacher, P. Computer reconstruction of a fire in Slovak Paradise National Park in October 2000, Research Report No. APVT-2007-03, Institute of Informatics, Slovak Academy of Sciences, June 2007 Halada, L.; Weisenpacher, P. Principles of forest fire spread models and their simulation, Journal of the Applied Mathematics, Statistics and Informatics, 1, 1, 3-13, 2005 Halada, L.; Weisenpacher, P.; Glasa, J. Reconstruction of forest fire propagation case when people were entrapped by fire, Proceedings of the International Conference on Forest Fire Research, Figueira da Foz, 2006 Harvey, S.; Ruegsegger, M.; Allgower, B. Fuel models for Switzerland (Swiss National Park), Final Report of EU RP Minerve 2, No. EV5VCT-0570, Zurich, 1997 Hille, M.; Goldammer, J. G. Dispatching and modeling of fires in Central European pine stands: new research and development approaches in Germany. Proceedings of the Workshop at Agronomic Institute of Chania, Crete, 59-74, 2001 Juhás, F. Forest fire in the Slovak Paradise National Park: October 2000 (in Slovak). Požiarny a záchranný zbor SR, Spišská Nová Ves, 2000 Linn, R. R.; Reisner, J.; Colman, J. C.; Winterkamp, J. Studying wildfire behaviour using FIRETEC, Int. Journal of Wildland Fires, 11, 233-246, 2002 Lopés, A. M. G.; Cruz, M. G.; Viegas, D. X. FireStation – an integrated software system for the numerical simulation of fire spread on complex topography, Environmental Modelling and Software, 17, 3, 269-285, 2002

31

[21]

[22]

[23]

[24] [25] [26]

[27] [28] [29]

[30]

[31] [32]

[33] [34] [35] [36] [37]

[38] [39] [40]

Majlingová, A.; Vida, T.; Tuček, J. Fuel models specification for fire modeling and simulation purposes using existing information about forests. Proceedings of the Int. Conference on Fire Safety, Novi Sad, 444-455, 2006 McGrattan, K. B. (Ed.) Fire Dynamics Simulator (Version 4), Technical Reference Guide. NIST Special Publication 1018, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, Maryland, July 2004 McGrattan, K. B. (Ed.) Fire Dynamics Simulator (Version 4), User's Guide. NIST Special Publication 1019, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, Maryland, July 2004 Mell, W. E.; Manzello, S. L.; Maranghides, A. Numerical modelling of fire spread through trees and shrubs, Forest Ecology and Management, 234S, 82, 2006 Mell, W. E.; Jenkins, M. A.; Gould, J.; Cheney, P. A physics-based approach to modelling grassland fires, International Journal of Wildland Fire, 16, 1, 1-22, 2007 Morvan, D.; Dupuy, J. L. Modeling the propagation of a wildfire through a Mediterranean shrub using a multiphase formulation, Combustion and Flame, 138, 199-210, 2004 Oldehof, R. Taming complexity in high-performance computing, Mathematics and Computers in Simulation, 54, 314-357, 2000 Oliveras, I.; Pinol, J.; Viegas, D. X. Generalization of the fire line rotation model to curved fire lines, International Journal of Wildland Fire, 15, 447-456, 2006 Pajorová, E.; Hluchý, L.; Halada, L.; Slížik, P. 3D visualization tool for virtual models of natural disasters, Proceedings of the Virtual Reality International Conference, Laval, France, 37-43, 2007 Škvarenina, J.; Mindás, J.; Holécy, J.; Tuček, J. An analysis of the meteorological conditions during two largest forest fire events in the Slovak Paradise National Park, Journal of Meteorology, 7, 167-171, 2004 Tuček, J.; Majlingová, A. Forest fires in Slovak Paradise National Park: applications of geoinformatics (in Slovak), Technical University in Zvolen, 2007 Tuček, J.; Schmidt, M.; Celer, S. Clasification of vegetal cover in high mountain conditions from high-density RSA data using aprior knowledge (in Slovak). Acta Facultatis Forestalis, XLVII, 91-102, 2005 Viegas, D. X. Forest fire propagation, Phil. Trans., R. Soc. London, 356, 2907-2928, 1998 Viegas, D. X. Surrounded by fire (in Portugal), Editorial Minerva, Coimbra, 2004 Viegas, D. X. Analysis of eruptive fire behaviour, Proceedings of the International Conference on Forest Fire Research, Figueira da Foz, 2006 Viegas, D. X. Analysis of Eruptive Fire Behaviour, Forest Ecology and Management, 234S, 5, 2006 Viegas, D. X.; Rossa, C.; Caballero, D.; Pita, L. P. C.; Palheiro, P. Analysis of accidents in 2005 fires in Portugal and Spain, Proceedings of the International Conference on Forest Fire Research, Figueira da Foz, 2006 Viegas, D. X.; Rossa, C.; Oliveras, I.; Piňol, J. Fireline rotation model, Proceedings of the Int. Conference on Forest Fire Resarch, Figueira da Foz, Coimbra, 2006 Wallace, G. A numerical fire simulation model, International Journal of Wildland Fires, 3, 2, 111-116, 1993 Weisenpacher, P. Forest fire simulation capability of WFDS system, Proceedings of the International Conference on Protection of Natural Disaster Disturbed Areas, Strbske Pleso, 2007, 227-237

32

[41]

Xanthopoulos, G. Forest fighting organization and approaches to the dispatching of forces in the European Union: results of the workshop survey, Proc. of Int. Workshop on Improving Dispatching for Forest Fire Control, Chania, Crete, 2002, 143-153

Resumé In the paper, existing methods, models and program systems for the forest fire simulation are briefly summarized. The use of advanced Fire Area Simulator FARSITE adapted for specific conditions in Slovakia is demonstrated by computer reconstruction of the fire in locality Krompla in Slovak Paradise National Park in October 2000 which caused the death of six people. The computer simulation brought new knowledge about the way how the fire could be originated and why it had such an elongated oval shape after the first hours. The simulation confirmed that the group of six people could be entrapped by the fire just at the time of tragic event. The results indicate that the unexpected abrupt change of fire behaviour which led to the tragedy was induced by change of meteorological conditions and terrain topography at the critical time. The computer simulation also showed that the fire could not begin from any single ignition point as it was assumed before by forestry specialists. The results, consulted with the heads of Fire Department who were at the place in 2000, confirmed that the use of proper fire simulator can help to predict dangerous fire behaviour in concrete region to prevent tragic human incidents and makes it possible in advance to analyse and visualize possible fire situations as well as to estimate the shape and size of burning area to make substantially easier to suggest the most effective ground and/or aerial tactics and required personnel, maintenance and supply for successful fire localization. Some challenges and topics for future research are also included.

33

34

Karel KLOUDA1, Stanislav BRÁDKA2, Renata WIRCINSKA3, Hana KUBÁTOVÁ4, Jitka KALÍKOVÁ5

BIOTERORISMUS PŘÍKLADY MODELOVÉHO ŠÍŘENÍ SUBSTITUENTU ANTRAXU BIOTERRORISM MODEL DISSEMINATION OF AN ANTHRAX SUBSTITUENT IN A REAL BUILDING Abstrakt Příspěvek popisuje průběh a výsledky modelování „in-situ“ šíření substituentu spor původce antraxu (spory Bacillus stearothermophilus) v administrativní budově při „zpracování“ doručené kontaminované zásilky a při jeho uvolnění v autobusu MHD. Výsledky potvrdily předpokládaný vysoký stupeň ohrožení pracovníků administrativy v reálném případě a rovněž ohrožení cestujících v autobusu MHD. Klíčová slova: antrax, substituent antraxu - Bacillus stearothermophilus, modelování, kultivace, administrativní budova, městský autobus Úvod

-

Pro modelování šíření chemických, biologických a radioaktivních látek lze využít: matematické modelování (numerické řešení pohybových rovnic), fyzikální modelování (měření na modelu umístěném ve speciálním aerodynamické tunelu), přímé měření v terénu, prostoru, tj. „in-situ“.

Rezort Státního úřadu pro jadernou bezpečnost se, v souladu s Národním akčním plánem boje proti terorismu, již dva roky zabývá modelováním šíření substituentu otravné látky sarin. K modelování jsme postupně využili jak formy fyzikálního modelování na modelu Staroměstského náměstí (Klouda,K. et al., 2006), matematické modelování v přestupní stanici metra Muzeum (Klouda, K. et al., 2008), tak i nejreálnější formou modelování „in-situ“. Takto byly zpracovány přestupní stanice pražského metra Muzeum, Florenc a Můstek (Klouda, K. et al., 2007). Po zkušenostech získaných modelováním šíření chemické látky jsme se zaměřili na modelování šíření biologických látek, které jsou schopny vyvolat onemocnění nebo usmrcení osob, zvířat či rostlin a lze je využít k realizaci kriminálního činu či jako formu teroristického útoku (B-agens). 1

2

3

4

5

Ing., CSc., M.B.A., Státní úřad pro jadernou bezpečnost, Senovážné náměstí 9, 110 00 Praha 1, e-mail: [email protected] MUDr., Státní ústav jaderné, chemické a biologické ochrany, v.v.i., Kamenná 71, 262 31 Milín, e-mail: [email protected] Ing., Státní ústav jaderné, chemické a biologické ochrany, v.v.i., Kamenná 71, 262 31 Milín, e-mail: [email protected] RNDr., Státní úřad pro jadernou bezpečnost, Senovážné náměstí 9, 110 00 Praha 1, e-mail: [email protected] Státní ústav jaderné, chemické a biologické ochrany, v.v.i., Kamenná 71, 262 31 Milín, e-mail: [email protected]

35

Každý z nás musí denně čelit útoku miliónů mikroorganismů, aniž by to zvláště vnímal. Náš imunitní systém je schopen tyto patogeny průběžně, až do určitého množství (prahové množství), likvidovat. Toto prahové množství je pro každý patogen různé a je závislé na aktuálním stavu imunitního systému každého jedince. Centrum pro kontrolu léčiv a jejich prevenci v Atlantě (CDC) vybrala B-agens, která lze použít jako biologické zbraně. Patogeny rozdělila do tří skupin: A, B, C. Nejnebezpečnější jsou patogeny zařazené do skupiny A, do níž byly vybrány nejrizikovější patogeny a toxiny z hlediska jejich dostupnosti, možnosti rozšíření a následného přenosu, výsledné mortality a odstranění následků jejich použití. Do skupiny A náleží: - Bacillus anthracis (antrax), - Yersinia pestis (mor), - Francisella tularensis (tularémie), - Variola major (pravé neštovice), - Viry hemorrhagických horeček (např. Ebola, Marburg, Lassa, Machupo), - Clostridium botulinum toxin (botulismus). Veřejnost USA byla na podzim r. 2001 vystavena útoku antraxu v podobě listovních zásilek. Výsledkem bylo, že z 11ti zasažených osob jich 5 zemřelo. Panika a strach z listovních zásilek obsahujících antrax následně postihla i Českou republiku. Jen naše resortní organizace Státní ústav jaderné, chemické a biologické ochrany za období říjenprosinec 2001 prověřila více než dva tisíce zásilek. Obsahem podezřelých zásilek byly naštěstí pouze prášky, jejichž součástí nebyly spory původce antraxu. Přesto, a právě proto jsme se rozhodli formou „in-situ“ namodelovat možné šíření spor B. anthracis, resp. jeho substituentu. Pro modelování jsme vybrali běžné situace z reálného života – doručení listovní zásilky do administrativní budovy a dopravu autobusem městské hromadné dopravy. Stručně o Bacillus anthracis (antraxu) Antrax (sněť slezinná, uhlák, modré neštovice) je akutní infekční onemocnění zvířat (především ovcí, koz, hovězího dobytka), které může být zdrojem nákazy pro člověka, a to buď přímým kontaktem nebo prostřednictvím produktů (maso či kůže nakažených zvířat). Původcem onemocnění je Bacillus anthracis, grampozitivní sporulující tyčinka o průměru 11,5 µm a délce 4-8 µm. Z vegetativní formy mikroorganismu vznikají za dostatečného přístupu vzduchu a při vhodné teplotě spory, které jsou vysoce odolné, zejména proti vyschnutí. Spory antraxu mohou v půdě přetrvávat v životaschopném stavu desítky let. Podle místa vstupů spor do organismu se u antraxu rozlišují tři formy: - kožní (nejčastější; zčernalý vřed – uhlák; mortalita bez léčby 5-20 %), - inhalační (horečka, třesavka, sepse, septický šok, smrt za 24 – 36 hod.), - střevní (nevolnost, zvracení, krvavé průjmy; mortalita kolem 50%). Léčba nakažených má šanci při včasném a agresivním nasazení antibiotik. Je nutno s ní pokračovat po dobu 60ti dnů od expozice sporám. Vzhledem ke skutečnosti, že B. anthracis vytváří odolné spory, které mohou nakazit člověka prostřednictvím dýchacích cest, se tyto spory staly předmětem nejen vojenského zájmu, ale mohou být využity také ke spáchání teroristického nebo kriminálního činu.

36

Výběr substituentu za původce antraxu Pro vlastní experiment, tj. modelové šíření B-agens (B. anthracis) v reálné budově a za reálné situace bylo nutno, a to z pochopitelných bezpečnostních důvodů, vybrat za původce antraxu substituent. Pro výběr substituentu jsme zvolili tato kritéria: - bezpečnost vůči lidskému činiteli, - obdobný typ, tj. bakterie, grampozitivní, aerobní, spirálující, - schopnost tvořit spory obdobných rozměrů jako spory B. anthracis, - snadná a průkazná identifikace, detekce, - snadná kultivace, - dostupnost, cena. Po zvážení všech výše uvedených kritérií byl pro experimenty vybrán jako substituent Bacillus stearothermophilus (nověji se nazývá Geobacillus stearothermophilus). Bacillus stearothermophilus B. stearothermophilus je grampozitivní bakterie, tyčinkového tvaru. V přírodě je běžně rozšířena zejména v půdě a ve vodě, odkud se spory mohou dostávat i do ovzduší. Bakterie bývají poměrně velké o průměru 0,5 – 1,2 µm a jejich délka přesahuje často 10 µm. Jsou pohyblivé díky petrichiálně umístěným bičíkům. Důležitým znakem je schopnost tvořit endosporu. Sporulace probíhá pouze za přítomnosti kyslíku, protože pro sporulaci buňka získává energii především oxidací zásobních lipidů z cytoplazmy. B. stearothermophilus je kultivačně poměrně nenáročná bakterie, snadno rostoucí na běžných půdách. Nejčastěji na živných půdách a bujonech o složení: masový pepton; hovězí extrakt; chlorid sodný a u půdy také agar. Jedná se o termofilní bakterii s optimální teplotou růstu kolem +55° C, je však schopna růstu i při +65° C. Při +37° C projevuje pouze nepatrný růst na vhodné půdě. Proto je považována pro člověka za nízce patogenní a uplatňující se pouze u lidí se sníženou imunitou. Experiment I. Záměrem našeho experimentu byla kontaminace obsahu poštovní zásilky (balíčku), která má být doručena na podatelnu významné státní instituce. Příprava experimentu I. Dle dostupných informací je personál bezpečnostních složek (agentur) a personál spisové služby školen tak, aby se u doručených poštovních zásilek (listovních zásilek i balíků) zaměřil na následující „podezřelé“ prvky: - mastné nebo barevné skvrny, - podezřelý zápach, - vyšší hmotnost poštovní zásilky než lze očekávat, - pod povrchem obálky či obalu jsou patrné nerovnosti, - velké množství lepících pásek, - odlišné místo podací pošty oproti zpětné adrese, - rukou psaná adresa, velký počet známek, - vyčnívající dráty či kovové fólie.

37

Tyto „podezřelé“ prvky v naší zásilce budou chybět. Za obsah balíku jsme zvolili výpravnou publikaci Kronika hornictví země Koruny české. K experimentu byly použity spory B. stearothermophilus získané lyofilizací připravené bakteriální suspenze. Vzniklý lyofilizát nebyl dále upravován, nedošlo k jeho rozmělňování ani mletí za účelem úpravy velikosti částic. Deset gramů spor B. stearothermophilus bylo promícháno se sto gramy papírové vlny a následně s vybranou knihou vloženo do kartónové krabice. Krabice byla následně obalena balícím papírem, na který byla nalepena doručovací adresa a zpětná adresa odesílatele (Magistrát města Ostravy, sekretariát primátora) viz obr. č. 2-5. Pro vlastní experiment jsme vybrali administrativní objekt, ve kterém bylo možno napodobit manipulaci s poštovní zásilkou a její pohyb od podatelny ke konečnému příjemci (VIP osobě) postupem obvyklým pro státní instituce. Ke sběru a následné detekci uvolněných spor jsme vybrali Petriho misky s živným agarem (složení: masový extrakt, masový pepton, chlorid sodný, agar dle ČSN 757841). Tyto misky jsme umístili na místa, která jsou vyznačena v půdorysu části budovy, viz obr. č. 1. (víčka misek byla odstraněna až těsně před zahájením vlastního experimentu). Za účelem získání informací, jaké množství spor by inhaloval personál určený pro manipulaci s poštovními zásilkami, jsme zároveň na místa vyznačená na obr. č. 1 umístili aeroskopy přístroje určené pro mikrobiologické monitorování vzduchu (Spin Air 90 mm, Stave Spin Air dodávka firmy Bio Tech, a.s., Praha 10). Průběh experimentu I. a jeho výsledek Připravená poštovní zásilka (obr. č. 6) byla doručena na příjem v administrativní budově, kde byla podrobena zevní prohlídce, včetně RTG – kontroly (viz obr. 7) a jako bezpečná byla předána podatelně (obr. č. 1, kancelář č. I). Zde byla otevřena, její obsah byl standardně zaevidován (obr. č. 8) a byla umístěna na polici (do schránky příslušného sekretariátu). Na polici v podatelně ležela zásilka 35 minut, přičemž v toto období do podatelny vešli 6x další administrativní pracovníci. Poté byla vyzvednuta a přenesena do sekretariátu (kancelář č. II, obr. č. 1), kde byl odstraněn obal (obr. č. 9) a kniha byla vyzvednuta z kartónové krabice. Po 15 minutách byla kniha již samostatně předána do kanceláře č. III, kde ji VIP osoba 10 minut studovala (obr. č. 10). Po ukončení experimentu byly Petriho misky uzavřeny a předány ke kultivaci. Výsledky kultivace z jednotlivých sběrných míst jsou barevně odlišeny a vyznačeny v půdorysu na obr. č. 1. (příklad vykultivovaných kolonií viz obr. č. 13 a 14). V aeroskopech byly Petriho misky měněny po deseti minutách, proto na stolech v kanceláři č. I jsou tři údaje o výsledku kultivace, v kanceláři č. II dva a v III jeden, rovněž jeden na chodbě. Pro doplnění údajů získaných z volně uložených Petriho misek a aeroskopů byly z některých míst (např. dveřní kliky) provedeny stěry, které se následně kultivovaly. Dekontaminace experimentálních prostor byla provedena UV zářením a Persterilem do negativních stěrů. Experiment č. II Záměrem experimentu bylo prověřit stupeň (rozsah) šíření spor bakterií, které byly uvolněny v městském autobusu při jeho běžném provozu.

38

Příprava experimentu č. II. Experiment se uskutečnil ve speciální hale v areálu Státního ústavu jaderné, chemické a biologické ochrany, v.v.i. (SÚJCHBO), Příbram – Kamenná, Milín. K experimentu byl vybrán starší autobus typ Karosa LC 735, který při větrání nasává vzduch z čela autobusu, ze střechy a ze zavazadlového prostoru (Dopravní podnik hl. m. Prahy má v současné době ještě cca 20% autobusů této typové řady). Autobus byl umístěn do haly společně s ventilátory (obr. č. 11), jejichž účelem bylo nahradit proudění vzduchu proti autobusu v době jízdy. Byla připravena časová osa jízdy autobusu (viz níže), která určovala dobu jízdy a zastávek, nástup a výstup cestujících a měla za úkol namodelovat průběh běžné trasy městského autobusu z výchozí na konečnou stanici (cca 40-45 minut).. Jízda autobusu byla simulována nastavením proudění vzduchu ventilátorů proti autobusu v hodnotě, která odpovídá rychlosti autobusu cca 30-40 km/hod. V době, která na časové ose odpovídá zastávkám, byly ventilátory vypnuty. V experimentu byly použity spory B. stearothermophilus získané lyofilizací připravené bakteriální suspenze. Vzniklý lyofilizát nebyl dále upravován, nedošlo k jeho rozmělňování ani mletí za účelem úpravy velikosti částic. Ke sběru a následné detekci uvolněných spor byly použity stejné prostředky jako u experimentu č. I, rovněž i způsob dekontaminace. Petriho misky byly rozmístěny nejen uvnitř autobusu (na sedačkách, podlaze, vrchním zavazadlovém prostoru), ale také v okolí autobusu (viz obr. č. 12). Víčka misek byla odstraněna až těsně před zahájením vlastního experimentu. Průběh experimentu II. a jeho výsledek Šedesát gramů spor B. stearothermophitus bylo vysypáno z výšky 20 cm na podlahu autobusu mezi druhou a třetí řadu sedadel na straně řidiče. Následoval modelový průběh jízdy autobusem podle níže uvedené časové osy. Na této ose jsou rovněž vyznačena místa nástupu a výstupu cestujících (pracovníci s měřícími přístroji - aeroskopy). Z časové osy je patrná délka pobytu cestujících v kontaminovaném prostoru.

Po skončení „jízdy“ autobusu na konečné stanici (ukončení experimentu) byly Petriho misky uzavřeny a předány ke kultivaci. Výsledky kultivace z jednotlivých sběrných míst

39

v autobusu a okolí jsou barevně odlišeny (viz obr. č. 12). Autobus měl během experimentu zavřená okna, spuštěnou vnitřní ventilaci a na „zastávkách“ otvíral přední dveře. Závěr Námi realizovaný experiment č. I., tj. modelování šíření biologických agens „in-situ“, se snažil co nejvíce přiblížit reálnému pohybu kontaminované zásilky v administrativní budově. Proto v jeho průběhu nebyl jako substituent použit „prášek“ (viz antraxové zásilky na konci r. 2001), ale skutečné bakteriální spory, s vědomím jistého rizika pro experimentátory. Výsledky kultivace jasně prokázaly předpokládané vysoké riziko nákazy pracovníků, kteří s kontaminovanou zásilkou přišli v pracovním procesu do styku. U experimentu č. II. byl reálný průběh limitován nemožností jízdy v městské aglomeraci. Rovněž počet cestujících v autobuse byl z důvodu bezpečnosti silně redukován, čímž došlo k omezení stupně šíření spor jak v prostoru autobusu, tak mimo něj. Přesto došlo ke kontaminaci významné části vnitřního prostoru autobusu a rovněž i nástupiště (viz obr. č. 12). Nejvíce byla kontaminována přední část autobusu na jeho pravé straně (okolí místa uvolnění spor). I v tomto případě se prokázalo předpokládané riziko nákazy cestujících, řidiče i možné zavlečení nákazy mezi cestující na zastávce. Příklady vykultivovaných kolonií bakterie z obou experimentů, tj. ojedinělé kolonie a masivní růst kolonií jsou uvedeny na obr. č. 13 a 14. V případě skutečných spor B. anthracis a bez ochranných prostředků, kterými byly naši experimentátoři vybaveni, by se v reálném životě popsané kriminální (teroristické) útoky s největší pravděpodobností neobešly bez obětí. Zákeřnost popsaných způsobů útoku spočívá v nemožnosti běžným způsobem (smyslovými orgány) odhalit přítomnost biologického agens.

40

41

Obr. č. 2: Spory Bacillus stearothermophitus

Obr. č. 3: Promíchání spor s papírovou hmotou

Obr. č. 4: Vložení knihy do kartónové krabice

Obr. č. 5: Závěrečné balení zásilky do papírového obalu

Obr. č. 6: Konečná forma vnitřně kontaminované zásilky

Obr. č. 7: RTG analýza zásilky

42

Obr. č. 8: Otevření zásilky a její zaevidování (kancelář I)

Obr. č. 9: Úplné vyjmutí knihy z obalu (kancelář II)

Obr. č. 10: Listování VIP osoby v doručené knize (kancelář III.)

Obr. č. 11: Přípravné práce před experimentem II.

43

Obr. č. 12: Rozmístění měřících míst v autobusu a okolí, výsledky kultivace

44

Obr. č. 13: Ojedinělé kolonie (50 a více) Bacillus Stearothermophitus

Obr. č. 14: Masivní kolonie Bacillus Stearothermophitus

Literatura [1]

[2]

[3]

KLOUDA, K., BEZPALCOVÁ, K., JAŇOUR, Z.: Fyzikální modelování šíření nebezpečných látek na Staroměstském náměstí a v jeho okolí, Nebezpečné látky 2006, sborník, str. 61, ISBN 80-86634-91-4 KLOUDA, K., BOJKO, M., KOZUBKOVÁ, M.: Porovnání výsledků šíření substituentu otravné látky (in-situ) v prostoru přestupní stanice metra Muzeum C – A s matematickým modelem šíření, Požární ochrana 2008, v tisku KLOUDA, K., BRÁDKA, S., URBAN, M., BERANOVÁ, P.: Zapojení resortu SÚJB do řešení úkolu Ministerstva vnitra – GŘ HZS ČR „Reakce na teroristický útok s použitím bojových otravných látek na pražské metro“, Dekontam 2007, Ostrava, 2007, sborník, str. 71. ISBN 978-80-7385-003-6

45

46

Petr KUČERA1, Jaroslav MIKLÓS2 ZÁSADY PŘI OVĚŘOVÁNÍ MATEMATICKÝCH MODELŮ POŽÁRU FUNDAMENTALS OF VERIFICATION OF MATHEMATICAL FIRE MODELS Abstrakt Příspěvek se zabývá metodami pro ověřování matematických modelů požáru. Po stručném seznámení se situací a základními pojmy v oblasti matematického modelování požáru je největší prostor v tomto článku věnován popisu ověřovacích a hodnotících metod. Cílem je popsat způsoby, kterými se ověřuje správnost a použitelnost matematických modelů požáru a zhodnocení situace v oblasti ověřování modelů požáru, včetně návrhu možných změn či zlepšení. Abstract This article deals with methods of verification of mathematical fire models. The first part of the article is dedicated to introduce situation and basic conceptions in area of mathematical fire modelling. The biggest part of work is dedicated to explain methods of verification and validation. The aim of this article is a summary, identification of problems and proposal for improvement of verification of mathematical fire models. Keywords: mathematical fire model, evaluation, verification, validation Úvod Situace v oboru požární ochrany a stavebnictví směřuje k vývoji standardů, které by upravovaly úroveň bezpečnosti lépe než tradiční normy zaměřené na řešení jednotlivých problémů. S rozvojem výpočetní techniky se prostředkem vhodným pro vytvoření takových standardů ukázaly být počítačové programy pro modelování požáru. Tyto počítačové modely dokážou provést srovnání mezi mnoha faktory a tím poskytnout požadovanou úroveň bezpečnosti. Analytické modely schopné předpovídat chování požáru se začaly vyvíjet v 60. letech 20. století. Snahou vědců bylo popsat pomocí matematických výrazů různé jevy, které byly pozorovány při rozvoji a šíření požáru. Podařilo se vytvořit různé metody vhodné pro popis průběhu požáru. Každý z těchto modelů se však zaměřoval na posouzení dílčích projevů a parametrů. Sjednocením takových modelů bylo možné vytvořit komplexní počítačový program, který na základě vstupních parametrů vypočítá očekávaný průběh požáru. Když byly vyvinuty matematická vyjádření základních fyzikálních jevů, mohli být původní rovnice přetvořeny na předpovědní rovnice pro teplotu, koncentraci kouře a plynů, a další požadované parametry, a poté řešeny numericky. Modelování požáru se prudce rozvíjí od konce 80. let minulého století. Tento rozvoj je způsoben především velkým pokrokem v oblasti výpočetní techniky. Programy pro počítačové modelování požáru se tak stávají stále více uplatnitelné v oboru požárně bezpečnostního inženýrství. 1

2

Ing., VŠB-TU Ostrava, Fakulta bezpečnostního inženýrství, Katedra požární ochrany a ochrany obyvatelstva, Lumírova 13, 700 30 Ostrava - Výškovice,e-mail: [email protected] Ing., Klimatherm spol. s r.o., Záběhlická 65, 10600 Praha 10, e-mail: [email protected]

47

S vývojem a zaváděním těchto modelů do systému předpisů je rozhodující, aby zde byly postupné snahy zkontrolovat jejich platnost a ověřit správnost výsledků. Přesnost modelů řešících jednotlivé jevy by měla být řešena již v průběhu vývoje. Avšak iterace mezi jednotlivými částmi systému nejsou vždy dobře pochopitelné. Proto se v současné době přijímají metody potřebné pro testování komplexních modelových systémů s velkorozměrovými zkouškami a experimenty. Matematické modely požáru a jejich rozdělení Matematický model je abstraktní model, který se užívá v matematickém jazyce k popisu systému. Matematický model je definován jako: reprezentace základních aspektů existujícího systému nebo systému, který chceme zkonstruovat. Matematické modely mohou mít mnoho forem jako například dynamické systémy, statistické modely, diferenciální rovnice nebo teoretické modely. Tyto a další typy modelů se mohou překrývat a zahrnovat různé abstraktní struktury. Do dneška bylo vyvinuto mnoho počítačových modelů požáru. Jsou určeny pro různé oblasti, obtížnosti a účely. Většina modelů je založena na základních fyzikálních zákonech zákon zachování hmoty, hybnosti a energie. Předpovídají především požárem vytvořené prostředí (hlavně teplotu) a pohyb kouře v uzavřených prostorech. Některé ještě navíc umí předpovídat požární odolnost, reakci detektorů a sprinklerů [3]. Nejvíce rozšířené jsou matematické modely požáru, které lze rozdělit na: • pravděpodobnostní - statistické - síťové • deterministické - zónové - typu pole Matematické modely nám umožňují získat dobrou předpověď některých parametrů požáru. Je to dosaženo kombinací matematických rovnic, které popisují fyzikální jevy. Protože se požáry neustále mění, jsou rovnice dosazeny ve formě diferenciálních rovnic. Souhrn rovnic může vypočítat podmínky vytvořené požárem v daném čase a specifickém objemu vzduchu. Předpoklady modelu, které předpověděly podmínky uvnitř kontrolního objemu, jsou vždy stálé. Takže kontrolní objem má stejnou teplotu, hustotu kouře, koncentraci plynu atd. Různé modely rozdělují budovu na různé množství kontrolních objemů v závislosti na požadované míře přesnosti [3]. Hodnocení a ověřování modelů Proces hodnocení je velice důležitou součástí modelovacího procesu. Je potřebný pro stanovení přijatelného použití a mezí modelu požáru. Modely nikdy nebudou fungovat dokonale a nikdy nebudou absolutně platné. To co je požadováno, je přijatelný rozsah provedení řešení. To, jaké řešení je považováno za přijatelné, určují garanti projektu, uživatelé nebo případně třetí strana. V současné době je snaha o to, aby se v budoucnu modely požáru rozšířily mimo požární laboratoře a používaly se při projektování, u hasičských sborů a dalších organizací. Dostatečné hodnocení nám zaručuje, že jejich použití bude přiměřené jejich vědeckému a technickému základu, že vybraný model bude odpovídat zamýšlenému účelu a že se můžeme spolehnout na úroveň výsledků. Díky tomu se můžeme vyhnout nechtěnému špatnému použití [4].

48

Posouzení modelu zahrnuje především proces verifikace a validace všech jeho součástí. Tento proces probíhá již od samého začátku vývoje programu, je cyklický a opakovatelný (obr. 1) [5]. Kontroluje se přesnost a platnost všech podprogramů, ale není možné hodnotit program pouze z jedné jeho součásti. Z těchto důvodů zůstává celkový proces kontroly platnosti a přesnosti vždy nezbytný k ověření celého modelu [6]. Verifikace je ustanovení, zda je věc provedena správně. Validace ověřuje, zda je provedena správná věc, jinými slovy zda jsou výsledky dané modelem platné. Takto jsou pojmy validace a verifikace vysvětlovány v USA, v Británii tvůrci a uživatelé modelů používají definici validace pro verifikaci a obráceně.

aplikace (skutečnost) určení a zhodnocení jevů

použití, simulace

výpočetní model

matematické modely

kvalifikované a uznávané analytické vyjádření

vývoj a ověření počítačový program

Obr. 1: Schéma procesu verifikace a validace [5]

49

Verifikace Vztahuje se k matematickému modelování pomocí počítačů a je doménou programátorů. Cílem verifikace je ověření, že program vyhovuje specifikaci. Jinými slovy, že program, tak jak je napsán, přesně popisuje model, tak jak byl navržen. Kontroluje se kompletní modelovací prostředí, tzn. zdroje, teorie, předpoklady, algoritmy, kód z hlediska fyzikální reprezentace a matematické přesnosti [8]. Kontrola jejich správného použití musí být již uvnitř programu (např. zobrazí výstrahu při překročení okruhu působnosti). Verifikace není spojená s vlastnostmi vztahů, které vytvořily model, ale zda byl přepočet vztahů reprezentovaných počítačem udělán správně. Verifikace může probíhat různými způsoby např.: - statickým ověřováním, které nevyžaduje běh programu, a proto ho lze provádět v kterékoliv fázi vývoje programu, - dynamickým ověřováním, které odvozuje vlastnosti programu na základě výsledků běhu programu nebo prototypu s vybranými vstupy. Je prakticky nemožné kompletně verifikovat velké komplexní počítačové programy, jakými jsou matematické modely požáru. Z tohoto důvodu mluví někteří počítačoví experti ne o verifikaci, ale o míře spolehlivosti programu. Úspěšná verifikace respektive míra spolehlivost programu je založena na [8]: - kvalifikaci programátora, - matematickém modelu a metodě řešení, - zdokumentované verifikaci, - délce využití programu v praxi, - různorodosti využití programu, - současném využití. Validace Cílem validace je ověření, že je program smysluplně specifikován a že pro použitý soubor vstupních dat podává správnou předpověď. Testuje shodu mezi chováním modelu a reálným problémem, který je modelován. Modely byly většinou získány přímo z konkrétních experimentů a byly podle nich kvalifikovány. To zaručuje platnost v určitém okruhu působnosti. Takže s validací programu musí být uvažováno už v průběhu jeho vzniku. Program použitý mimo svůj okruh působnosti nemusí nezbytně znamenat, že by byl vadný. Pro validaci platí stejný problém jako pro verifikaci tedy, že program nemůže být absolutně validní. Je zde snaha se předpověďmi modelu co nejvíce přiblížit událostem, které se vyskytují v reálných podmínkách. Po aplikaci všech přiměřených validačních procedur nezískáme validní model, ale získáme dobrou znalost o všech jeho silných a slabých stránkách. Potom můžeme vyhodnotit závažnost přijatých zjednodušení a říci jaké to ve výsledku způsobilo změny. Znalost hranic použitelnosti předpovědních schopností modelu nám poskytuje náležitou důvěru v získané výsledky [8]. Validace závisí na: - aspektech modelovaného reálného problému, - typu použitého modelu, - osobě požadující validaci, - osobě interpretující závěry validace.

50

Obecná metodika kontroly modelu požáru Pojem model zahrnuje fyzikální, matematické a numerické předpoklady a aproximace použité k popisu procesu hoření a pohybu zplodin, k popisu reakce objektu, osob a požárně bezpečnostních zařízení. V této metodice se předpokládá, že je model ve formě počítačového programu [1]. K zjišťování chyb se využívá těchto postupů: - posouzení teoretického základu, - kontrola zdrojového kódu, - analytické zkoušky, - empirické ověření, - srovnání s jinými modely. Druh a použití modelu Proces hodnocení modelu se zabývá oblastmi, které jsou ve středu zájmu jeho uživatelů a tvůrců. Je důležité, o jaký druh modelu se jedná (zónový model, model typu pole, model pro speciální účely) a jak bude používán (navrhování, rekonstrukce požáru, soudní spory). Použitý způsob hodnocení musí být podporován jak uživateli, tak i tvůrci. Pracovní skupina, která hodnocení provádí, se skládá z kvalifikovaných a uznávaných odborníků nezainteresovaných na vývoji programu seznámených s problematikou. Tato skupina vypracuje nezávislou studii teoretických předpokladů a matematických postupů, použitých v modelu. To zahrnuje zavedení experimentálních, statistických a analytických technik, pomocí kterých se řeší důležité otázky týkající se modelu [2]. Posouzení teoretického základu Teoretický základ modelu může být posouzen experty, kteří jsou plně obeznámeni s chemickými a fyzikálními jevy požáru. Hodnotí úplnost dokumentace z hlediska použitých předpokladů a aproximací. Dále by měli hodnotit přesnost dat použitých pro konstanty a implicitní hodnoty [1], a zda jsou v dostupné vědecké literatuře dostatečné vědecké podklady opravňující použité postupy a předpoklady [2]. Zdrojový kód Pro hodnocení je důležité, aby byl pracovní skupině poskytnut zdrojový kód programu. To však není vždy možné, zvláště když se jedná o komerční program. V případě, že je zdrojový kód k dispozici, měl by být program upraven tak, aby byl kód dostupný pro kontrolu. Kontrola by měla být prováděna třetí stranou a buď manuálně, nebo automaticky [1]. Existují dva způsoby automatické kontroly zdrojového kódu. Prvním způsobem je použití standardních metod pro kontrolu programové struktury a rozhraní. Těmito standardními metodami se myslí programy, které jsou obsaženy přímo v modelu a provádějí automatickou kontrolu. Tyto programy kontrolují správnost rozhraní, nedefinované nebo špatně definované (použité) proměnné a konstanty, a úplnost cyklů a vláken. Nekontrolují správnost numerického použití konstant nebo proměnných, ale zda jsou správně použity v syntaktickém smyslu. Druhým způsobem je spuštění programu na různých počítačových platformách a za použití různých operačních systémů. Předpokladem pro takovou kontrolu je implementace použitého programovacího jazyka na těchto platformách. [4]

51

Analytické zkoušky Jestliže má daný problém matematické řešení, potom jsou dobrý způsobem pro ověření analytické zkoušky. Výsledky získané modelem můžeme ověřit jejich matematickým řešením. Většinou jsou analyticky testovány jednotlivé části modelu tzv. sub-modely. Ne vždy však existuje analytické řešení, zvláště v případě komplexních scénářů, které jsou pro takový způsob ověření příliš komplikované [1]. Srovnání předpovědí modelu s experimentálními výsledky Důvěra uživatele v model je zvýšena, když se zkušenosti uživatele shodují s předpověďmi modelu. To vychází z úspěšné rekonstrukce reálných požárů nebo skrze srovnání předpovědí modelu s daty získanými experimentálně. Srovnání předpovědí modelu s experimentálními daty je velmi dobrým způsobem pro hodnocení modelu (obr. 2). Takovým ověřením se zaručuje, že se neslučují chyby v jednotlivých podprogramech k vytváření nesprávných předpovědí. Předpovědi programu by měli být tvořeny beze vztahu k experimentálním datům užitým pro srovnání. Toto omezení samozřejmě nezahrnuje potřebné vstupní data, která mohly být získány zkoušením nebo velkorozměrovými testy. Je potřeba vzít v úvahu nejistoty měření. Tvůrci modelu se nesmí pokoušet doslovně srovnat výsledky modelu a výsledky empirických měření [1]. Srovnání modelu s již existujícími programy Nový model lze srovnat s modely, které jsou již ověřené a používají se v praxi. Pokud je posuzovaný model správně sestrojen, měl by dojít při zadání stejných vstupních dat ke stejnému výsledku (obr. 2). Pomocí podobných srovnání lze odhalit slabiny modelu, které se následně odladí. Aby bylo toto srovnání akceptovatelné, musí být provedeno důsledně.

Obr. 2: Naměřený vs. předpověděný nárůst teploty horní horké vrstvy [3]

52

Příčiny nevhodných postupů a chybných předpokladů Použitím uvedených způsobu ověřování, by měly být zjištěny nevhodné postupy a chyby, které se v modelu vyskytují (tab. 1). Tyto nedostatky mohou vzniknout z těchto příčin [1]: - použití nevhodných algoritmů a fyzikálních vztahů, - použití špatných konstant a implicitních hodnot, - zjednodušení popisovaných jevů opomenutím některých procesů doprovázejících požár, - špatné numerické řešení soustav rovnic, - chyby v programu. Tab. 1: Způsoby zjišťování chyb a nedostatků matematického modelu způsob teoretická studie analytické zkoušky experimentální ověření porovnání s jinými programy kontrola zdrojového kódu programu

nesprávný algoritmus

nesprávné konstanty

chybějící postupy

•

• •

• • •

•

•

•

nevhodný numerický postup •

chyby kódu • •

•

Srovnání matematických modelů s požárními zkouškami Požární zkoušky se dělí na dvě kategorie, jsou to laboratorní experimenty a velkorozměrové zkoušky. Obě tyto kategorie nám poskytují dobrou úroveň srovnání, zda se model shoduje se skutečnými požáry. Velkorozměrové požární zkoušky nám poskytují více kvalitativní výsledky v případě, kdy model napodobuje skutečné podmínky požáru (obr. 3). Pomocí laboratorních experimentů získáme detailní údaje, které při srovnání zdůrazní slabiny individuálních jevů pozorovaných v modelu. Požární zkoušky mají pro hodnocení modelu požáru význam pouze tehdy, když je jich provedeno dostatečné množství. U většího počtu zkoušek se vyzkouší různé kombinace při zadávání proměnných, projeví se přirozená variabilita zkoumaného jevu a vliv nejistot experimentálních dat. Vhodným prostředkem pro vyhodnocení a následné srovnání zkoušek a modelu jsou grafy, které nám poskytují informace bez přílišných detailů. V grafech lze například znázornit časovou závislost mezi výsledky zkoušek a výsledky zprostředkovaných modelem. Pro posouzení jak moc jsou rozdíly a chyby významné se používají statistické metody. Úroveň shody zkoušek a modelu se obvykle popisuje jako „příznivá“, „přijatelná“ apod. Aby bylo možné takovéto požární zkoušky použít ke srovnání, je důležité, aby byly důkladně připraveny a provedeny. Po úspěšném provedení požární zkoušky se pečlivě zdokumentují výsledky a všechny pozorované jevy, tak aby bylo možné je archivovat pro pozdější použití. Výsledky požárních zkoušek se zapisují do databází, které ale neobsahují informace o přesnosti použitých měřících přístrojů apod. Jednou z takových databází je například FDMS od Národního institutu pro standardizaci a technologii z USA.

53

Obr. 3: Velkorozměrová požární zkouška provedená NIST v rámci projektu zaměřeného na validaci modelu požáru [3]

Shrnutí zjištěných poznatků a jejich zhodnocení Problematika ověřování matematických modelů požáru je velmi široká a zahrnuje znalosti z mnoha vědních oborů. Je to způsobeno tím, že samotný fenomén požáru je velice složitý a je ovlivňován mnoha faktory. Tvůrci modelů se snaží ve svých programech zohlednit co nejvíce těchto vlivů, aby se výsledná simulace co nejvíce blížila reálnému prostředí. To vyžaduje úzkou spolupráci mezi experty s oborů fyziky, chemie, matematiky, výpočetní techniky, požární ochrany, stavebnictví. Spolupráce těchto expertů je nutná jak při tvorbě programu pro matematické modelování požáru, tak při jeho ověřování. Z výše popsaných metod je patrné, že proces verifikace, který zahrnuje hlavně posouzení teoretického základu, programového kódu a numerických postupů, je doménou především fyziků, matematiků a programátorů. Naopak proces validace, při kterém se výsledky modelu srovnávají s velkorozměrovými požárními zkouškami, laboratorními experimenty a jinými programy, je mnohem víc spojený s praktickou stránkou věci, a proto jej také provádějí experti z dotčených oborů, jako jsou pracovníci výzkumných ústavů a laboratoří a příslušníci hasičského sbor. Ověřování matematických modelů požáru nelze chápat jako izolovanou činnost, která následuje až po vytvoření programu, ale jako nedělitelnou součást celého vývoje a následného užívání modelu. Metody ověřování, které jsou popsány v tomto článku, patří mezi ty základní a jsou víceméně společné pro všechny typy matematických modelů požáru. Určité rozdíly

54

mohou být mezi ověřování zónových modelů a modelů typu pole, respektive mezi jednoduššími a složitějšími modely. Matematické modely požáru a jejich ověřování ve světě a v ČR Počítačové programy pro matematické modelování požáru jsou vyvíjeny jak v Evropě, tak i v zámoří (USA, Japonsko). Ve většině případů je vývoj těchto programů spojen s výzkumnými prácemi na univerzitách např. University of Greenwich, University of Liege nebo Worcester Polytechnic Institut. Ve Spojených státech je tento vývoj podporován národním institutem pro standardy a technologie (NIST). Ověřování matematických modelů není v zahraničí žádnou novinkou. Matematické modely se využívají v operačním výzkumu a expertních systémech. Znalosti z ověřování těchto modelů mohou být do určité míry aplikovány také na modely požáru. Pro většinu zemí je společné to, že ověření správnosti a použitelnost modelů zajímá nejen akademiky, ale také státní organizace. Je to způsobeno tím, že jsou to právě státní organizace, které tyto modely často využívají ve svých projektech. Například v USA byly matematické modely požáru využity při posouzení požární bezpečnosti v jaderných elektrárnách nebo byly přijaty jako důkazní materiál soudních sporů. Země, ve kterých probíhá vývoj modelovacích programů, spolu spolupracují při ověřování. Poskytují si vzájemně data potřebná pro srovnání modelů s požárními zkouškami. Za tímto účelem byla v USA výzkumnou laboratoří NIST vyvinuta počítačová databáze FDMS, ve které mohou být prezentovány výsledky z provedených velkorozměrových zkoušek a laboratorních experimentů. Výsledky zapsané v této databázi pak mohou využít pracovní týmy provádějící ověřování modelu požáru v různých zemích. Je patrná snaha převést modely požáru z akademických kruhů do soukromého sektoru. V evropské unii vyšla norma EN 1991-1-2, která je platná také v ČR a ve které se dovoluje pro výpočet teplotních křivek užít matematické modely požáru. Byla také vytvořena Technická zpráva ISO/TR 13387, která se zabývá řešením požární bezpečnosti staveb a je v ní zahrnuto i používání matematický modelů požáru. V České republice momentálně neprobíhá vývoj žádného programu pro matematické modelování požáru. Modely požáru se využívají především při práci na vysokých školách konkrétně na VŠB - TU Ostrava na fakultě bezpečnostního inženýrství a pak také na Ministerstvu vnitra v programech zaměřených na výzkum a vývoj. Návrh změn a zlepšení Matematické modelování požáru pomocí počítačových programů již sice probíhá zhruba od 80. let 20. století, ale přesto není ještě příliš začleněno v praxi. Klíčem k většímu rozšíření modelů požáru je právě rozvoj ověřovacích metod, které nám zaručí, že jsou modelové simulace a předpovědi správné. Tomu by mohlo napomoci například větší rozšíření modelů mimo university a státní instituce mezi projektanty ze soukromého sektoru. Zainteresování těchto projektantů by jistě přineslo nové informace o využitelnosti modelů v praxi. Dnes jsou již k dispozici standardy zaměřené na ověřování matematických modelů. Tyto standardy však podávají jen základní informace o vhodných metodách. Bylo by dobré, kdyby byly tyto standardy více rozpracovány, tak aby tvůrcům a uživatelům poskytly komplexnější informace o postupech ověřování. Modelování není pouze národní záležitostí. Vyvinuté programy jsou užívány všude na světě a při jejich ověřování spolupracují experti z mnoha zemí. Tato mezinárodní spolupráce je velmi prospěšná, a proto by měla být co nejvíce podporována.

55

Vývoj a ověřování modelů je úzce spojeno s rozvojem výpočetní techniky. Čím výkonnější výpočetní techniku máme k dispozici, tím náročnější mohou být i modely a tím lepší může být i úroveň ověření. Tento rozvoj je v posledních letech velmi rychlý, a to způsobuje komplikace při aktualizaci norem zabývajících se ověřováním modelů. Závěr Vývoj v oblasti modelování požáru pomocí počítačových programů je pořád rychlejší a výpočetní technika se používá v požárním inženýrství ve stále větším měřítku. Zavedení modelů požáru do praxe zjednoduší práci projektantů a poskytne jim prostředek, kterým bude možné objektivně srovnávat výsledky z různých zemí. Díky tomu získáme přijatelná měřítka pro stanovení shody a tím zmenšíme bariéry v mezinárodním obchodu se stavebními materiály, výrobky, projekty a konstrukcemi. Aby bylo možné spolehnout se na výsledky předpovědí, které byly získané počítačovými modely, je nutné, aby mezinárodní a národní standardy upravily použití modelů požáru v praxi. Je potřeba stanovit všeobecné podmínky pro ověřování modelů, které budou akceptovatelné vývojáři i uživateli. V současné době se na takových standardech již pracuje a je jen otázkou času, kdy budou implementovány i do našich technických norem. Literatura [1] [2]

[3] [4] [5]

[6]

[7]

[8]

ISO/TR 13387-3:1999: Fire safety engineering – Part3: Assessment and verification of mathematical fire models. ISO, 1999. 22s. JONES, W. W. Progress Report on Fire Modeling and Validation. In BEALL, K. A. Fire Research and Safety: 13th Joint Panel Meeting of the UJNR. Gaithersburg: National Institute of Standards and Technology, 1997. Volume 2. s. 7-14 SALLEY, M. H. et al. Verification and Validation - How to Determine the Accuracy of Fire Models. Fire Protection Engineering. 2007, vol. 9, no. 2, s. 34-44 PEACOCK, R. D. et al. CFAST: Consolidated Model of Fire Growth and Smoke Transport (Version6): User's Guide. Washington: NIST, 2005. 109 s. GRITZO, L. A. Verification, Validation and Selected Applications of the VULCAN and FUEGO Fire Field Models. In International Collaborative Project to Evaluate Fire Models for Nuclear Power Plant Applications: Summary of 5th Meeting. Gaithersburg: National Institute of Standards and Technology, 2003. APPENDIX D. s. 169-177 GAUTIER, B. Fire Zone Model MAGIC: The Validation and Verification Principles. In International Collaborative Project to Evaluate Fire Models for Nuclear Power Plant Applications: Summary of 5th Meeting. Gaithersburg: National Institute of Standards and Technology, 2003. APPENDIX C. s. 73-76 FINLAY, P. N. FORSEY, G. J. WILSON, J. M. The Validation of Expert Systems: Contrasts with Traditional Methods. The Journal of the Operational Research Society. 1988, vol. 39, no. 10, s. 933-938 GASS, S. I. Decision-Aiding Models: Validation, Assessment, and Related Issues for Policy Analysis. Operations Research. 1983, vol. 31, no. 4, s. 603-631

56

Bohuš LEITNER1 THE FATIGUE OF MATERIAL AS A RISK ITEM IN THE PROCESS OF THE RELIABILITY AND SAFETY PREDICTION OF VARIOUS TECHNICAL SYSTEMS Abstract Material fatigue of parts of different technical systems belongs to the most frequent causes of boundary states rise and relating operation breakdowns. Paper contains general formulation of reliability of technical systems judging, brief characteristic of basic areas to be taken in account as input into calculated prediction of technical systems fatigue life and analysis of risk items by its practical application. Abstrakt Únava materiálu častí rozličných technických systémov patrí k najčastejším príčinám vzniku medzných stavov a z nich vyplývajúcich prevádzkových havárií. Článok obsahuje všeobecnú formuláciu problému posudzovania spoľahlivosti technických systémov, stručnú charakteristiku základných oblastí vstupujúcich do výpočtového odhadu únavovej životnosti technických systémov a rozbor rizikových položiek pri jeho praktickej aplikácii. Keywords: working conditions, fatigue of material, life-time, reliability, safety of technical system, operation breakdowns. Introduction An extraordinary attention is dedicated to the evaluation of fatigue life of construction parts of different technical systems all over the world because breakdowns caused by a fatigue failure have often a nature of catastrophe. There should be a dominant effort to bring conditions of calculation or experiment near to the working conditions in which the investigated system is exploited. The aim is to reduce unfamiliarity of acting factors of the surroundings and their interactions with processes in the system itself. A modern way of calculation of any technical systems (e.g. large mechanical or civil structures) therefore demands to respect dynamic and stochastic nature of all influencing working factors and related working loads. The main reason for it is the prevention of their working breakdowns. The General Procedure of Technical Systems Safety and Reliability Judging Now presented theory and methods of reliability evaluation and its partial characteristics result in principle from two main approaches from which follow further theoretical starting points and practical methodise focuses on certain group of systems. The first approach is based on the idealization, strict modelling conditions and use of traditional calculation of reliability characteristics. We can talk about so called a priory (inserted) reliability, determined already during research, development and partly a phase of production, which is limited with level of the used calculation, design and technological procedures. The second approach rests on real information of stochastic nature directly connected with concrete working conditions of the examined system. There is a so-called a posteriory 1

doc., Ing., Ph.D., Žilinská univerzita v Žiline, FŠI, Katedra technických vied a informatiky, Ul. 1. mája 32, 010 26 Žilina, e-mail: [email protected]

57

(working) reliability, which characterizes measure of structure reliability in certain working conditions. Working reliability depends directly not only on a measure of the inserted reliability but also on real exploitation conditions, discipline of production, level of care, quality of operation etc. The formulation mathematical-symbolic, which gives some ideas about selected element reliability estimation, is the mostly used formulation of technical systems (TS) reliability judgement [1]. It expresses reliability in the form of a series synthesis in the form of F ( t ) ⇒ [ TS ] ⇒ σ x

(t)

⇒ Z (t) ⇒ T (Zc

)

⇒ R (t) ,

where F(t), σx(t), Z(t), T(Z c) are general random functions of time with the following meaning: F(t) σx(t) Z(t) -

T(Z c)

-

R(t)

-

stochastic working load of technical system [TS] as a time function, stress in x-location, which is a reaction on the input process F(t) and characterises implicitly quality of the tested TS too, process of fatigue failure which is a reaction on the process σx(t) and which takes in account a character of the system [TS] and fatigue characteristics of used material, process of life connected with the process Z(t), which follows from the course of fatigue process and when Zc is order value of failure causing breakdown of the system, function describing probability of non-failure of the system [TS] during defined working conditions F(t) and inserted qualities which generally characterises reliability as probability of working without failure.

It is obvious that from point of view of complex structure safety judgement the fatigue life of their principal parts is the most decisive criterion. It can be estimated after different theories of fatigue failure. The main reason for difference of predicted life value from the real one reached under real working conditions are namely difficulties which we are meeting during exact determination of acting working load parameters. These are caused by some of the most significant factors of working conditions and their intensities. The Areas Entering the Algorithm of Fatigue Life Prediction If we limit our meditation about fatigue life estimation just on strength problems and do not take in an account related theories such as the theory of mechanics dynamics of machine units and further scientific disciplines then generally we can deal with four principle areas of interest related with [1]: • choice of structure critical points, which is analysed further, • determination of stresses in selected critical points and following elaboration with methods suitable for fatigue life estimation, • proposal or judgement of strength and fatigue properties of investigate parts material based on chosen material characteristics and • choice of method of calculation – hypothesis of fatigue failure cumulating, which can correlate the information about loads and material properties of the system parts. The output is a qualified estimation of an analysed part fatigue life.

58

After determination and evaluating of above mentioned groups of information and after their suitable application we can get concrete values of fatigue life estimation of tested parts of the system which significantly determine reliability of the structure on the whole and which are the important information in judgement of risks connected with its safe working. Working Conditions – A Source of Working Loads It follows from Fig.1, that working conditions are the main source of working load (excitation), which causes stresses of the examined technical system. Despite of that they are principal input information for quantified estimation of reliability of each technical system. It was not possible to find any universal way of their complex description until now which could be used in a practical way at any circumstances. Experience from realised analyses of life show that problem of working conditions influence on the level of fatigue failure cumulation is still underestimated. Individual factors of working conditions can have different physical meaning although nearly without any exception they are of stochastic nature. Exploring their influence on system parts stresses we can go out from analysis of real working modes. It should be a model of typical working conditions built on that base so called load collective representing a collection of the most important working conditions factors and frequency of their occurrence [2,3]. E1

Experimental verification

E2 WORKING CONDITIONS

: : : :

WORKING LOADS

Ei

: En

Material properties Hypotheses of fatigue failure cumulation Experimental verification Material properties Hypotheses of fatigue failure cumulation

C O M p A R i S I O N

C O M p A R i S I O N

Critical points selection

Fig.1.: General procedure of fatigue life problems solutions The review of fatigue life is built on a basic presumption that fatigue failure in always conditioned by cyclic deformation of material of which a measurable cause is in any case force pressure, velocity, acceleration etc. From the point of view of life analysis purpose there are not important working load characteristics and their interactions but just result of their cooperation in the form of stress or deformation of structure parts. In real practice there are most often used two elementary ways in which relevant information is obtaining.

59

The first one is based on the fact that in most cases it is possible to measure stresses of the structure critical points directly on the structure during its working in real working conditions. If the measurement is realised in order to get input values for fatigue life estimation then the structure cannot be measured at any working condition (although the most aggressive ones) but in conditions which are for the structure typical or relevant. The second way is based on obtaining the most relevant working factors and on computer simulation of their influence on mathematical model of the system (most often FEM) which has as a result calculation of critical parts stresses [3]. Strength and Fatigue Properties of Using Materials The second relevant area for fatigue life prediction is determination of necessary (namely mechanical) properties of used constructional materials in analysed points of system. Some characteristics (curves) of used construct materials are utilized during a practical realisation of estimation of working fatigue which can characterise fatigue properties of used material. The oldest but until now utilized characteristics of material is the Wöhler curve (Fig.2 a) showing dependence of the harmonic cycle amplitude of force F or stress σa on a number of cycles until failure Nf. Sometimes it is used just the only value – fatigue limit σc [1,4]. It can be expressed in a mathematical way by equation (1) or taking in account fatigue limit σc in form (2) or as the case may be taking in account influence of the mean value in form (3), where m, A, σ´f and b are the material constants (σ´f - is called fatigue strength coefficient and b is an exponent of fatigue strength)

σ am. N f = A

(1)

(σ a − σ c ) m . N f = A respectively σ a = σ ´f .(2.N f ) b

(2)

σ a = (σ ´f − σ m ).(2.N f ) b

(3)

More modern material characteristics is the Manson-Coffin curve (Fig.2 b) defining dependability of the amplitude of a deformation harmonic cycle εa on a number of cycles until failure 2.Nf. It is described by equation (4), where ε´f is coefficient of fatigue ductility (elongation), c is an exponent of fatigue ductility and E is the Young module [2].

εa =

σ ´f E

.(2.N f ) b + ε ´f .( 2.N f ) c

60

(4)

Fig.2.: The Wöhler curve (a), Manson-Coffin curve (b) and Cyclic deformation curve (c) By exploring correlation between Wöhler and Manson-Coffin curves it was found that the dependability exists and holds for the relationship equation which is the so called equation of cyclic deformation curve (Fig.2 c) which is expressed in form [2] 1

σa

σ n + a  , εa = E K 

(5)

where K is a coefficient of cyclic strength and n is a coefficient of cyclic strain-hardness. It is important that by repeated loads doesn’t hold the classic Hook’s law in form ε = σ / E but the decisive role plays just the second part of equation (5) [2,6,7]. Hypothesis of Fatigue Damage Cumulation It is natural that different ways of treatment and description of stochastic working loads have as a result different methods of fatigue damage estimation. In the area of fatigue these methods are called hypothesis’ of fatigue damage cumulation (HFDC) and their purpose is a quantified estimation of fatigue damage level estimation caused by a process of certain length or number of cycles. Depending on character of evaluated parameters (the block of harmonic cycles) [1,2,3] or statistic characteristics of the process obtained in the frame of correlation theory [1,3,4] or values of autocorrelation function (ACF) or power spectral density (PSD) from an autoregressive model of process [4] it is possible to apply a suitable HFDC based on using some of the mentioned parameters. A lot of hypotheses based on utilising of the obtained block or macro-block of harmonic cycles were proposed and verified. By their application one goes out mainly from information about the used construction material and about principal characteristics of macroblock of harmonic cycles (e.g. number of block levels, number of cycles, number of cycles until failure on the same level etc.). Hypotheses based on the correlation theory characteristics are less frequent than the former ones and most of them are too theoretic a computation demanding for concrete practical utilisation. Moreover their accuracy has not been sufficiently proved until now.

61

Risk Items by Estimate of Fatigue Strength and Life of Technical Systems Elements A complicated technical system contains lot of different functional units their subgroups and single elements which one can divide from point of view their function on primary and secondary parts. It can be supposed that an eventual failure of secondary parts does not threat the safety or the function of the whole device and therefore they are not usually object of design calculations and tests. A failure of a primary part of a technical system means however or significant limitation or total failure of system or device functions. Elements from point of view of their failures can be divided in 2 groups: 1. Elements which failure does not threat working safety or lives of people (when this failure occurs in a mass production it is solved usually ex-post and all of measures accepted are focused on searching and removing of failure causes). 2. Elements which failure significantly threaten the safety and usually can cause even a catastrophic consequence. Therefore it is necessary to unfold considerable effort to exclude such of failures during expected or projected life (the term “excluding” we can understand as possibility of such failures with extremely low probability). Number of elements in single groups, production magnitude of single structures types and their technical parameters determine then the philosophy of project of its single elements. The terms as safe-life, fail-safe, damage tolerance [ ] are used not only in the aircraft industry where such kinds of dimensioning were developed.  So called Safe-life way of technical systems dimensioning results from the demand that during projected life can not rise fatigue failure of not any part of the system (eventually probability of its rise during given time interval of technical life is extremely low). This procedure is used namely by parts which cannot be regularly checked during working and by parts which ere not advanced in any way so that their eventual failure would threaten working safety.  The fail-safe dimensioning of structure raised from the demand of utilization of system which accepts rise of failures however excludes sudden collapse of the whole system. So understood idea of projecting is based on condition that in the case of primary part failure should be secured during limited amount of time (for example till failure removing) that remaining parts of structure should be able to carry actual working loads (for example a bar structure when during failure of one of bars is the strength flow carried by other bars not to lode a loading capacity of the whole structure).  Presented approach was gradually generalized into philosophy so called damage tolerance. Failures of fatigue macro-cracks fractures of connecting elements (for example screws threads welds etc.) are not excluded but there are accepted measures which must secure their timely identification and prevent their widening into such measure which could cause a serious or catastrophic failure. It deals namely with the realization of periodic checks system with application of indication methods for failures disclosure. This extremely low probability P can be understood in machine building industry probability less then 10-3 to 10-5 (in mass production for example car building industry) or in aircraft building industry which accepts probability of catastrophic failure P=10-6 in the end of aircraft working life. The four principal factors which influence the structure design procedure significantly rise in all presented cases are: working load – usually defined by loading spectrum, material – especially its strength, cyclic and fracture properties, form of the component (detail) – over all different stress concentrators, production technology and acting of the most significant

62

system working factors in the certain conditions of utilization and their intensity acting mainly on surface of tested parts. Working Loads Life of the structure depends in the large scale on stresses of its single elements and parts are determined by loads during its working. Therefore it is necessary to get as representative record of working loads and their working spectra to be able to create a calculation model of a structure or to make a relevant laboratory tests using structure models or even the structure. They are built usually by working records of different working conditions which should create the set with the typical composition of working of examined TS. There are worked out one dimensional spectra of loads amplitude frequency or so called rainflow matrixes (two parametrical matrixes of frequencies of upper and lower extremes (or means and amplitudes) usable in procedures of calculations. Load spectra are usually determined using examination of system prototypes or their former generations eventually they can be developed from similar structure spectra. Some design load spectra can be standardized [4]. Properties of Structure Materials It is important besides of principal material values obtained from pulling rest to determine material properties during cyclic load and fracture characteristics too. It is however necessary to understand the obtaining determination of such material constants is always connected with the certain object examined (especially its form, surface quality, heat treatment and especially its absolute magnitude). It is important to take into account in the case of results extrapolation onto different conditions. The fact is the change in time of the most of material parameters during working of a structure (for example a cyclic softening or hardening etc.) eventually their change due to acting of higher or lower temperatures comparing to the ones detected during tests. Form of the Detail The allocation of stresses inside the examined element in the elastic state is determined by the form of the detail, its border conditions (seating), kind of the load and elastic parameters of material. It is necessary to realize a detailed state of stress analysis to be able to perform strength and fatigue calculations. Not only classic methods of elasticity and strength are used but numeric procedures too as Finite Element Method (FEM), Border Element Method (BEM) or some others. When is necessary to perform an analysis of the real local stresses and deformations it is usually necessary to apply calculations behind the limit of proportionality in the elastic-plastic area of material behaviour of to “adapt” into the notch. Technology and Working Exactly the surface layer is the determining location for the initiation of different defects by the most of metal building and machine structures where the surface layer structure does not much differentiate from the core of detail. Therefore this initiation depends significantly on the surface quality and on the stresses in the surface layer including the residual stresses (coming from the realisation of former technological operations or loading histories) [2]. The working conditions and outside surroundings factors aggressiveness are

63

also tightly connected to the changes of surface layer properties during technical life of a part or detail [3]. It is possible to talk about the so called degradation of material during working of a structure connected with the influence of surrounding and the change of material characteristics in time. Its influence is in practice taken in the account by means of choice (increasing) of safety coefficients values. Fatigue Failures and Safety of Technical Systems One of areas for application of risk control methods in design and exploitation of technical systems is working strength estimation of their single parts and with it connected fatigue life estimation. The realised analysis of working failure causes and breakdowns of different technical systems shows clearly that nearly in all cases a fatigue process was presented as a result of a repeated dynamic load, mostly in synergy with another damaging process such as corrosion, dry friction, material defects, temperature changes etc. We must know which risk items influence probability of failure of the system parts and propose to the user some measures for their control it means their minimisation or total elimination. For an illustration is on Fig.3 analysed a causal dependence of a steel structure of a lifting machine failure its related a risk factors depending on its safety level after [5].

64

Danger

Thread

1. Material 2. Structure form 3. Loads 4. Calculation method 5. Production, welds 6. Assembly 7. Safety arrangement

1. Engines, control 2. Load collectives 3. Functional ability of safety arrangements 4. Surroundings 5. Human factor (crane-man, binder, other persons)

Initiation Working load

Damage

Working strength

1. 2. 3. 4.

Checking Tests Maintenance Repairs

L

O I

A

S II

PA

S Pa - Probability of damage A - Initiation I - Safe area, II - Unsafe area

Indirect safety

Measures in projection, design and production

Measures in stage of working

Direct safety Following safety

Flexible tracing systems

Fig.3.: Causal dependence of a steel structure of a lifting machine failure [6] Procedure of fatigue life estimation of single elements and with it connected risks by prediction of working strength are based on defining of two principle variables – load (stress, strength) and loading capacity. 1. Real stress of structure part can be recorded just on the base of experimental methods application during technical life of system which is in practice namely for usual types of machine structures just difficult solvable mainly there where the load are of stochastic nature. One of available procedures with high grade of reliability approximation is use of simulation methods based on mathematical model of explored system or its part. This procedure is naturally marked with error which is directly connected with defined risk item – load!

65

2. Loading capacity is expressed in form of material characteristics which are usually available just for some material samples. Taking in account of working parameters means change of curve form which is called in literature as working life curve. Further important risk items by fatigue life parameters prediction are also the parameters connected with the detail size, type of notch, loading frequency (Fig.4), state and quality of surface, working temperature etc. which influence material properties and by them form of life curve too. It was proved [6] that especially insufficient knowledge of derivation value of fatigue life curve and not taking in the account the profiles form nonlinearities could lead to the marked Fig.4.: Fracture surface of the axle of divergence in the obtained values of examined the railway bogie [7] parameters.

Conclusions The estimate of structure part life with respect to its fatigue often distinguishes in fact from the value obtained in the real working. The main reasons are mainly problems with exact determination of outside loads parameters which have an effect on the structure during its working. The values of fatigue strength for examined part of structure are mostly not available. They are usually available just for the specimen of structure materials used. They represent just the ideal state which occurs in the real conditions of applying very rarely. It is obvious that if the information’s about acting working conditions factors would not be sufficient they can rise serious inaccuracy in the algorithm of fatigue life estimate and the predicted value would be markedly different from the real one obtained in the real working. This paper was supported by VEGA agency through project VEGA Nr. 1/3154/06 “The influence of stochastic dynamic loads of transport machines for fatigue life and reliability of theirs structure elements” Literature [1] [2] [3]

[4]

[5]

Papuga, J.: Coverage of multiaxial fatigue criteria in fatigue limit region. J. Applied and Computational Mechanics, 2007, No. 1. ISSN 1802-680X Melcher, R.: Structural Reliability Analysis and Prediction. Second edition. John Wiley & Sons, 1999 Růžička, M.: Kritéria a postupy při posuzování únavové pevnosti a životnosti konstrukcí. ČVUT, Praha 1999 http://mechanika.fs.cvut.cz/sources_old/pzk/obsah.html Kliman, V., Jelemenská, J.: Fatigue reliability evaluation of structure under random loading using safety criterion - Part I. Methodology. Kovové materiály - Metallic Materials, Nr.39, SAV Bratislava 2001, p.199-217 Sinay, J.: Riziká technických zariadení – manažérstvo rizika. OTA, Košice 1997

66

[6]

[7]

Papuga, J., Růžička, M., Hrubý, Z., Stavrovský, V.: PragTic - Software for Fatigue Calculation Based on FE-Data and What Next with It. In: Životnost materiálů a konstrukcí. Brno 2006 www.tsb.gc.ca/.../2001/R01Q0010/R01Q0010.asp Resumé

Jednou z oblastí pre aplikáciu metód riadenia rizika pri návrhu a exploatácii technických systémov je problém odhadu prevádzkovej pevnosti jednotlivých častí a s ním súvisiaca predikcia únavovej životnosti (ÚŽ) ich vybraných konštrukčných častí. Analýzy príčin prevádzkových porúch a havárií rozličných TS jednoznačne dokazujú, že takmer vo všetkých prípadoch bol prítomný únavový degradačný proces ako dôsledok opakovaného dynamického namáhania, väčšinou v synergii s ďalším poškodzujúcim procesom, ako korózia, suché trenie, chyby konštrukčných materiálov, výkyvy teploty apod. Moderný výpočet rozličných technických systémov (najmä veľkorozmerných strojných a stavebných konštrukcií) preto z hľadiska možností vzniku rôznych prevádzkových zlyhaní a havárií vyžaduje, aby v čo najväčšej miere rešpektoval dynamickú, ale najmä stochastickú povahu všetkých pôsobiacich faktorov prevádzkových podmienok a z nich vyplývajúcich prevádzkových zaťažení. Dominantnou snahou je najmä priblíženie priebehu výpočtového odhadu resp. realizovaného experimentu reálnym podmienkam prevádzky, v ktorých je skúmaný systém exploatovaný. Cieľom je najmä redukcia neznalosti pôsobiacich faktorov okolia a ich interakcií s procesmi prebiehajúcimi v samotnom systéme. Ak úvahy o riešení problematiky odhadu únavovej životnosti obmedzíme výhradne na pevnostnú problematiku a neuvažujeme súvisiace metódy teórie mechanizmov, dynamiky strojných agregátov a ďalších vedných disciplín, potom sa vo všeobecnosti jedná o štyri základné oblasti záujmu :  výber kritických miest konštrukcie, ktoré sa stanú predmetom ďalšej analýzy,  určenie namáhania skúmaných kritických miest a jeho následné spracovanie metódami vhodnými pre odhad životnosti,  návrh nových alebo posúdenie aktuálnych pevnostných a únavových vlastností materiálu skúmaných častí na základe zvolených materiálových charakteristík a  výber vhodného výpočtového postupu, tzv. hypotézy kumulácie únavového poškodenia (HKÚP), ktorý uvedie do súvislosti informácie o zaťaženiach a materiálových vlastnostiach. Výstupom je kvantifikovaný odhad ÚŽ analyzovanej časti. Po získaní a spracovaní uvedených skupín informácií možno získať konkrétne hodnoty odhadu únavovej životnosti skúmaných častí systému, ktoré sú dôležitou informáciou pri posudzovaní aspektov bezpečnosti ich prevádzkovania. Z pohľadu posúdenia bezpečnosti technických systémov ako celku je rozhodujúcim kritériom najmä predikcia životnosti do porušenia ich hlavných častí, realizovanú s ohľadom na rôzne teórie kumulácie únavového poškodenia. Hlavným dôvodom odlišnosti predikovanej hodnoty únavovej životnosti a hodnoty dosiahnutej v reálnej prevádzke je najmä problém dostatočne presného určenia parametrov pôsobiaceho prevádzkového zaťaženia, vyvolaného synergiou pôsobenia jednotlivých faktorov reálnych prevádzkových podmienok a ich intenzít. Jedná sa predovšetkým o problémy súvisiace s presným určením parametrov vonkajšieho zaťaženia, ktoré počas prevádzky na konštrukciu pôsobí. Vo väčšine prípadov taktiež nie sú k dispozícii hodnoty únavovej pevnosti pre skúmaný uzol konštrukcie, ale obvykle iba pre vzorky použitých konštrukčných materiálov, ktoré však predstavujú ideálny stav, ktorý sa v reálnych podmienkach nasadenia vyskytuje iba zriedka. Z uvedeného je zrejmé, že ak informácie

67

o pôsobiacich faktoroch prevádzkových podmienok nebudú dostatočné, v algoritme predikcie spoľahlivosti sa objavia vážne nepresnosti a predikovaná hodnota bude výrazne odlišná od skutočnej hodnoty dosiahnutej v reálnej prevádzke.

68

Luděk LUKÁŠ1 K NĚKTERÝM ASPEKTŮM VYMEZENÍ INFORMAČNÍ PODPORY IZS A KRIZOVÉHO ŘÍZENÍ SOME ASPECT OF CRISIS MANAGEMENT INFORMATION SUPPORT Abstrakt V článku je analyzován vliv informační podpory velení a řízení na činnost integrovaného záchranného systému (IZS) a krizového řízení. V úvodu je vymezena podstata řízení a jeho specifika v podmínkách IZS a systému krizového řízení. K zajištění procesu velení a řízení jsou pro řídícího pracovníka a jeho podřízené nezbytné funkce pořizování, sběru, správy, zpracování, ochrany a přenosu informací. Tyto procesní funkce jsou zajištěny prostřednictvím komunikační a informační podpory velení a řízení (KIP). Podporou je chápáno zajištění služeb vyžadovaných k realizaci určité činnosti. KIP je proces (soubor informačních činností) informačně podporující velení a řízení. Velení a řízení je podporováno informačními procesy: pořizování, správy, zpracování, přenosu, ochrany a prezentace informací. Optimálnosti KIP se dosahuje správnou identifikací informačních zdrojů, organizací informačních toků v čase a využitím informací pro potřeby velení a řízení. Rozhodující roli při zajištění informační podpory řízení sehrávají informační systémy, zpravidla počítačově orientované. V závěrečné části příspěvku jsou vymezeny specifické požadavky na informační systémy IZS a krizového řízení. Abstract Paper analyses influence of information support on crisis management. The information needs and its content will be specified as fundamental for information support specification. The functions of information acquisition, collection, maintenance, processing, security and transmission are vital for the manager and his subordinates to provide for the command and control process. These process functions are accomplished by communication and information support (CISu). Support hereof should be understood as providing service required for carrying out certain action. CISu is a process (information action) supporting command and control with information. CISu is determined with proper identification of information sources, management of information flows in time (information pushing or pulling) and with utilisation of information in favour of command and control. Crisis management and Integrated Rescue System is supported by information to use a Crisis Management Information System. Features of Crisis Management Information System are specified too. Interoperability of communication and information systems of crisis management and integrated rescue system is fundamental for command and control or information sharing. Keywords: information system, communication and information support, integrated rescue system, crisis management.

1

doc., Ing., CSc., Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Fakulta aplikované informatiky, Ústav elektrotechniky a měření, Náměstí T. G. Masaryka 5555, 760 01 Zlín, e-mail: [email protected]

69

Úvod Pojem informace má mnoho významů, jenž závisí na oblasti, v jejímž kontextu se používá. Jinak je informace chápána žurnalistikou, jiným způsobem ve filozofii a politologii, jinak ji chápe informatika a kybernetika. V rámci tohoto článku se pohlíží na informaci zejména z hlediska jejího využití pro potřeby velení a řízení v podmínkách integrovaného záchranného systému a krizového řízení. Každá organizace je předurčena k naplnění určitých cílů. Souhrn cílů představuje orientaci na její cílovou funkci. Firmy zajišťují výrobu nebo poskytování služeb za účelem dosažení zisku. Organizace státní správy a samosprávy plní úkoly v rámci své působnosti. Úkolem složek IZS a krizového řízení je zajistit prevenci vzniku mimořádných událostí, přípravu na odstraňování jejich následků a vlastní realizaci záchranných a likvidačních prací. Proces řízení zahrnuje formulaci cílů a koordinaci činností jednotlivých prvků a výkonných orgánů. Obvykle se klade rovnítko mezi řízení a management. Jak již bylo zmíněno, základními funkcemi procesu řízení jsou plánování, organizování, vedení lidí a kontrola. Cílem plánování je formulace úkolů, stanovení jejich posloupnosti, priorit a zdrojů, které jsou třeba k naplnění cíle. Výsledkem procesu plánování je plán. V rámci IZS a krizového řízení jsou jimi např. krizové plány, havarijní plány, povodňové plány nebo poplachové plány. Organizování představuje proces přidělování jednotlivých úkolů prvkům organizace, vymezení jejich podílu na splnění úkolu, včetně časového plánu a distribuce zdrojů k zajištění realizace. Jedná se především o úkolování organizačních prvků, tedy základních prvků IZS, ale i dalších prvků, včetně právnických a fyzických osob. Vedení lidí je proces usměrňování aktivit pracovníků organizace včetně jejich motivace. Cílem kontroly je zjišťování reálného stavu v oblasti naplňování cílů, zejména stavu plánů, připravenosti jednotek, ale zejména realizace záchranných a likvidačních prací. Základem je systematický sběr informací. V procesu řízení plní informace několik rolí. V rámci plánování specifikují vizi toho, čeho se má dosáhnout. Při organizování je informacemi např. popisována úloha prvku při realizaci záchranných a likvidačních prací. Ve fázi vedení lidí jsou pomocí informací jednotliví pracovníci usměrňováni a motivováni. V rámci kontroly je pomocí informací vyjádřen reálný stav plněného úkolu. Lze říci, že informace sehrávají v procesu řízení nezastupitelnou roli. Specifika velení a řízení v IZS a krizovém řízení V bezpečnostních organizacích České republiky, jako je Hasičský záchranný sbor, Policie ČR nebo Armáda České republiky, má řízení svá specifika, která plynou z jejich poslání. Zpravidla se hovoří o velení a řízení. Velení je chápáno jako pravomoc stanovená příslušníku daného sboru pro vydávání nařízení, součinnost a kontrolu podřízených sil. Zdůrazňuje se především právní aspekt delegování pravomoci k udělování rozkazů a vyžadování jejich plnění. Tato pravomoc je vymezena příslušným zákonem, či jiným normativním aktem bezpečnostního sboru (složky). Bezpečnostní složky jsou zpravidla organizovány jako centralizované, s přísně hierarchickou liniově štábní strukturou s jasně vymezenými vztahy nadřízenosti a podřízenosti. Vzhledem k nebezpečnosti plněných úkolů a jejich dynamice má proces velení a řízení vůči manažerské funkci vedení svá specifika. Je realizován s maximální stručností, přesným postupem podle metodiky, s dodržováním časových lhůt. V rámci IZS státu je problematika velení a řízení vymezena zákonem č. 239/2000 Sb. o integrovaném záchranném systému a návaznými vyhláškami. Informace a procesy podporují součinnost a stmelování složek IZS a krizového řízení, umožňují jim stanovit cíle, nalézt optimální řešení a zajistit jejich naplnění. V delším časovém

70

horizontu umožňují vyhodnotit způsob splnění cíle, zanalyzovat výsledek, nabýt nové zkušenosti a poznatky jak problémy daného typu v budoucnu řešit. Celkově potom umožňují zlepšit funkční i organizační strukturu a připravit se tak na splnění dalších úkolů. Pro zabezpečení velení a řízení jsou nezbytné informace a to jak k tvorbě rozhodnutí subjektu řízení (velitele), tak k bezprostřednímu (přímému) řízení podřízených (objektů řízení) velitelem. Velitel nebo řídící pracovník vytváří rozhodnutí, obsahující časově sladěný záměr činností, vedoucích ke splnění úkolu, s využitím znalostí (zobecnělého poznání reality) a konkrétních informací, popisujících danou situaci. Informacemi jsou pro řídící pracovníky ta data (soubory údajů), která jsou použitelná k tvorbě rozhodnutí i samotnému řízení. Transformace dat na informace je dána jejich využitím v procesu řízení, kdy uživatel přiřazuje datům určitý význam. Ne všechna data jsou užitečná k tvorbě rozhodnutí či při vlastním řízení a tedy ne všechna data jsou v konkrétní situaci pro subjekt řízení informací. Komunikační a informační podpora velení a řízení Chceme-li zkoumat roli informací ve vztahu k řízení, měli bychom vymezit rozhraní mezi informačním systémem a jeho uživatelem (řídícím pracovníkem) a definovat, co je procesním výsledkem činnosti informačního systému. K zajištění procesu velení a řízení jsou pro řídícího pracovníka a jeho podřízené nezbytné funkce pořizování, sběru, správy, zpracování, ochrany a přenosu informací. Tyto procesní funkce jsou zajištěny prostřednictvím komunikační a informační podpory velení a řízení. Podporou je chápáno zajištění služeb vyžadovaných k realizaci určité činnosti. KIP je proces (soubor informačních činností) informačně podporující velení a řízení. Velení a řízení je podporováno informačními procesy: pořizování, správy, zpracování, přenosu, ochrany a prezentace informací. Optimálnosti KIP se dosahuje správnou identifikací informačních zdrojů, organizací informačních toků v čase a využitím informací pro potřeby velení a řízení. Informační tok může iniciovat jak zdroj informace, tak její příjemce. V prvním případě jde o „tlačení“ informace jejím zdrojem k příjemci a příkladem může být telefonní hovor, nebo sdělení vysílané digitálním radiokomunikačním systémem Pegas. V druhém případě jde naopak „tažení“ informace příjemcem ze zdroje, např. vyhledávání informace v databázi Informačního systému krizového řízení, či informačního systému Výjezd. KIP zahrnuje dvě složky, komunikační a informační. Komunikační podpora zdůrazňuje funkci přenosu a porozumění přenášeným informacím. Informační podpora zvýrazňuje zpracování, správu, vyhledávání a prezentaci informací. Komunikační složka podpory akcentuje hodnověrnost, přesnost, dosažitelnost a včasnost přenášených informací. Informační složka naopak práci s daty tak, aby příjemce měl k rozhodování a řízení dostatek podstatných informací. Dohromady tvoří obě složky podpory jeden logický celek poskytující potřebné informace. KIP je v systému velení a řízení zajišťována prostřednictvím komunikačních a informačních systémů (KIS). Místo KIP v procesu velení a řízení IZS a systému krizového řízení je zobrazeno na obr. 1.

71

Obr. 1: Vztah mezi KIP, KIS a řešením krizové situace

Vlastnosti informace Nezbytným předpokladem efektivního využití informace v procesu velení a řízení je její optimální kvantita a kvalita, rozsah a hloubka. Jednotlivé obory lidské činnosti se liší svými požadavky na specifické vlastnosti informací. Oblast IZS a krizového řízení, ve vztahu ke komerčnímu řízení, svoje požadavky na informace dílčím způsobem modifikuje. Zdůrazňuje se např. požadavek společného sdílení informací prvky krizového řízení a IZS, založený na situačním zobrazení. Dostane-li řídící pracovník informaci pozdě, nebo je-li nepřesná, těžko lze od něj očekávat kvalitní rozhodnutí. Rovněž je důležité, aby příjemce informace byl schopen ji efektivně využít. Kvalitu informace lze specifikovat řadou ukazatelů či vlastností. Mezi nejdůležitější vlastnosti, kterými by měla informace disponovat1, patří následující: 1. Relevance. Charakter informace by měl odpovídat charakteru jejího užití. Například informace o stavu zásob hasiva může těžko sloužit při rozhodování o způsobu evakuace obyvatelstva. 2. Správnost. Informace by měla být pravdivá a spolehlivá. Měla by mít přijatelnou přesnost. Informace o povolaných silách a prostředcích by měla být přesná na rozdíl od okamžité výše škody v průběhu požáru. Proto je řada informací prezentována průměrnými hodnotami nebo dokonce přibližnými odhady. 1

Lukáš, L.; Hrůza, P.; Kný, M. Informační management v bezpečnostních složkách. 1. vyd. Praha: AVIS, 2008, 216 s. ISBN 978-80-7278-460-8, 16 – 17 str.

72

3. Včasnost. Informace je třeba poskytovat v pravý čas, tj. v době jejich potřeby a užití. Důležitá rozhodnutí nelze dělat bez potřebných informací, nejsou-li k dispozici. Nemá však ani smysl naléhat na přehnaně rychlé poskytování informací, které nelze bezprostředně využít. Úsilí, či cena zaplacená za nadbytečnou rychlost je zbytečná. Nehledě na to, že předčasné informace bývají mnohdy příjemcem zapomenuty a dochází tak k jejich ztrátě. 4. Aktuálnost. Informace by měly co nejlépe odrážet aktuální skutečnost. Obtížně může operační důstojník krajského operačního a informačního střediska zahájit realizaci záchranných a likvidačních prací, nemá-li dostatek reálných informací o vzniklé mimořádné události. 5. Úplnost. Je třeba, aby byly k dispozici veškeré požadované informace, a ne pouze některé z nich. Nedostatečná znalost v důsledku nekompletních informací je pro rozhodování velmi nebezpečná. 6. Přiměřenost. Informace by měly být přiměřeně podrobné. Míra podrobnosti a rozlišovací úrovně informací by měla odpovídat hladině v hierarchické struktuře řízení. Přílišná podrobnost ztěžuje přehled a mnohdy znesnadňuje získání skutečně potřebných informací. 7. Nákladová přiměřenost. Vyžaduje-li získání potřebné informace nepřiměřeně dlouhou dobu nebo nadměrné úsilí vzhledem k užitku, který poskytuje, nelze ji považovat za nákladově přiměřenou. Nemá například smysl vyžadovat rozsáhlé analýzy účinnosti palby municí určitého typu, víme-li že dojde k přezbrojení na jiný typ. Pro dopravní policii je rovněž zbytečné vyhodnocovat nehodovost po jednotlivých typech a značkách osobních vozidel, pokud by k tomu nebyl důvod preventivní. Základní informační potřeby funkcionářů IZS a krizového řízení Zabýváme-li se v procesu velení a řízení hodnocením informačních potřeb, je nezbytné stanovit vlastnosti a obsah požadovaných informací. Bez toho nelze zajistit „správné informace ve správný čas na správné místo“. Řídící pracovníci jsou informačně přetěžováni, či naopak mají nedostatek informací a vlastní velení a řízení nedisponuje požadovanou efektivností. Včasnost, komplexnost a efektivnost realizace záchranných a likvidačních prací limitují následující informace (uživatelům, řídícím funkcionářům, by měly být poskytnuty co nejrychleji): 1. Kontakty – osoby, adresy, telefonní nebo jiná spojení. 2. Způsob realizace komunikační a informační podpory (spojení). 3. Přehledy sil a prostředků a možnosti jednotlivých prvků: • přehled dostupných zdrojů (sil, prostředků, zařízení) k řešení krizových situací, • přehledy dodavatelů nezbytných dodávek, • výzbroj a vybavení složek IZS a orgánů krizového řízení, • seznam odborníků a specialistů, potřebných k realizaci záchranných a likvidačních prací, • možnost zpracování těchto údajů podle územní a resortní příslušnosti – možnost, sledovat nasazení zdrojů k řešení krizové situace. 4. Jednotlivé vrstvy v geografickém informačním systému v závislosti na situaci. 5. Plány a postupy – typové plány a operační postupy pro řešení různých druhů záchranných a likvidačních prací, krizových situací, vzory dokumentů pro přijetí různých opatření atd. 6. Informace o dopadech a následcích mimořádné události.

73

7. Detailní přehled o situaci – informace o opatřeních přijatých k řešení krizové situace na všech úrovních řízení a možnost sledování stavu jejich plnění. 8. Informace o rizicích možných krizových situací (druh, místo, jejich příčiny a možné dopady včetně zobrazení problematiky v mapě). 9. Vyrozumění o vzniku mimořádné události, krizové situace a jejím aktuálním vývoji – zaznamenání místa vzniku, předpokládané oblasti zasažení a skutečně zasažené oblasti. 10. Informace o škodách a ztrátách vzniklých při krizové situaci: zasažená oblast, odpovědný orgán, rozsah ztrát na lidech, škody na infrastruktuře – zejména rozsah škod na nemovitém majetku energetických liniových staveb a jejich technologickém zařízení a rozsah škod na majetku podnikatelských subjektu. 11. Usnesení vlády, usnesení Bezpečnostní rady státu, rozhodnutí Ústředního krizového štábu, usnesení bezpečnostní rady kraje, rozhodnutí hejtmana apod. Příklad informačních systémů zajišťujících informační podporu v podmínkách IZS V podmínkách IZS a systému krizového řízení se využívá k zajištění komunikační a informační podpory řada komunikačních a informačních systémů. Tyto systémy mohou být založeny na využití služeb komerčních operátorů, zpravidla jsou však budovány jako systém té které složky státní správy, tedy Ministerstva vnitra, Ministerstva zdravotnictví či obrany. Výhodou druhého způsobu zajištění informační podpory je vytvoření, provozování a správa informačního systému přesně podle vymezených potřeb uživatelů. Nevýhodou pak jsou vyšší náklady na výstavbu a zejména provoz systému, dané nezbytností vyčlenění lidských zdrojů dané organizace k jejich provozu. Příkladem informačních systémů, zajišťujících informační podporu v rámci IZS a krizového řízení je informační systém „Výjezd“, nebo Informační systém krizového řízení. V dalším jsou charakterizovány jejich vlastnosti a specifika. Informační systém VÝJEZD U Hasičského záchranného sboru je zaveden řídící informační systém VÝJEZD, který v celém systému Hasičském záchranném sboru (HZS) zabezpečuje činnost jednotek a skupin při zásazích. Je plně využitelný pro potřeby HZS, ovšem nezahrnuje prvky krizového řízení nad rámec záchranného zásahu. Informační systém slouží pro kompletní vedení agendy ohledně událostí, při kterých zasahují jednotky požární ochrany. Umožňuje zápis prvotní informace od člověka, který volá na tísňovou linku, předání informací o místě a typu události jednotce požární ochrany, vyhlášení poplachu, vedení informace o průběhu řešení události složkami IZS, vyhledávání podpůrných informací potřebných k zásahu jako jsou telefonní čísla na základní a ostatní složky IZS, výběr vhodných jednotek s potřebnou technikou apod. Po ukončení události slouží systém k doplnění poznatků o události pro velitele zásahu, v případě požáru k zápisu dodatečných informací. Dále slouží k vytvoření celkových přehledů o událostech a činnostech všech jednotek požární ochrany, včetně závodních útvarů a jednotek dobrovolných hasičů. Jeho základní funkce naznačují názvy jednotlivých modulů, jimiž jsou Komunikační moduly, Systémový monitor, Distribuce událostí a audiozáznamů, Technologické moduly, Správce příchozích hovorů, Vzdálené řízení technologie a další. Systém je nasazen na krajských operačních a informačních střediscích a slouží zejména pro operativní řízení HZS.

74

Informační systém krizového řízení Základním cílem projektu Informačního systému krizového řízení (ISKŘ) je vybudování informačního systému, který zabezpečí podporu jak procesů krizového plánování, tak i procesů řešení krizových situací. Globální architektura ISKŘ ČR má akceptovat dělení systému na relativně samostatné, vzájemně komunikující podsystémy "Centrum" a "Kraj" s příslušným sdílením informací jak na národní (obec, kraj, ústřední orgán státní správy), tak i mezinárodní úrovni (EU, NATO atd.). Systém má mít cílově hierarchickou strukturu, zahrnující úroveň IS krizového řízení Centra – kraje – obce s rozšířenou působností – místa zásahu. Úkoly vývojových úseků jsou modelovány v modulech. Mezi prvně řešitelné patří modulové představy z oblasti prevence, přípravy, tzn. plánování a metodika (věcné řízení): • příprava krizových plánů, • implementace – řízení plánovaných činností, • modelování a simulace, • analýza rizik a zranitelnosti, • správa dokumentace. Modul metodických postupů V tomto modulu budou v plné formě realizovány funkcionality Příprava krizových plánů a Správa formalizované dokumentace, v redukované formě budou realizovány funkcionality Řízení činnosti podle plánů a Modelování a simulace. Modul geografického informačního systému V tomto modulu bude v plné formě realizována funkcionalita Databáze klíčových subjektů, v redukované formě budou realizovány funkcionality Vizualizace mimořádných událostí, Analýza relevantních dat a funkcionalita Navigační úlohy. Modul podpůrných aplikací V tomto modulu bude v redukované formě realizována funkcionalita Systémy pro varování a vyrozumění. Funkcionalita přijaté (minimální navrhované) varianty vychází z realizace vybraných klíčových funkcí, tzv. jádra systému. Jádro bude založeno na informačních systémech, které jsou v oblasti krizového a havarijního řízení již připravovány. Zároveň obsahuje jejich nezbytnou integraci. Na toto jádro bude možné v případných dalších etapách (a disponibilních finančních zdrojích) navazovat další aplikační moduly nebo informační systémy schopné dodávat relevantní data a spolupracovat na úrovni aplikací. Jádro bude tvořeno na principu třívrstvé architektury s prezentační, aplikační a datovou vrstvou. Jako prezentační vrstva bude použit tenký klient (tj. webovský prohlížeč) s vazbou na aplikační a datovou vrstvu. Jako datovou a prezentační vrstvu konsolidovaného jádra ISKŘ lze s výhodou využít propojení systému pro sběr dat, systému pro uchování a prezentaci dat a geografického informačního systému. Minimální řešení ISKŘ bude provozováno jako jediný serverový komplex, sdílený s dalšími informačními systémy. Datové úložiště bude provozováno jako centrální, společné pro všechny uživatele systému. Koncové stanice uživatelů nejsou uvažovány jako součást

75

technologické platformy, protože celé řešení je založeno na konceptu tenkého klienta a ten může být provozován na běžném osobním počítači připojeném k internetu (intranetu). Samozřejmostí jsou i následující klíčové schopnosti: • systém respektuje mezinárodní a národní standardy, • systém respektuje požadavky efektivnosti a hospodárnosti, tj. počítá se s využitím vhodných částí stávajících systémů, aplikačního programového vybavení, databází apod., • systém funguje na platformě různorodých komunikačních prostředí s využitím stávajících komunikačních systémů nebo jejich částí, • systém respektuje požadovanou informační bezpečnost podle standardů, • systém je vnitřně i navenek interoperabilní s vybranými informačními systémy. Závěr Informace sehrávají při řešení záchranných a likvidačních prací, realizovaných prvky IZS a systému krizového řízení, stále větší roli. K zajištění informační podpory velení a řízení v rámci IZS a systému krizového řízení jsou zaváděny nové informační systémy, zpravidla počítačově orientované. Úroveň informační podpory jimi poskytované, do značné míry závisí na přesnosti a úplnosti specifikace uživatelských požadavků (informačních potřeb), na rozsahu a obsahu informační podpory velení a řízení. Cílem článku bylo teoretické vymezení komunikační a informační podpory velení a řízení v podmínkách IZS a krizového řízení a specifik jejího zabezpečení. Seznam literatury Knižní dílo [1] [2]

Lukáš, L.; Hrůza, P.; Kný, M. Informační management v bezpečnostních složkách. 1. vyd. Praha: AVIS, 2008, 216 s. ISBN 978-80-7278-460-8 Horák, R. Průvodce krizovým řízením pro veřejnou správu. 1. vyd. Praha: Linde, 2004, ISBN 80-7201-471-4 Článek v časopise

[1] [2]

Štolba, L. Bezpečnostní koncept informačního systému pro podporu IZS a krizového řízení. 112, 2006, č. 5. s. 24 – 25 Rozsypal, L. Aspekty operačních schopností C3 v systému krizového řízení. In Sborník mezinárodního kongresu INTEROP-SOFT. [CD-ROM]. Brno: Fakulta ekonomiky a managementu Univerzity obrany, 2007, 6 s. ISBN 978-80-86633-91-6 Resume

Paper analyses influence of information support on crisis management. The information needs and its content will be specified as fundamental for information support specification. The functions of information acquisition, collection, maintenance, processing, security and transmission are vital for the manager and his subordinates to provide for the command and control process. These process functions are accomplished by communication and information support (CISu). Support hereof should be understood as providing service required for carrying out certain action. CISu is a process (information

76

action) supporting command and control with information. CISu is determined with proper identification of information sources, management of information flows in time (information pushing or pulling) and with utilisation of information in favour of command and control. The communication and information systems are very complex and costly systems. Their utilisation in the command and control systems depends on users’ requirements and capacity. Features of crisis management information system are specified too. Solution of crisis situation is connected with providing rescue and clean-up operations, implementation of measures for population protection in disaster, emergency survival, measures to ensure functional public administration etc. Crisis Management Information System creates fundamental element for providing of command and control information support of crisis solution. Interoperability of communication and information systems of crisis management and integrated rescue system is fundamental for command and control or information sharing.

77

78

Václav NEVRLÝ1, Petr BITALA2, Michal STŘIŽÍK3, Zdeněk ZELINGER4, Pavel DANIHELKA5, Ondřej ZAVILA6, Tomáš KOLLÁRIK7 LABORATORNÍ STUDIE PLAMENE JAKO NÁSTROJ PRO LEPŠÍ POROZUMĚNÍ PRŮMYSLOVÝM POŽÁRŮM A JEJICH ATMOSFÉRICKÝM EMISÍM LABORATORY FLAME STUDIES AS A TOOL FOR BETTER UNDERSTANDING TO INDUSTRIAL FIRES AND THEIR ATMOSPHERIC EMISSIONS Abstrakt Neřízené hoření nebezpečných chemických látek, ke kterému dochází v případě průmyslových požárů, vede vedle vývinu toxických plynných zplodin hoření také ke generaci velkého množství sazových částic formovaných v důsledku neúplné oxidace meziproduktů hoření. Laboratorní studie plamene je možné využít jako jeden z postupných kroků při vyšetřování fyzikálních i chemických jevů probíhajících v simulovaném prostředí laboratorního plamene i při skutečných požárech. Prostorově rozlišená měření koncentrace reaktantů, produktů a meziproduktů hoření představují jednu z důležitých cest k pochopení mechanismů uplatňujících se v plameni. Tento příspěvek shrnuje metody a techniky používané při laboratorních studiích plamene. Závěrem je navržena strategie pro studium a modelování fenoménu vzniku a atmosférického rozptylu škodlivin při průmyslových požárech s využitím těchto přístupů. Klíčová slova: požár, emise, atmosféra, plamen, diagnostika, hořák, model Abstract Uncontrolled combustion of dangerous substances, as it is in the case of industrial fires, leads due to incomplete combustion to the huge emission of soot particles, burnt gases and combustion by-products. Laboratory flame studies are useful partial steps when investigating physical and chemical phenomena involved in simulated environment of laboratory flame as well as in cases of real fires. Spatially resolved measurement of reactive intermediates in the flame represents one of important ways of understanding combustion chemistry. This article summarizes methods and experimental techniques used 1

2

3

4

5

6

7

Ing., VŠB – Technická univerzita Ostrava, Fakulta bezpečnostního inženýrství, Laboratoř výzkumu a managementu rizik, Lumírova 13, 700 30 Ostrava – Výškovice, e-mail:[email protected]; Ústav termomechaniky AV ČR, v. v. i., Dolejšova 5, 182 23 Praha 8, Ing., VŠB – Technická univerzita Ostrava, Fakulta bezpečnostního inženýrství, Katedra požární ochrany a ochrany obyvatelstva, Lumírova 13, 700 30 Ostrava – Výškovice, e-mail: [email protected] RNDr., Ing., Ph.D., VŠB – Technická univerzita Ostrava, Fakulta bezpečnostního inženýrství, Laboratoř výzkumu a managementu rizik, Lumírova 13, 700 30 Ostrava – Výškovice, e-mail: [email protected]; Ústav termomechaniky AV ČR, v. v. i., Dolejšova 5, 182 23 Praha 8 Ing., CSc., Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, v. v. i., Dolejšova 3, 182 23 Praha 8,e-mail: [email protected] prof., RNDr., CSc., VŠB – Technická univerzita Ostrava, Fakulta bezpečnostního inženýrství, Laboratoř výzkumu a managementu rizik, Lumírova 13, 700 30 Ostrava – Výškovice, e-mail: [email protected] Ing., Ph.D., Ing., VŠB – Technická univerzita Ostrava, Fakulta bezpečnostního inženýrství, Katedra požární ochrany a ochrany obyvatelstva, Lumírova 13, 700 30 Ostrava – Výškovice, e-mail: [email protected] VŠB – Technická univerzita Ostrava, Fakulta bezpečnostního inženýrství, Lumírova 13, 700 30 Ostrava – Výškovice, e-mail: [email protected]; Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, v. v. i., Dolejšova 3, 182 23 Praha 8

79

when dealing with laboratory flames diagnostics. Finally these approaches are incorporated into a proposed strategy for studying and modelling the phenomenon of atmospheric emission from industrial fires. Keywords: fire, emission, atmosphere, flame, diagnostics, burner, model Úvod Z hlediska požární ochrany a bezpečnosti průmyslu je plamen studován jako zdrojový člen tepla a kouře, který může obsahovat vedle obecně přijímaných produktů hoření také řadu různorodých toxických látek a reaktivních atmosférických polutantů. Průmyslové požáry velkého rozsahu proto představují významný problém nejen na poli požární ochrany, prevence závažných havárií, havarijního plánování a ochrany obyvatelstva. Průběh a následky havárií, ke kterým došlo v nedávné minulosti, upozornily v dané spojitosti také na vážná ohrožení kvality ovzduší, resp. životního prostředí, a to často nejen v lokálním měřítku. V brzkých ranních hodinách dne 11. prosince 2005 došlo v areálu skladu pohonných hmot společnosti Buncefield Oil v Hemel Hempstead v anglickém hrabství Hertfordshire k sérii několika explozí, které znatelně poškodily obchodní centra i civilní objekty nacházející se v blízkosti areálu. Na doporučení složek záchranného systému byla vyklizena značná část okolí a po následujících několik dní zachvátil areál skladovacích nádrží požár produkující hustá mračna černého kouře [1,2]. V průběhu havárie byl pomocí UV-spektroskopické dálkově citlivé techniky potvrzen nárůst koncentrací SO2, NO2, HONO, HCHO a CS2 v atmosféře [2]. V Evropě byla zaznamenána rovněž řada závažných havárií spojených s působením toxických zplodin hoření. Přibližně 700 lidí bylo v dubnu roku 1999 evakuováno z důvodu toxického kouře vznikajícího při průmyslovém požáru ve městě Bellmullet (Irsko). V červnu téhož roku (1999) bylo 90 lidí intoxikováno mrakem škodlivin uvolněným explozí v agrochemickém podniku v německém městě Wuppertal. V lednu roku 2002 vedl požár v závodě na výrobu hnojiv v Murcii (Španělsko) a následný toxický mrak k vydání doporučení setrvat uvnitř budov, kterým bylo dotčeno asi 170 000 lidí [3]. Pro účely odhadu nebezpečných účinků požáru, případně pro validaci nástrojů modelování havárií jsou tradičně využívány zejména výsledky velkorozměrových zkoušek. Tento přístup je veden snahou definovat experimentální uspořádání tak, aby co nejvěrněji odpovídalo skutečným podmínkám uvažovaného havarijního scénáře. Následující text je věnován především problematice laboratorních studií plamene v kontextu výzkumu průmyslových požárů, tedy specifického typu závažných havárií, při kterých se uplatňuje hoření (plamen) jako dominantní zdrojový prvek nežádoucích havarijních účinků. Jsou uvažovány zejména účinky tepelné radiace a toxické účinky související s vývojem a šířením zplodin hoření při požárech nebezpečných chemických látek a přípravků. Experimentální přístupy k výzkumu fenoménu průmyslových požárů Velkorozměrové zkoušky představují při výzkumu průmyslových požárů zdroj velice cenných dat. Nicméně, takto definované experimentální úlohy je zároveň možné charakterizovat jako komplexní systém s vysokým počtem časově i prostorově závislých a současně vzájemně korelujících parametrů. Stanovení závěrů velkorozměrových experimentů, případně jejich zobecnění proto vždy vyžaduje podrobnou a korektní analýzu ovlivňujících faktorů a okrajových podmínek zajištěných při experimentu. Jako nevýhodu

80

tohoto přístupu je potřeba uvážit značnou náročnost realizace velkorozměrových experimentů po stránce organizační i technické. Velkorozměrové zkoušky jsou také spojeny se zvýšenými požadavky na mobilitu a odolnost přístrojového vybavení, přičemž možnosti využití některých experimentálních metod jsou omezeny časovým a prostorovým rozlišením, případně také citlivostí zvolené techniky. Přístup zaměřený na výzkum fyzikálních a chemických jevů v laboratorním měřítku je využíván v celé řadě vědních disciplín a v posledních letech také při výzkumu procesů hoření a hašení na předních světových pracovištích v oboru požárně-bezpečnostního inženýrství. Tento přístup zahrnuje zkoumání dílčích vlastností komplexních chemických mechanismů a fyzikálně-chemických dějů za přesně definovaných (laboratorních) podmínek. Na rozdíl od velkorozměrových zkoušek je za laboratorních podmínek možné diagnostikovat odezvu systému na provedené změny okrajových podmínek. Je však potřeba podotknout, že extrapolace poznatků zjištěných v laboratorním měřítku je i přes dnešní pokročilé možnosti experimentálních metod a výpočetní techniky velice komplikovaným problémem. Typy plamene využívané při laboratorních studiích Plamen lze zjednodušeně charakterizovat jako strukturu reagujících a reaktivních plynů a rozptýlených pevných, případně také kapalných částic. Tento chemicky reaktivní systém má exotermický charakter, vyzařuje tedy elektromagnetické záření o intenzitě a spektru vlnových délek závislých na teplotě a chemických speciích∗ přítomných v daném místě a čase. Z hlediska způsobu vytváření hořlavého souboru (formy mísení paliva a oxidačního činidla) lze dle zavedené terminologie [4-6] rozlišovat: - plameny předmísené (kinetické )∗∗; - plameny nepředmísené (difúzní), dle převládajícího režimu proudění, které se při hoření uplatňuje pak rozdělujeme: - plameny turbulentní; - plameny laminární.

∗

∗∗

Pojem specie je užíván pro označení reaktantů, meziproduktů a produktů hoření. Tímto pojmem je tedy možné označit chemické látky (stabilní molekuly, radikály i například ionty) v plynném, kapalném i pevném skupenství, tedy i sazové částice. Termín „kinetický plamen“ je u nás spíše historicky zaveden. V zahraniční literatuře prakticky není užíván.

81

PALIVO

VZDUCH PALIVO + VZDUCH

VZDUCH

PALIVO

Obrázek 1: Ilustrativní znázornění významu difúzního (nahoře vlevo) a předmíseného (nahoře vpravo) plamene v laboratorním měřítku při reprezentaci plamene při skutečném požáru (dole).

Chemie hoření představuje řadu následných anebo kompetitivních chemických reakcí tvořících komplexní systém. Například mechanismus tvorby sazových částic ve své komplexnosti doposud zůstává otevřenou otázkou, třebaže značná část produktů, reaktivních intermediátů i prekurzorů sazových částic (uhlovodíkové kationty, volné radikály C2H, C2, C3, polyaromatické uhlovodíky, acetylén, fenylradikál, a další) již byla studována [7]. Podobně je tomu i v oblasti účinného odhadu emise a vlivu stopových množství plynných látek uvolňovaných do ovzduší během průmyslových požárů, kdy se ukazuje nedostatek vhodných predikčních metod. Studium elementárních fyzikálně-chemických procesů souvisejících s hořením, stejně tak jako studium izolovaných chemických reakcí spalování, může být přínosné právě pro sofistikované vyšetřování pole emisí a imisí uvolňovaných do atmosféry v důsledku mimořádných událostí podobných té, ke které došlo v Hemel Hempstead. Při zkoumání procesů hoření v laboratorním měřítku lze podle daného účelu a zaměření využít rozdílné strategie a experimentální postupy. Zatímco turbulentní nepředmísený plamen postihuje zřejmě nejlépe globální charakteristiky reálného požáru (včetně interakcí dílčích jevů a turbulence v plameni), laminární předmísený plamen je vhodný pro simulaci specifických podmínek hoření pro účely detailních studií chemických mechanismů hoření a detekce minoritních specií. Laminární difúzní plamen je často využíván pro validaci numerických modelů (sub-modelů) a testování navržených výpočetních schémat. Jeho strukturu je možné interpretovat jako lokální (laminar flamelet) popis turbulentního nepředmíseného plamene (viz Obrázek 1). Standardní hořáky pro laminární plamen Pro studium laminárního (předmíseného a difúzního) plamene v laboratorním měřítku bylo v minulosti standardizováno několik typů hořáků, které umožňují požadované nastavení

82

a optimalizaci parametrů plamene (přívod paliva a vzduchu, případně jiného oxidačního činidla, ředění směsi, přídavek inhibitoru nebo aditiv, atd.). Lze tak konkrétně definovat podmínky experimentu, a tudíž i zvýšit míru interpretovatelnosti naměřených dat. Níže uvedené typy laboratorních hořáků byly využity přímo v souvislosti s validací nástrojů modelování, stanovením parametrů plamene nebo účinnosti hasebních látek, případně byly použity ve fázi vývoje a kalibrace experimentálních technik a při diagnostických měřeních v plameni. Podrobnosti k typologii a konstrukčnímu řešení těchto hořáků jsou specifikovány v uvedených publikacích: (i) Bunsenův hořák [4]; (ii) McKennův (flat flame) hořák [4]; (iii) kalibrační hořák publikovaný Hartungem et al. v [8]; (iv) Henckenův hořák [8-10]; (v) Wolfhard-Parkerův hořák [11-13]; (vi) protiproudý hořák [14-16]; (vii) Santorův hořák [17-20]; (viii) Gülderův hořák [21-23]; (ix) McKennův hybridní hořák [24]; (x) pohárkový hořák [25-27]. Techniky diagnostiky plamene Při studiích motivovaných výzkumem požáru v kontextu požární ochrany a průmyslové bezpečnosti jsou obvykle sledovány veličiny popisující plamen z makroskopického hlediska. Jedná se tedy nejčastěji o globální popis plamene bez prostorového a časového rozlišení. Při vyšetřování lokálních hodnot a profilů studovaných veličin, tedy nejčastěji teploty, rychlosti proudění a koncentrace specií v plameni, jsou při laboratorních studiích využívány diagnostické metody založené na principu: - odběru vzorku - invazivní (intrusivní); - optických technik - neinvazivní (neintrusivní). Prostorově rozlišená měření koncentrace reaktantů, produktů a meziproduktů hoření představují jednu z důležitých cest k pochopení mechanismů uplatňujících se v plameni. V minulosti byla za tímto účelem v laboratorním měřítku aplikována řada spektroskopických technik podrobně popsaných v publikacích [28,29]. Velice citlivou metodu často používanou na tomto poli představuje laserem indukovaná fluorescence (LIF). Klasická absorpční, případně emisní spektroskopie poskytuje nejjednodušší způsob měření absolutních koncentrací meziproduktů hoření. Při monitorování minoritních specií v prostředí plamene je přitom potřeba mít k dispozici dostatečně citlivou techniku. Proto se z metod absorpční spektroskopie při studiu procesů hoření vedle metod „Fourier Transform Infrared“ (FTIR) a „laditelné laser-diodové spektroskopie“ (TDLAS) velice dobře uplatnily také „Cavity ringdown Spectroscopy“ (CRDS) a „Intracavity Laser Absorption Spectroscopy“ (ICLAS). Při studiu procesů hoření jsou využívány také metody nelineární spektroskopie – „Coherent Anti-Stokes Raman Scattering“ (CARS), „Degenerate Four Wave Mixing“ (DFWM) nebo „polarizační spektroskopie“ (PS), a také „multifotonové techniky“ (např. REMPI). Soubory experimentálních dat získané s využitím těchto metod slouží jako účinná znalostní báze pro srovnání s nástroji modelování, a tedy pro ověření výpočtem stanovené predikce.

83

Modelování vzniku a šíření atmosférických škodlivin při průmyslových požárech Fenomén vzniku a šíření nebezpečných zplodin hoření zahrnuje řadu dílčích aspektů, jejichž studium vyžaduje při současném stavu poznání v dané oblasti přijetí řady zjednodušení a předpokladů nutných zejména v případě definování zdrojového prvku škodlivin [30]. Laboratorní studie předmíseného a difúzního plamene se mohou v této souvislosti uplatnit zejména pro předběžnou validaci odhadované látkové bilance. Prostorově rozlišená měření v plameni mohou ve srovnání s výsledky matematického modelování pomocí nástrojů „výpočetní dynamiky tekutin“ (CFD - „Computational Fluid Dynamics“) sloužit jako zdroj velice cenných informací pro nastavení modelu spalování studované nebezpečné látky (viz Obrázek 2). Pro účely následného modelování atmosférického rozptylu těchto škodlivin je možné využít výpočetní nástroje založené na tradičním „Gaussově“ modelu rozptylu jako například model DISFUM [31] vyvinutý francouzským institutem INERIS (Institut National de l'EnviRonnement industriel et des rISques). Matematické modelování šíření atmosférických škodlivin založené na numerickém řešení soustavy Navier-Stokesových rovnic (CFD modelování) postihuje vlivy přítomných turbulentních struktur na specifický charakter proudění a šíření škodlivin v mezní vrstvě atmosféry. Tyto modely tedy mohou při řešení úlohy šíření kouřové vlečky zplodin požáru poskytnout (při daném časovém a prostorovém rozlišení) vyšší míru přesnosti a větší množství detailu. V kontextu této úlohy je vhodné uvažovat zejména model ALOFT-FT [32] přímo určený pro predikci šíření kouřové vlečky v případě využití metody spalování in-situ při likvidaci ropných havárií [33]. Alternativně je šíření zplodin požáru možné simulovat v prostředí nástroje modelování požáru FDS [34]. Oba zmíněné nástroje byly vyvinuty na pracovišti BFRL NIST (Building and Fire Research Laboratory, National Institute of Standards and Technology). Jejich hlavní výhodou je volná dostupnost a také informační podpora vzhledem k rozsáhlému využití v komunitě požárně-bezpečnostního inženýrství i v rámci řešení výzkumných (akademických) úloh v této oblasti. MODEL ATMOSFÉRICKÉHO ROZPTYLU ŠKODLIVIN: CHARAKTERIZACE ZDROJOVÉHO PRVKU: CHEMICKÁ STRUKTURA NEBEZPEČNÉ LÁTKY (PALIVA)

VYTIPOVÁNÍ PRODUKTŮ A/NEBO INTERMEDIÁTŮ HOŘENÍ

ODHAD LÁTKOVÉ BILANCE

GAUSSŮV (BODOVÝ ZDROJ) DISFUM (INERIS)

CFD (ŘEŠENÍ NAVIERSTOKESOVÝCH ROVNIC)

LABORATORNÍ EXPERIMENTY (MODELOVÁ PALIVA): PŘEDMÍSENÝ PLAMEN (TESTOVÁNÍ SCHÉMAT DETEKCE)

ALOFT-FT (NIST)

DIFÚZNÍ PLAMEN (PROSTOROVĚ ROZLIŠENÁ MĚŘENÍ) FDS (NIST)

Obrázek 2: Schématické znázornění strategie při studiu a modelování fenoménu vzniku a šíření atmosférických škodlivin při průmyslových požárech.

84

Závěr V případě skutečných požárů se zejména vlivem turbulentních struktur v plameni uplatňují jevy s vysoce nelineárním charakterem. Efektivní strategie testování a validace nástrojů modelování požáru by proto měla zahrnovat experimentální studie turbulentního plamene ve středním (zmenšeném) měřítku, a pokud je to možné také v reálných podmínkách. Vzhledem ke značné náročnosti a obtížím očekávatelným při samotném provádění velkorozměrových zkoušek i následné interpretaci experimentálních dat je možné laboratorní studie plamene využít jako jeden z postupných kroků při studiu fyzikálních i chemických jevů v plameni při skutečných požárech. Možnosti laboratorních studií plamene mohou tedy v oblasti průmyslové bezpečnosti a požární ochrany najít uplatnění zejména při: - vývoji a testování nástrojů modelování (sub-modelů) požáru nebo exploze; - ověřování zjednodušeného popisu chemických mechanismů hoření směsných paliv; - charakterizaci vzniku (zdrojového prvku) škodlivin při průmyslových požárech; - vývoji diagnostických technik pro velkorozměrové experimenty a požární zkoušky. Tyto přístupy, tedy velkorozměrové i laboratorní experimenty, je však stále potřeba chápat jako nenahraditelné a komplementární nástroje při vývoji a validaci spolehlivých modelů využitelných v požárně-bezpečnostním inženýrství a praxi průmyslové bezpečnosti. Poděkování Tato práce byla podpořena Ministerstvem životního prostředí České republiky (projekt č. SPII 1a10 45/07) a Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy České republiky prostřednictvím projektu FRVŠ 1111/2008 a projektů OC 111 a OC 186 v rámci Akce COST 729. Autor V.N. také děkuje Fakultě bezpečnostního inženýrství VŠB-TUO za finanční podporu v rámci Interního grantového systému (projekt č. 023/2101/BI023 8011). Literatura [1]

[2]

[3]

[4] [5]

VAUTARD, R.; CIAIS, P.; FISHER, R.; LOWRY, D.; BRÉON, F.M.; VOGEL, F.; LEVIN, I.; MIGLIETTA, F.; NISBET, E. The dispersion of the Buncefield oil fire plume: An extreme accident without air quality consequences, Atmospheric Environment. 2007, 41, 9506–9517 MATHER, T.A.; HARRISON, R.G.; TSANEV, V.I.; PYLE, D.M.; KARUMUDI, M.L.; BENNETT, A.J.; SAWYER, G.M.; HIGHWOOD, E.J. Observation of the plume generated by December 2005 oil depot explosion and prolonged fire at Buncefield (Hertfordshire, UK) and associated atmospheric changes. Proceedings of the Royal Society A-Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2007, 463 (2081), 1153-1177 EUROPEAN ENVIRONMENT AGENCY. Mapping the impacts of recent natural disasters and technological accidents in Europe. Environmental issue report No 35. [on-line] Copenhagen, 2003. [cit. 2008-08-07]. Dostupný na WWW: . ISBN: 92-9167-630-6 KUO, K. K. Principles of combustion (2nd Edition). New York: J. Wiley & Sons, 2005 KUMAGAI, S. Hoření. Přeložil Otto Dvořák. Praha: Československý svaz požární ochrany. 1984

85

[6] [7] [8] [9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

POINSOT, T.; VEYNANTE, D. Theoretical and Numerical Combustion (2nd Edition). Philadelphia: R.T. Edwards, 2005 HAMINS, A. In Environmental Implications of Combustion Processes. Edit by I. K. Puri. Boca Raton: CRC Press, 1993, 71 – 95 HARTUNG, G.; HULT, J.; KAMINSKI, C.F. A flat flame burner for the calibration of laser thermometry techniques. Meas. Sci. Technol., 2006, 17, 2485 – 2493 KULATILAKA, W.D.; LUCHT, R.P., HANNA, S.F.; KATTA, V.R. Two-color, twophoton laser-induced polarization spectroscopy (LIPS) measurements of atomic hydrogen in near-adiabatic, atmospheric pressure hydrogen/air flames. Combust. Flame, 2004, 137, 523–37 SHADDIX, C.R.; ALLENDORF, S.W.; HUBBARD, G.L. OTTESEN, D.K.; GRITZO, L.A. Diode Laser Diagnostics for Gas Species and Soot in Large Pool Fires. LDRD Project Final Report. Sandia Report SAND2001-8383. Sandia National Laboratories. Albuquerque, 2001 NDUBIZU, C.C.; ANANTH, R.; TATEM, P.A. MOTEVALLI, V. On water mist fire suppression mechanisms in a gaseous diffusion flame. Fire Safety Journal, 1998, 31, 253-276 WILLIAMS, T.C.; SHADDIX, C.R.; SCHEFER, R.W.; DESGROUX, P. The response of buoyant laminar diffusion flames to low-frequency forcing. Combustion and Flame, 2007, 151, 676–684 DELHAY, J.; BOUVIER, Y.; THERSSEN, E.; BLACK, J.D.; DESGROUX, P. 2D imaging of laser wing effects and of soot sublimation in laser-induced incandescence measurements. Applied Physics B-Lasers and Optics, 2005, 81(2-3),181-186 MCNESBY, K.L.; REED SKAGGS, R.; MIZIOLEK, A.W.; CLAY, M.; HOKE, S.H.; MISER, C.S. Diode-laser-based measurements of hydrogen fluoride gas during chemical suppression of fires. Applied Physics B-Lasers and Optics, 1998, 67, 443– 447 HAMINS, A.; TREES, D.; SESHADRI, K.; CHELLIAH, H.K. Extinction of Nonpremixed Flames with Halogenated Suppressants. Combustion and Flame, 1994, 99, 221-230 MACDONALD, M.A.; JAYAWEERA, T.M.; FISHER, E.M.; GOULDIN, F.C. Inhibition of Nonpremixed Flames by Phosphorus-Containing Compounds. Combustion and Flame, 1999, 116, 166-176 PURI, R. SANTORO,R.J. SMYTH, K. C. The Oxidation of Soot and Carbon Monoxide in Hydrocarbon Diffusion Flames. Combustion and Flame, 1994, 97, 125 – 144 SHADDIX, C. R.; HARRINGTON, J. E.; SMYTH, K. C. Quantitative Measurements of Enhanced Soot Production in a Flickering Methane/Air Diffusion Flame. Combustion and Flame, 1994, 99, 723-732 KENNEDY, I. M. YAM, C. RAPP, D. C. SANTORO, R. J. Modeling and Measurements of Soot and Species in a Laminar Diffusion Flame. Combustion and Flame, 1996, 107, 368-382 SHADDIX, C. R.; SMYTH, K. C. Laser-Induced Incandescence Measurements of Soot Production in Steady and Flickering Methane, Propane, and Ethylene Diffusion Flames. Combustion and Flame, 1996, 107 (4), 418-452 SCHULZ, C.; KOCK, B.F.; HOFMANN, M.; MICHELSEN, H.; WILL, S.; BOUGIE, B.; SUNTZ, R.; SMALLWOOD, G. Laser-induced incandescence: recent trends and current questions. Applied Physics B-Lasers and Optics, 2006, 83(3), 333-354

86

[22]

[23]

[24]

[25] [26] [27] [28] [29] [30]

[31]

[32] [33]

[34]

SNELLING, D.R.; THOMSON, K.A.; SMALLWOOD, G.J.; GÜLDER, Ö.L.; WECKMAN, E.J.; FRASER, R.A. Spectrally Resolved Measurement of Flame Radiation to Determine Soot Temperature and Concentration. AIAA Journal, 2002, 40, 1789-1795 GÜLDER, Ö.L.; THOMSON, K.A.; SNELLING, D.R. Effect of fuel nozzle material properties on soot formation and temperature field in coflow laminar diffusion flames. Combustion and Flame, 2006, 144, 426-433, 2006 BLADH, H.; BENGTSSON, P.E.; DELHAY, J.; BOUVIER, Y.; THERSSEN, E.; DESGROUX, P. Experimental and theoretical comparison of spatially resolved laserinduced incandescence (LII) signals of soot in backward and right-angle configuration. Applied Physics B-Lasers and Optics, 2006, 83(3), 423-433 ISO 14520-1. Gaseous fire-extinguishing systems - Physical properties and system design. Geneve: International Organization for Standardization, 2005 NFPA 2001. Standard for Clean Agent Fire Extinguishing Systeme. Quincy: National Fire Protection Association, 2008 SENECAL, J.A. Flame extinguishing in the cup-burner by inert gases. Fire Safety Journal, 2005, 40 (6), 579-591 KOHSE-HOINGHAUS, K.; JEFFRIES, J.B. (Ed.) Applied Combustion Diagnostics. New York: Taylor & Francis, 2002 WOLFRUM, J. Advanced laser spectroscopy in combustion chemistry: From elementary steps to practical devices. Faraday Discussions, 2001, 119, 1-26 NIVOLIANITOU, Z.S. Hazard review of a pesticides formulation plant and consequence assessment of accident scenarios in it. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 1998, 11, 123–134 MARLAIR, G.; MOUILLEAU, Y. Modélisation des effets toxiques d'un feu sur l'environnement d'un site industriel : Importance des hypothèses relatives à la thermique. Paris: SFT, 1998 MCGRATTAN, K.B. Smoke Plume Trajectory Modeling. Spill Science & Technology Bulletin, 2003, 8 (4), 367–372 EVANS, D. D.; MULHOLLAND, G. W.; BAUM, H. R.; WALTON, W. D.; MCGRATTAN, K. B. In Situ Burning of Oil Spills. Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology. 2001, 106 (1), 231-278 MCGRATTAN, K.; HOSTIKKA, S.; FLOYD, J.; BAUM, H.; REHM, R.; MCDERMOTT, R. Fire Dynamics Simulator (Version 5) – Technical Reference Guide. National Institute of Standards and Technology Special Publication 1018-5, Gaithersburg, 2007

Resumé In the field of industrial safety and fire protection, flame is studied as source term of thermal radiation and fire plume containing various combustion gases. Uncontrolled burning of dangerous chemicals as in the case of fire leads due to incomplete combustion to the huge emission of soot particles, burnt gases and combustion by-products. However, there is a lack of reliable predictive methods to assess such an emission and impact of atmospheric pollutants produced during the industrial fires. Combustion chemistry involves complex reaction mechanisms. Verification and simplifying the chemical mechanisms of combustion for even the reference fuels remains the challenging scientific task. Contemporary progress of research in the field of combustion processes and flames is reached mainly by applying the two complementary approaches:

87

(i) by performing the experimental studies in different scales and (ii) by numerical simulations and modelling studies. The flames simulated in the laboratory scale can involve some aspects of real combustion systems. Experimental studies of both premixed and diffusion flames thus represent suitable tool for better understanding of combustion processes or for solving the partial issues relevant to large scale accidental phenomena. There is a variety of intrusive and optically based measurement methods for studying the flame characteristics in laboratory conditions. Among others, Fourier Transform Infrared (FTIR) and Tunable Diode Laser (TDL) spectroscopy are employed for in-situ measurements in laboratory flames as well as for spatially and/or temporally resolved concentrations profiles of even the minor species in field test fires. Nevertheless, further development and testing of diagnostic techniques for monitoring of the combustion products and intermediates is still required to improve the degree of modelling validation studies concerning industrial fire plumes.

88

Jiří SERAFÍN1, Jaroslav DAMEC2, Aleš BEBČÁK3 EXPERIMENTÁLNÍ STANOVENÍ VLIVU INERTU NA TEPLOTNÍ MEZE VÝBUŠNOSTI Abstrakt Článek obsahuje krátké shrnutí poznatků týkající se teplotních mezí výbušnosti a možnosti inertizace. Dále je zde popsána zkouška týkající se inertizace par hořlavých kapalin respektive vlivu inertního plynu na teplotní meze výbušnosti včetně vyhodnocení naměřených hodnot a stanovení nejistot měření, kdy je patrné, že vliv inertizace je zřetelnější v oblasti horní meze výbušnosti lampového oleje. Klíčová slova: Teplotní meze výbušnosti, inertní plyn, kubický zákon Úvod V dnešní době se průmysl neobejde bez používání širokého spektra hořlavých látek. Ať už se jedná o látky tuhé, kapalné nebo plynné, představují při větších množstvích, které se v průmyslu běžně nacházejí, velké nebezpečí požáru nebo výbuchu. Primární protivýbuchová ochrana se zabývá především zabráněním vzniku výbušné atmosféry. Jedno z těchto účinných a hodně používaných bezpečnostních opatření je nakládání s látkou mimo její rozsah výbušnosti, respektive rozsah nebezpečí. Abychom tento rozsah mohli určit, potřebujeme dobře znát vlastnosti daných hořlavých látek. U hořlavých kapalin se jedná především o teplotní meze výbušnosti. Určit dolní a horní teplotní meze výbušnosti vybraných hořlavých kapalin bylo jedním z úkolů. Současný stav poznání Teplotní meze výbušnosti Rozsah výbušnosti dané látky určují její meze výbušnosti. Směsi plynu, par, mlh nebo prachu se vzduchem jsou výbušné jen uvnitř určitého rozsahu, který je ohraničen spodní a horní mezí výbušnosti. U hořlavých kapalin vzniká na základě teploty nad hladinou kapaliny přímá souvislost mezi parciálním tlakem a koncentrací směsi. Koncentrace směsi, resp. parciální tlak, jsou zobrazeny jako funkce teploty pomocí křivek tlaku par. Pro posouzení nebezpečí nasycených par hořlavých kapalin využíváme tedy poznatku, že koncentrace nasycených par závisí na její teplotě, tzn. že každé teplotě je přiřazena určitá koncentrace nebo při určité teplotě kapaliny se nad její hladinou vytváří určitá koncentrace jejich par. Můžeme tedy vyjádřit teplotní meze výbušnosti jako teploty kapaliny (viz obr. č. 1), při které se tyto koncentrace vytvářejí. Těmto teplotám říkáme teplotní meze výbušnosti.

1

2

3

Ing., VŠB – Technická univerzita Ostrava, Fakulta bezpečnostního inženýrství, Katedra bezpečnostního managementu, Lumírova 13, 700 30 Ostrava – Výškovice, e-mail:[email protected] doc., Ing., CSc., Technická univerzita Ostrava, Fakulta bezpečnostního omženýrství, Katedra bezpečnostního managementu, Lumírova 13, 700 30 Ostrava – Výškovice, e-mail: [email protected] Ing., VŠB – Technická univerzita Ostrava, Fakulta bezpečnostního inženýrství, Lumírova 13, 700 30 Ostrava – Výškovice, e-mail: ales.bebcak.st1 vsb.cz

89

Koncentrace závislá na tlaku par

Koncentrace

Horní

mez

výbušnosti

Páry

Mlha

Dolní

mez

výbušnosti

DTMV

Teplota

HTMV

Obr č. 1: Hodnocení nebezpečí výbuchu při výskytu hořlavé kapaliny v technologii (DTMV a HTMV – dolní a horní teplotní mez výbušnosti)

Teplotní meze výbušnosti se pro hodnocení nebezpečí výbuchu hořlavých kapalin používají hlavně v uzavřeném prostoru. Tyto meze výbušnosti jsou názornějším vyjádřením nebezpečí hořlavých kapalin v uzavřených technologických zařízeních, dávají lepší představu o možném nebezpečí při náhodném zvýšení nebo snížení teploty[1]. Dolní teplotní mez výbušnosti [1, 3] je nejnižší teplota kapaliny, při které se v uzavřeném prostoru zahříváním zkoušené kapaliny za předepsaných podmínek vytvoří takové množství par, že se ve směsi se vzduchem po iniciaci (jiskrou) může šířit plamen. Lze tedy říci, že je to teplota, která odpovídá tlaku nasycených par při dolní mezi výbušnosti. Horní teplotní meze výbušnosti [1, 3] je nejvyšší teplota kapaliny, při které kapalina vytváří v uzavřených prostorech, za předepsaných podmínek, takové množství par, že jejich směs se vzduchem může být ještě iniciována. Zvýší-li se teplota nad tuto hodnotu, vytvoří se směs neschopná iniciace. Inertizace V praxi se inertizace používá na těch místech, kde nelze zabránit vzniku nebezpečné výbušné atmosféry a není-li možno zcela vyloučit iniciační zdroje. Inertizace je protivýbuchovou ochranou, která přemění původní výbušnou atmosféru na nevýbušnou. Základem inertizace je snížení obsahu oxidačního prostředku na takovou hodnotu, kdy směs hořlaviny, oxidačního prostředku a inertu není za daných podmínek výbušná. K tomuto účelu se používají tzv. inertní příměsi. K inertizaci se používá jak inertních plynů, tak tuhých inertních látek v práškovém stavu. Mezi inertní plyny patří zejména dusík, oxid uhličitý, vzácné plyny nebo i vodní pára. Účinek inertních plynů spočívá v tom, že svou tepelnou kapacitou snižují rychlost šíření plamene a dále snižují koncentraci oxidačního prostředku ve směsi. Tím se výrazně zúží rozsah výbušnosti, přičemž vliv inertizace je vidět zejména u horních koncentračních hranic výbušnosti, které představují nedostatek oxidačního prostředku. U dolních koncentračních mezí výbušnosti se vliv inertizace projeví jen nepatrně, neboť zde je oxidačního prostředku

90

přebytek. Při inertizaci nemusí být všechen kyslík (oxidační prostředek) odstraněn, ale stačí, aby byl zředěn na takovou hodnotu, která již není schopna šířit plamen. Kubická nádoba Konstrukce výbuchového zařízení pro stanovení teplotních mezí výbušností odpovídá požadavkům na kubickou nádobu. Kubická nádoba má délku l menší nebo rovnu dvěma průměrům d (l ≤ 2.d). Pro kubické nádoby platí Kubický zákon. Ten popisuje závislost, kdy s rostoucím objemem nádoby klesá rychlost narůstání výbuchového tlaku. Kubický zákon má tvar: 1

 dp    ⋅ V 3 = konst = K G  dt  max

resp.

K st

(1)

kde: (dp/dt)max maximální rychlost narůstání výbuchového tlaku v [MPa.s-1], V objem nádoby v m3, kubická konstanta pro plyny, resp. pro prachy v [MPa.m.s-1]. Kg, Kst Platnost kubického zákona [2] je u směsí plynů a par hořlavých kapalin se vzduchem od objemu nádoby 5 dm3 a u prachovzduchových směsí od 40 dm3. Kubická konstanta může být technicko-bezpečnostním parametrem, jsou-li splněny tyto podmínky: • optimální koncentrace výbušné směsi, • stejný tvar nádoby, • stejný stupeň turbulence směsi, • stejný druh a stejná energie iniciačního zdroje. Popis zkušebního zařízení Jedná se o nádobu, která se skládá ze dvou válců z nerezové oceli tloušťky 2 mm. Vnitřní válec má průměr 300 mm a výšku cca 280 mm. Rozměry tohoto válce byly navrženy tak, aby jeho objem byl rovných 20 dm3, což znamená, že výsledky v něm naměřené se musí přepočítat na 1 m3, v našem případě tedy násobit padesáti. Tento vnitřní válec je pevně svařen s čtvercovou základnou o hraně 50 cm, která tvoří dno válce.

91

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

zkušební nádoba kryt vnější topné spirály vnější topná spirála nádoba na kapalinu vnitřní topná spirála míchadlo motorek elektrody iniciační palník teplotní čidlo kapaliny teplotní čidlo prostředí

12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

kulové ventily čidlo pro měření koncentrace kyslíku digitální teploměr teplotní regulátor vnější spirály teplotní regulátor vnitřní spirály ovládací panel míchadla a iniciace PC dusíková láhev přívod dusíku regulátor tlaku víko

Obr. č. 2: Schéma zkušebního zařízení

92

Do tohoto válce vede celkem pět otvorů, které jsou opatřeny kulovými ventily. Uvnitř vnitřního válce byl nainstalován ventilátor poháněný motorkem, který slouží k homogenizaci výbušné směsi. Tento ventilátor je umístěn na spodní straně základny. Dále se zde nachází elektrody pro umístění palníku (iniciačního zdroje) a kovová miska o průměru cca 8 cm, která je uložena v topném hnízdu vytápěném vnitřní spirálou pro rychlejší odpaření kapaliny. Na válec jsme byli nuceni ještě připevnit nerezové víko, které slouži k zhášení plamene po výbuchu. Popis a zapojení jsou uvedeny na obr. č. 2. Postup měření Měřený materiál Lampový olej (výrobce SEVEROCHEMA Liberec) je bezbarvá kapalina slabého parafínového zápachu. Jedná se o hořlavinu III. třídy. Hustota kapaliny 740 až 830 kg/m3, rozsah výbušnosti je od 0,6 % obj. - 4,3 % obj., teplota varu 175 – 250 °C, teplota vznícení se uvádí nad 200 °C, teplota vzplanutí se pohybuje nad 56 °C. Stanovení teplotních mezí výbušnosti Do odpařovací nádobky umístíme dané množství hořlavé kapaliny a výbuchový prostor zatěsníme. Dále vzorek začneme pomocí vnější topné spirály zahřívat na požadovanou teplotu, při zahřívání je zapnuto míchadlo, aby byla zajištěna homogenita směsi ve výbuchovém prostoru. Po dosažení teploty, při které chceme směs iniciovat vyčkáme, až se teplota ustálí – při ověřovacích pokusech se postup s ustálením teploty ukázal jako těžce realizovatelný, proto jsme se rozhodli, že metodiku mírně upravíme a směs budeme zahřívat dostatečně pomalu. Po dosažení požadované teploty, bylo vypnuto míchadlo a směs byla iniciována palníkem. Po každém pokusu je nutné komoru důkladně odvětrat a vyčistit od případných zplodin hoření. Vyhodnocení naměřených hodnot Hodnoty měření jsou zaznamenávány pomocí teplotních čidel a počítačového programu. Na obr. č. 3 je znázorněn ilustrační záznam měření, která na tomto zařízení probíhala. Získané výsledky lze pomocí programu rovnou vytisknout ve formě přehledného grafu, nebo lze s výsledky dále pracovat a převádět je do různých uživatelských aplikací, viz obr. č. 4. Námi naměřené a vyhodnocené hodnoty dolní a horní teplotní meze výbušnosti lampového oleje jsou uvedeny v tabulkách č. 1 a 2 a následných výpočtech.

93

Obr. č. 3: Záznam negativního pokusu pomocí programu GSOFT (ilustrační graf)

Lampový olej 95°C, 12% kyslíku 300

250

teplota [°C]

200

150

100

50

0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 čas [s]

teplota prostředí teplota kapaliny

Obr. č. 4: Pozitivní pokus - hodnoty převedeny do aplikace Microsoft Excel

94

Tabulka č. 1: Výsledné hodnoty stanovení dolní teplotní meze výbušnosti lampového oleje

Kde:

Číslo měření

Teplota kapaliny [0C]

Výbuch A / N

1

72

N

2

80

A

3

76

A

4

74

A

5 A = výbuch

77 N = látka nereagovala

A

Průměrná dolní teplotní mez výbušnosti lampového oleje byla vypočtena jako aritmetický průměr posledních třech kladných pokusů z naměřených hodnot, tedy třech hodnot před negativním pokusem.

t d ,výb =

1 1 ⋅ ∑ t i = ⋅ 227 = 75,66 0 C n 3

Průměrná dolní teplotní mez výbušnosti lampového oleje je 75,66 °C. Tabulka č. 2: Výsledné hodnoty stanovení horní teplotní meze výbušnosti lampového oleje

Kde:

Číslo měření

Teplota kapaliny [0C]

Výbuch A / N

1

140

A

2

150

A

3

160

A

4

170

A

5

175

N

6

171

A

173 N = látka nereagovala

A

7 A = výbuch

Průměrná horní teplotní mez výbušnosti lampového oleje byla vypočtena jako aritmetický průměr posledních třech kladných pokusů z naměřených hodnot, tedy třech hodnot před negativním pokusem.

t h,výb =

1 1 ⋅ ∑ ti = ⋅ 514 = 171,330 C n 3

Průměrná horní teplotní hranice výbušnosti lampového oleje je 171,33 °C.

95

Popis měření vlivu inertních plynů na teplotní meze výbušnosti Po zjištění DTMV a HTMV hořlavé kapaliny jsme přikročili k druhé části měření a tou byla inertizace. U námi zkoušené kapaliny, kterou byl lampový olej, což je hořlavina III. třídy nebezpečnosti, jsme kvůli velkému teplotnímu rozsahu výbušnosti zvolili měření po 10 °C. Příprava pokusu byla téměř totožná jako při stanovování teplotních mezí výbušnosti, k výbuchové komoře byl navíc připevněn přívod inertního plynu. Postup měření byl také stejný až do okamžiku, kdy byla výbuchová komora překryta hliníkovou folií. Pak jsme do výbuchové komory napustili určité procento inertního plynu, v našem případě dusíku. Tím se ve výbuchové komoře snížil obsah kyslíku. Dusík byl napouštěn pozvolna a při dosažení potřebné koncentrace byly uzavřeny napouštěcí ventily, kterými proudil dusík do výbuchového prostoru. Po celou dobu napouštění bylo na plno puštěno míchadlo, aby byla zajištěna lepší homogenizace směsi. Po zahřátí na požadovanou teplotu byla kapalina udržována na této teplotě 5 minut a poté palníkem iniciována. Pokud došlo k výbuchu, snížili jsme obsah kyslíku o 1 %. Pokud k výbuchu nedošlo, obsah kyslíku jsme o 1 % zvýšili. Výsledné naměřené hodnoty jsou uvedeny v tabulce č. 3. Z obr. č. 5 je patrné, že vliv inertizace je patrnější v oblasti horní meze výbušnosti lampového oleje. Tabulka č. 3: Průměrné hodnoty inertizace teplotních mezí výbušnosti lampového oleje Teplota kapaliny [0C] 75,66

Koncentrace O2 [% obj]

Koncentrace N2 [% obj]

Dolní teplotní mez výbušnosti (21% O2)

85,33

19

80

94,66

12

87

105

12

87

114,66

11,5

87,5

125

13

86

135,33

15

84

145,33

16,5

82,5

155

17

82

164,66

18

81

171,33

Horní teplotní mez výbušnosti (21% O2)

96

Inertizace teplotních mezí výbušnosti lampového oleje

Koncentrace kyslíku [% obj.]

22

19

16

13

10 70

90

110 130 Teplota kapaliny [°C]

150

170

Teplotní meze výbušnosti při určité koncentraci kyslíku

Obr. č. 5: Inertizace teplotních mezí výbušnosti lampového oleje

Stanovení nejistoty měření [4] Každé měření se neobejde bez různých odchylek a nepřesností. Z důvodu velkého počtu měření jsme určení nejistoty měření aplikovali pouze na dolní a horní teplotní meze výbušnosti látek. Měření bylo tedy pro každou mez prováděno třikrát opakovaně za stejných podmínek. Ze získaných hodnot byl spočten aritmetický průměr. Směrodatná odchylka charakterizuje rozptyl hodnot výběrových průměrů a je proto zvolena jako míra nejistoty měřené veličiny. Nejistota měření je výsledkem hodnocení měření, charakterizující rozsah hodnot, v němž leží pravá hodnota měřené veličiny. Nejistota měření je na rozdíl od chyby měření dostupná vždy. Jeden z hlavních rozdílů mezi chybou měření a nejistotou měření je ve znaménku, které nejistota měření na rozdíl od chyby měření nemá. Směrodatnou odchylku pro dolní teplotní mez výbušnosti lampového oleje vypočteme podle rovnice:

sx =

n 1 ( xi − x ) 2 ∑ n( n − 1) i =1

97

(2)

sx = Kde:

sx

[

]

1 2 2 2 ⋅ (76 − 75,66 ) ⋅ (74 − 75,66 ) ⋅ (77 − 75,66 ) = 0,309 3(3 − 1)

n

směrodatná odchylka počet opakovaných měření

x

hodnota průměru

Nejistotu měření pro dolní teplotní mez výbušnosti lampového oleje vypočteme podle vzorce:

u x = kS ⋅ s x

(3)

u x = 2 , 3 ⋅ 0 , 309 = 0,71 Kde:

sx ux kS

směrodatná odchylka nejistota měření koeficient (viz tabulka)

Standardní nejistotu pro dolní teplotní mez výbušnosti lampového oleje vypočteme podle:

Ux = k u ⋅ u x

(4)

U x = 2 ⋅ 0 , 22 = 1, 42 Kde: Ux ux ku

rozšířená nejistota nejistota měření koeficient rozšíření, velikost se volí 2 až 3

Směrodatnou odchylku pro horní teplotní mez výbušnosti lampového oleje vypočteme podle rovnice:

sx =

[

]

1 2 2 2 ⋅ (171 − 171,33) ⋅ (173 − 171,33) ⋅ (170 − 171,33) = 0,299 3(3 − 1)

Nejistotu měření pro horní teplotní mez výbušnosti lampového oleje vypočteme podle vzorce:

98

ux = kS ⋅ sx u x = 2 , 3 ⋅ 0 , 299 = 0, 69 Standardní nejistotu pro horní teplotní mez výbušnosti lampového oleje vypočteme podle:

Ux = k u ⋅ u x U x = 2 ⋅ 0 , 207 = 1, 38 Po zohlednění vypočítaných nejistot jsou výsledné hodnoty následující: - dolní teplotní mez výbušnosti lampového oleje je (75,66 ± 1,42) °C. - horní teplotní mez výbušnosti lampového oleje je (171,33± 1,38) °C. Pro výpočet nejistoty měření při inertizaci byl použit stejný postup jako při zjišťování nejistoty měření dolních a horních teplotních mezí. Pro přehlednost jsou výsledné hodnoty uvedeny v následující tabulce č. 4. Tabulka č. 4: Výsledky měření inertizace teplotních mezí výbušnosti s nejistotou měření Lampový olej Teplota kapaliny [0C] (75,66 ± 1,42) °C

Koncentrace O2 [% obj]

Koncentrace N2 [% obj]

Dolní teplotní mez výbušnosti (21% O2)

(85,33 ± 1,92) °C

19

80

(94,66 ± 1,42) °C

12

87

(105 ± 1,88) °C

12

87

(114,66 ± 1,42) °C

11,5

87,5

(125 ± 1,88) °C

13

86

(135,33 ± 1,92) °C

15

84

(145,33 ± 1,92) °C

16,5

82,5

(155 ± 1,88) °C

17

82

(164 ± 1,42) °C

18

83

(171,33 ± 1,42) °C

Horní teplotní mez výbušnosti (21% O2)

99

Závěr Výsledky měření Průměrná dolní teplotní mez výbušnosti lampového oleje je (75,66 ± 1,42) °C. Průměrná horní teplotní hranice výbušnosti lampového oleje je (171,33± 1,38) °C. Vypočtené nejistoty měření jsou s ohledem na obecné podmínky hodnocení bezpečnosti zanedbatelné. Z naměřených hodnot, které jsou zaznamenány v grafu na obr. č. 5, je patrné, že vliv inertizace je zřetelnější v oblasti horní meze výbušnosti lampového oleje. Inertizace je jednou z nejpoužívanějších metod jak zabránit výskytu výbušného souboru, je tedy nutné se touto problematikou zabývat, zkoumat jejich vlastnosti a možnosti jak nejúčinněji minimalizovat případné následky, které s sebou přináší neustálý vývoj technologií. Pokud vyrobíme novou látku nebo použijeme jinou koncentraci látek v technologii, než byla doposud používána, musíme mít na zřeteli i rizika, která z tohoto kroku mohou pramenit. Měření a vyhodnocování technicko-bezpečnostních parametrů a vlivů inertních příměsí na tyto parametry, jsou důležitou částí při vyhodnocování míry nebezpečí a stanovení s tím souvisejících bezpečnostních opatření. Použitá literatura [1]

[2] [3] [4]

ZAPLETALOVÁ – BARTLOVÁ, I, BALOG K.: Analýza nebezpečí a prevence průmyslových havárií, Ostrava: Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství, 1998, 193 s., ISBN 80-86111-07-05 DAMEC, J. Protivýbuchová prevence. 1.vyd. Ostrava: Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství, 1998, 188 s. ISBN 80-86111-21-0 ČSN EN 1127 „Výbušná prostředí – Prevence a ochrana proti výbuchu – část 1: Základní pojmy a metodologie.“ Dokument č. EA 4/02, Vyjadřování nejistot měření při kalibracích, Český institut pro akreditaci, o. p. s., 2000, 75 s.

100

Jiří ŠVEC1, Pavel ŠVEC2 FYZIKÁLNÍ VELIČINY POPISUJÍCÍ VLIV FYZIKÁLNÍCH POLÍ NA ČLOVĚKA PHYSICAL QUANTITIES DESCRIBING THE INFLUENCE OF PHYSICAL FIELDS ON A MAN Abstrakt Předložený článek se zabývá fyzikálními veličinami, které popisují vliv fyzikálních polí na člověka. Jako příklad je uvedena hladina hlasitosti a křivky stejných hladin hlasitosti (akustické pole) a ekvivalentní a efektivní dávka (pole ionizujícího záření). Abstract The submitted article deals with the physical quantities that describe the influence of physical fields on a man. For example, the volume level and curves of the same volume levels (acoustic field) and the equivalent and effective doses (ionizing radiation field) are stated. Key words: acoustic field, ionizing radiation field, volume level, equivalent and effective doses Úvod Fyzikální veličiny jsou vybrané, zpravidla mezinárodně normalizované pojmy, které se používají k výkladu a popisu přírodních a technických dějů. Vyjadřují se jimi vlastnosti hmotných objektů mající kvalitativní a zároveň kvantitativní charakter. Fyzikální veličiny můžeme dělit podle nejrůznějších kritérií, např.: • Intenzivní – extenzivní, • spojité – kvantové, • skalární – vektorové, • dobře měřitelné – špatně měřitelné, • apod. Významné místo mezi fyzikálními veličinami zaujímají veličiny, které popisují vliv fyzikálních polí na člověka. V následujících odstavcích jsou dvě takové skupiny veličin a jejich jednotek popsány a diskutovány. Zvukové (akustické) pole Zvuk je mechanické kmitání a jím buzené mechanické vlnění, které je lidský sluchový orgán schopen přijímat a mozek zpracovat ve sluchový vjem. Ze zdroje zvuku o určitém akustickém výkonu se zvuková energie šíří prostředím do okolí. Zvuková energie, která projde za jednotku času jednotkovou plochou, postavenou kolmo na směr šíření zvuku je intenzita zvuku. Označuje se I má jednotku Wm-2. 1

2

Doc., RNDr., CSc., VŠB – TU Ostrava, Fakulta bezpečnostního inženýrství, Katedra bezpečnostního managementu, e-mail: [email protected] Ing., VŠB – TU Ostrava, Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství, Katedra Automatizace a počítačové techniky v metalurgii, e-mail: [email protected]

101

Ve vzduchu se zvuk šíří podélným vlněním, při kterém jednotlivé částice prostředí kmitají ve směru shodném se směrem šíření zvukové vlny a způsobují tak zhuštění a zředění prostředí. Vlnění se tak projevuje střídavou změnou tlaku vzduchu. Rozdíl mezi tlakem barometrickým a okamžitým se nazývá akustický tlak – p (Pa). Druhá mocnina efektivní hodnoty akustického tlaku je úměrná akustické intenzitě. V praxi se „síla“ zvuku nevyjadřuje pomocí akustické intenzity, ale většinou pomocí akustického tlaku. Oblast slyšení je vymezena pásmem slyšitelných kmitočtů přibližně od 16 do 16 000 Hz, rozsahem intenzity zvuku mezi prahem slyšení (~ 10-12 Wm-2), a prahem bolesti (~ 1 Wm2 ), v případě akustického tlaku jsou to hodnoty 2.10-5 Pa a 20 Pa (platí pro frekvenci 1000 Hz). Rozdíl obou mezních hodnot je 12 řádů a je tedy velmi velký. Je proto velmi důležité nalézt nějaké vhodné měřítko pro počitky sluchového vjemu mezi oběma po fyzikální stránce neobyčejně vzdálenými mezemi slyšitelnosti. Podle psychofyzického zákona Weber – Fechnerova, který říká, že změna nějakého počitku je úměrná relativní změně popudu, roste subjektivní síla zvukového vjemu s logaritmem fyzikální intenzity zvuku. To vedlo k zavedení logaritmické stupnice pro sílu zvuku. Veličina, která určuje logaritmickou stupnici pro měření síly zvuku, se nazývá hladina intenzity zvuku resp. hladina akustického tlaku a označuje se B. Jednotkou je bel. Mezinárodní dohodou bylo stanoveno, že při desetinásobném zvýšení intenzity zvuku má hladina intenzity zvuku vzrůst o 1 bel. Nula stupnice byla zavedena jako prahová hodnota intenzity zvuku resp. akustického tlaku. Vzhledem k tomu, že bel je jednotka poměrně velká, v praxi se používá decibel (dB). Platí:

kde

I – pe – I0 = pe,0 =

akustická intenzita daného zvuku, efektivní akustický tlak, 10-12 Wm-2 – prahová akustická intenzita zvuku pro f = 1000 Hz, 10-5 Pa – prahová hodnota efektivního akustického tlaku.

Zvýšení nebo snížení hladiny intenzity zvuku lze udat i vzhledem k libovolné intenzitě. Zvuk bude o 1 dB silnější, zvýší-li se jeho intenzita přibližně o 26%, což je právě nejmenší rozdíl, který normální ucho ještě poslechne. Hladina akustického tlaku je fyzikální veličina (změřitelná), která je měřítkem fyzikálního akustického tlaku a nemá nic společného se subjektivní silou zvuku. Důvod je v tom, že sluch není stejně citlivý pro všechny frekvence v okruhu slyšitelných tónů. Protože tomu tak není, zavádíme pro subjektivně vnímané hlasitosti tónů různých frekvencí veličinu hladina hlasitosti, označuje se L a má jednotku fon (Ph). Hladina hlasitosti zkoumaného zvuku ve fonech se rovná hladině intenzity (v dB) referenčního tónu o frekvenci 1000 Hz, který se v místě poslechu jeví stejně hlasitý jako zkoumaný zvuk. Hladinu hlasitosti libovolného zvuku určujeme tedy tak, že měníme intenzitu (akustický tlak) srovnávacího tónu 1000Hz a srovnáváme sílu subjektivního vjemu u obou zvuků. Jakmile se nám oba zvuky (měřený i srovnávací) zdají stejně hlasité, pak příslušná hladina intenzity srovnávacího tónu je v dB dává hladiny hlasitosti vyšetřovaného zvuku ve fonech.

102

Vztah mezi hladinou intenzity a hladinou hlasitosti lze znázornit křivkami stejné hladiny hlasitosti (obr. 1.), které byly získány subjektivním zkoumáním pro tentýž subjektivní vjem při různých frekvencích.

Obr. 1: Křivky stejných hladin hlasitosti

Tyto křivky udávají ve fonech od nuly do 120 Ph pro každou frekvenci intenzitu zvuku, hladinu intenzity v dB nebo akustický tlak potřebný k dosažení uvedených hladin hlasitosti. Z obrázku je zřejmé, že hladina intenzity v dB se shoduje s hladinou hlasitosti v Ph jen v úzkém frekvenčním intervalu kolem srovnávacího tónu o frekvenci 1000 Hz. Tak např. tónům frekvence 300 Hz a 1000 Hz o stejné hladině intenzity 40dB přísluší hladiny hlasitosti 30 Ph a 40 Ph, tj. tón o frekvenci 300 Hz slyšíme slaběji. K dosažení stejné hladiny hlasitosti 40 Ph u obou tónů, je nutné zesílit hladinu intenzity tónu 300 Hz asi o 10 dB. Pak oba tóny uslyšíme stejně silně. Příklady hladin hlasitosti jsou uvedeny v následující tabulce. Tabulka: Příklady hladin hlasitosti Prostředí práh sluchu šepot, šum listů hovor, vzdálenost 1m pouliční hluk silná repro hudba nýtování, motocykl bez tlumiče letadlo, 10m práh bolesti

103

Hladina hlasitosti (Ph) 0 10 – 20 40 – 50 60 – 80 80 – 100 110 120 130

Pole ionizujícího záření Ionizující záření vytváří při průchodu látkovým prostředím z neutrálních atomů kladné a záporné ionty (iontové páry). K ionizujícím zářením patří záření alfa, beta, gama, RTG, neutronové apod. Zdroji ionizujícího záření mohou být přirozené nebo umělé radionuklidy nebo různé generátory záření (např. RTG – trubice, urychlovače apod.) Působení záření na látku popisuje veličina, která se nazývá dávka – D. Je to, zjednodušeně řečeno, energie záření absorbovaná v hmotnostní jednotce ozařované látky. Jednotkou dávky je gray (Gy) s rozměrem J kg-1. Dávka 1 Gy tedy znamená, že v jednom kilogramu ozařované látky se absorbuje energie záření 1 J. Veličiny charakterizující působení záření na člověka vycházejí z dávky, tj. z energie, kterou předá záření tkáním a orgánům lidského organizmu. Škodlivé účinky ionizujícího záření souvisí s ionizací prostředí, kterým prochází. Ionizační schopnost různých záření je různá, a proto také stejné ozáření člověka různými zářeními bude mít na člověka různé biologické účinky. Ke sjednocení účinků je nutné přiřadit každému záření určitý koeficient (který vyjadřuje jeho biologickou účinnost) a tím koeficientem vynásobit dávku ve tkáni nebo orgánu. Uvedený koeficient se nazývá radiační váhový faktor (wR) a takto získaná veličina ekvivalentní dávka (HT). Je definována vztahem

kde

D TR - střední dávka záření typu R ve tkáni nebo orgánu T (Gy), w R - radiační váhový faktor příslušný záření typu R.

Jednotkou ekvivalentní dávky je sievert (Sv). Radiační váhový faktor vyjadřuje relativní biologickou účinnost jednotlivých typů záření vzhledem k záření fotonovému. Jeho hodnoty jsou uvedeny v následující tabulce. Tabulka: Hodnoty radiačního váhového faktoru Záření, energie fotonové záření beta záření neutrony < 10 keV neutrony (10 až 100) keV neutrony (100 keV až 2 MeV) neutrony (2 až 20) MeV neutrony, > 20 MeV alfa záření

wR 1 1 5 10 20 10 5 20

Z tabulky vyplývá, že biologické účinky beta a gama záření jsou stejné a biologické účinky alfa záření jsou dvacetkrát větší než záření beta nebo gama. Dávka 1 mGy vyvolá v případě beta a gama záření ekvivalentní dávku 1 mSv, v případě alfa záření 20 mSv. Vzhledem k tomu, že radiační váhový faktor pro beta a gama záření je jedna, je v tomto případě dávka číselně rovna ekvivalentní dávce. Proto se někdy hlavně v případě gama záření používá pro ekvivalentní dávku místo jednotky Sv jednotka Gy.

104

Při celotělovém ozáření dochází k určité zdravotní újmě, ke které však přispívají ozářené tkáně a orgány různým způsobem (např. červená kostní dřeň určitě více než povrch kůže nebo kostí). K vyhodnocení celotělového ozáření je tedy třeba přiřadit každému orgánu nebo tkáni určitý koeficient (který souvisí s citlivostí orgánu či tkáně k ozáření) a tímto koeficientem vynásobit ekvivalentní dávku v příslušné tkáni a všechny tyto součiny sečíst. Tímto způsobem vyhodnotíme celotělové ozáření člověka. Uvedený koeficient se nazývá tkáňový váhový faktor (wT) a takto získaná veličina efektivní dávka (E). Je definována jako součet vážených středních hodnot ekvivalentních dávek v tkáních nebo orgánech lidského těla

kde

H T - ekvivalentní dávka v tkáni nebo orgánu (Sv), w T - tkáňový váhový faktor.

Jednotkou efektivní dávky je sievert (Sv). Tkáňový váhový faktor vyjadřuje relativní příspěvky orgánů nebo tkání ze stochastických účinků k celkové zdravotní újmě způsobené rovnoměrným celotělovým ozářením. Jinými slovy tkáňové váhové faktory vyjadřují rozdílnou radiosenzitivitu orgánů a tkání ke vzniku stochastických účinků záření (zhoubných nádorů a genetických změn). Hodnoty tkáňových váhových faktorů jsou uvedeny v následující tabulce. Tabulka: Hodnoty tkáňových váhových faktorů Tkáň, orgán gonády mléčná žláza červená kostní dřeň plíce štítná žláza povrch kostí tlusté střevo žaludek játra kůže ostatní tkáně a orgány

wT 0,20 0,05 0,12 0,12 0,05 0,01 0,12 0,12 0,05 0,01 0,05

Je-li například tkáňový faktor pro plíce 0,12, znamená to, že při celotělovém ozáření přispívají plíce k celkové zdravotní újmě dvanácti procenty. Výhodou efektivní dávky je možnost zhodnotit míru závažnosti i velmi nehomogenního ozáření člověka. Radiační zátěž lze charakterizovat jediným číslem. Efektivní dávka představuje veličinu, která je určena pouze pro použití v ochraně před zářením za účelem ocenění pravděpodobností výskytu stochastických účinků záření. To znamená, že její aplikace je omezená pouze do dávek, které leží dostatečně nízko pod prahovou úrovní deterministických účinků. Ekvivalentní a efektivní dávka je základem obecných limitů (pro obyvatelstvo), limitů pro radiační pracovníky a limitů pro učně a studenty.

105

Závěr Veličiny používané k hodnocení vlivu fyzikálních polí na člověka nejsou ve většině případů fyzikálními veličinami v pravém slova smyslu. Vycházejí obvykle z absorbované energie a jsou modifikovány různými experimentálně zjištěnými koeficienty, tak aby vyjadřovaly co nejlépe vliv příslušných fyzikálních polí na člověka. Použitá literatura [1] [2] [3] [4] [5]

Smetana, C. a kol.: Hluk a vibrace, měření a hodnocení. Sdělovací technika, Praha 1998, ISBN 80-901936-2-5 Navrátil, L. a kol.: Medicínská biofyzika, Grad Publishing, a.s., Praha 2005, ISBN 80247-1152-4 Beneš, J. a kol.: Základy lékařské biofyziky, skripta UK, Nakladatelství Karolinum, Praha 2005, ISBN 978-80-246-1386-4 Obdržálek, J.: Fyzikální veličiny a jednotky SI, 1. Díl, Nakladatelství ALBRA, Úvaly 2004, ISBN 80-7361-002-7 Kol. autorů: Principy a praxe radiační ochrany, SÚJB, Praha 2000, ISBN 80-2383703-6

106

Jaroslav TUREČEK1 DETEKCE STOPOVÝCH ČÁSTIC VÝBUŠNIN DETECTION OF TRACE PARTICLES OF EXPLOSIVES Summary In this article an overview of physical principles of explosive trace particles detection, especially during routine checking of persons, baggage, mail and cars, are described. These explosive detectors especially include gas chromatography, electron capture detection, ion mass spectroscopy and mass spectrometry. Some limitations are pointed out. Cheap multiple electrochemical sensors located at critical infrastructures and optical methods for stand-off detection are mentioned too. Key words: explosives detection; trace particles; MS; IMS; GC; ECD Úvod Teroristické a kriminální útoky pomocí výbušnin představují jedno z největších bezpečnostních rizik. Jedním z technických prostředků jejich včasného odhalení jsou detektory stopového neboli malého množství výbušnin. Detektory stopových částic se v současnosti používají především při bezpečnostních prohlídkách osob, zavazadel, zásilek nebo vozidel. Zároveň je velká pozornost věnována vývoji malých, laciných, ale selektivních a citlivých detektorů pro ochranu kritických infrastruktur a optických metod pro detekci stopových částic výbušnin z odstupu. Detektory výbušnin pro kontrolu osob, zavazadel a zásilek odebírají vzorky buď nasáváním par z okolí kontrolovaného objektu, nebo stěrem jeho povrchu. Vlastní analyzační část je založena na mnoha různých principech jako chemické metody, spektrometrie pohyblivosti iontů (IMS), různé kombinace (duální) plynové chromatografie (DGC), předselekce polopropustnou membránou, předkoncentrace na speciálních površích, detekce elektronového záchytu (ECD), hmotnostní spektrometrie (MS) či biodetekce apod. Analyzujme si některé z nich. Metody „mokré“ chemie Detekce výbušnin chemickou reakcí, klasickou "mokrou" chemií je pro cenovou dostupnost stále dosti používanou metodou. Tyto prostředky mají nejčastěji formu soupravy činidlových roztoků nebo sprejů. Systémy bývají založeny na barevných reakcích s takovými sloučeninami jako TNT, RDX, HMX, PETN, TETRYL, některé i s anorganickými nitráty a chloridy, které se nacházejí ve výbušninách jako dynamit, bezdýmové prachy, plastické trhaviny, amonity atd. Citlivost bývá řádu 10-7 až 10-8 gramů. Tyto detekční soupravy jsou zamýšleny spíše pro detekci a předběžnou identifikaci - prokázání, že daná látka určitý druh výbušniny nebo spíše skupinu druhů obsahuje).

1

plk. doc., RNDr., Ph.D., Policejní akademie ČR v Praze, Lhotecká 559/7, P.O.Box 54, 143 01 Praha 4, e-mail: [email protected]

107

Tenkovrstvá chromatografie je detekční metoda založená na různém postupu jednotlivých druhů molekul analyzované látky chromatografickým proužkem. Existují různé verze, ale chromatografický proužek je obyčejně konjugován danou protilátkou, která se specificky váže právě s daným druhem molekul výbušniny. Přes speciální zadržovací zónu se pak k detekční zóně dostane pouze protilátka vázající se s výbušninou a způsobí zde zbarvení. Nevýhodou je jednorázové použití a malé analyzační schopnosti. Fyzikální metody Základem velkého počtu detektorů výbušnin na fyzikálním principu, u starších typů to platí téměř výhradně, je detektor elektronového záchytu (Electron Capture Detector ECD). Nutno předeslat, že podstatnou částí těchto detektorů jsou též různé způsoby předselekce nebo předkoncentrace molekul výbušnin (nebo kombinace obou způsobů v sérii). Detektor elektronového záchytu či spíše detektor záchytu elektronů je komůrka, kterou protéká nosný plyn unášející s sebou i částečky výbušnin. Jako nosný plyn slouží někdy argon, ale i helium. V detektorech je nosný plyn nejdříve ionizován∗ a pak protéká mezi dvěma elektrodami, mezi nimiž je stejnosměrné napětí. Ionty nosného plynu a jimi uvolněné elektrony způsobují určitý svodový proud mezi elektrodami. Ten je také měřen. Případná přítomnost nitridů výbušnin, které mají všechny vysokou elektronovou afinitu, způsobí rychlou absorpci volných elektronů poskytnutých nosičem a tímto i redukci proudu detektorem. Předselekce polopropustnou membránou je velmi často využívanou pomocnou metodou. Nasávaný vzduch s organickými molekulami hledaných látek proudí kolem speciální polopropustné membrány. Povrchová adsorpce organických molekul na povrchu polymerové polopropustné membrány je daleko vyšší než je tomu například u dusíku či kyslíku, hlavních složek vzduchu. Tyto organické molekuly pak, vzhledem k rozdílným parciálním tlakům na obou koncích membrány, difundují skrz membránu a jsou strhávány nosným plynem do detektoru. Částice prachu skrz membránu, vzhledem ke své velikosti, neprojdou vůbec. Polopropustné membrány z moderních materiálů s vysoce selektivní povrchovou adsorpcí nacházejí uplatnění jako pomocný prostředek předselekce organických molekul u moderních detektorů na bázi plynové chromatografie, spektrometrie mobility iontů a dokonce i hmotnostní spektrometrie, kde zároveň redukují tlak. Další často využívanou pomocnou metodou je předkoncentrace sorpcí na speciálním povrchu (s následnou tepelnou desorpcí). Nasávaný vzduch s organickými molekulami hledaných látek proudí po určitou dobu kolem wolframového (platinového) vlákna (či mřížky) s povrchovou vrstvou ze speciálního materiálu s vysokým stupněm sorpce zájmových molekul, většinou molekul obsahujících většinou nitroskupinu. Pak je kolem vlákna a dále přes vlastní detektor hnán nosný plyn za současného žhavení vlákna. To má za následek to, že dříve nasorbované zájmové molekuly jsou tepelně desorbovány a strhávány nosným plynem do detektoru. Předkoncentrace sorpcí na speciálních površích z moderních materiálů (s následnou tepelnou desorpcí) nachází uplatnění jako pomocný prostředek předkoncentrace organických molekul u moderních detektorů na bázi plynové chromatografie či hmotnostní spektrometrie. Plynová chromatografie (Gas Chromatography - GC) je separační metoda pro analýzu složení látek, značně rozšířená po celém světě v mnoha různých podobách. Touto metodou může být analyzována většina sloučenin s bodem varu menším než asi ∗

K ionizaci slouží naprosto nejčastěji proud beta částic z tabletky radioizotopu Někdy slouží k ionizaci molekul nosného plynu místo toho vysoký gradient elektrického potenciálu utvořený kolem špičky ionizační jehly, na níž je přivedeno vysoké napětí (3 – 4 kV) a jejíž hrot se nachází uprostřed přívodní trubice.

108

250° C. Typické doby analýzy u laboratorních přístrojů činí 10 až 30 minut, což je pro bezpečnostní detektory nepřijatelné. U nich se doba analýzy pohybuje v rozmezí zhruba 3 až 30 sekund. I pro detekci výbušnin či drog se využívá několik podob plynové chromatografie. Vždy je však odebraný vzorkový materiál strháván nosným plynem (nějaký inertní plyn) a spolu s ním vstupuje do vyhřívané separační kolony naplněné sorbentem, kde se směs rozděluje na jednotlivé složky podle jejich charakteristických rychlostí proudění. U detektorů výbušnin a drog je separační kolona tvořena tenkou kapilárou se sorbetem na vnitřních stěnách (či dvěma kapilárami - dual GC a různými sorbenty), která klade proudění značný odpor, který je ale různý pro různé složky. Okamžik vstupu vzorku do kolony je buďto řízen přesným dávkovačem nebo přesně časově zjištěn. Na konci kolony je pak nějaký typ vlastního detektoru, například detektor elektronového záchytu (ECD) nebo chemiluminescentní detektor∗ (Chemiluminescence - CL). Citlivost bývá méně než 1 částice v 1014. Často za kolonami plynové chromatografie následuje jako analyzátor-detektor spektrometr mobility iontů (GC/IMS) nebo hmotnostní spektrometr (GC/MS). V tomto případě pak plynová chromatografie slouží spíše jako předběžné rozdělení molekul do skupin podle rychlosti proudění pro snadnější a jednoznačnější následnou analýzu. Bližší popis těchto kombinovaných metod viz dále. Novější, ale dosti se rozšiřující metodou je spektrometrie mobility iontů (Ion Mobility Spectrometry - IMS), která při potřebné selektivnosti umožňuje vývoj malých a odolných přístrojů. Tato metoda je používána nejen pro detekci při bezpečnostních prohlídkách, ale často pyrotechnickými odděleními kriminalistických ústavů jako nosná pro detekci i identifikaci výbušnin∗∗, proto ji budeme věnovat trochu více pozornosti. Vzduch obsahující analyzované stopové částice proudí (u některých verzích spolu s přidávaným reakčním plynem) přes vstupní část detektoru. Zde probíhá ionizace, většinou slabým radioaktivním zářičem. Z reakčního plynu, vodních par apod. tak vznikají různé, tzv. reakční ionty. Ty zase reagují s přicházejícími molekulami detekovaných látek a vytvářejí tzv. produkční ionty. Srážky s okolními částicemi vedou k tomu, že se jak kladné, tak záporné ionty formují do skupinek o různé pohyblivosti. Vstupu iontů do vlastní driftové oblasti (driftové trubice) brání elektronická brána - elektricky nabitá vstupní mřížka. Spektrometry pohyblivosti iontů mívají dva operační módy - mód pro záporné ionty výbušnin a mód pro kladné ionty drog. U nejnovějších přístrojů se i mód pro kladné ionty využívá pro podpůrné informace pro identifikaci iontů výbušnin. Brána je otevírána v předem určených intervalech na velmi krátkou dobu (zhruba 200 µs). Při jejím otevření jsou ionty strhávány a urychlovány silným elektrostatickým polem driftovou oblastí při atmosférickém tlaku proti proudu driftového plynu k elektrodě kolektoru. Při své cestě se však srážejí s molekulami proti proudícího driftového plynu - suchého vzduchu. Jsou tedy zapotřebí dvě čerpadla - jedno pro nasávání vzorku a druhé pro pohánění driftového plynu. Všechny ionty jsou urychlovány stejně silným elektrickým polem, na stejném úseku své volné dráhy tedy získají stejnou energii. Protože však mají různé hmotnosti, budou mít i různé rychlosti. Kombinace různých zrychlení a srážek s molekulami driftového plynu má za následek i různé výsledné rychlosti proudění a skupiny jednotlivých druhů iontů dosáhnou kolektoru v různých časech t. Každý druh iontu má svou iontovou pohyblivost K:

∗

∗∗

V komoře chemiluminiscentního detektoru je k proudu plynů přidáván ozón (O3). Kysličník dusnatý NO reaguje s ozónem O3 na excitovaný kysličník dusičitý NO2*. Ten pak vzápětí přechází do základního, neexcitovaného stavu NO2 a emituje přitom infračervené záření (600 až 1 800 nm). Toto záření je přes infračervený filtr detekováno a zesilováno citlivým fotonásobičem i analýze povýbuchových zplodin apod.

109

K = rychlost iontů / intenzita el. pole = v / E = (l / t) / (U / l) = I2 / (U . t) kde l je délka driftové trubice a U je urychlující napětí. Kolektorový proud je zesilován a jeho velikost jako funkce času odpovídá množství iontů dopadajících na kolektor v daný okamžik. Tato závislost bývá nazývána plazmagramem. Driftový čas iontů se pohybuje v rozmezí přibližně 5 až 20 ms. Přesná identifikace, přesné určování časové polohy píků, bývá zajištěno vnitřním kalibrantem. Doba analýzy obyčejně nepřesahuje 5 sekund. Udávaná citlivost se pohybuje kolem nanogramu až stovek pikogramů. Velice však záleží na podmínkách při odběru vzorků. Selektivita se pohybuje kolem 1 %. Některé přístroje koncentrují ionty vznikající v době uzavření elektronických vrat v elektrickém lapači. Tím se zvyšuje citlivost systému. Metodu pak nazývají zachycovací spektrometrií pohyblivosti iontů (Ion Trap Mobility Spectrometry ITMS). Přítomnost vodních par by mohla celý plazmagram posunout. Toto se řeší vysoušením nasávaného vzduchu, kdy se tento vzduch nasává přes "molekulové síto" zeolitové kuličky∗. I spektrometrie mobility iontů bývá někdy kombinována s předselekcí polopropustnou membránou nebo s duální plynovou chromatografií. Výkonné spektrometry pohyblivosti iontů se solidním počítačovým zpracováním si může uživatel sám naprogramovat na nové druhy zájmových látek. V tomto případě si ale musí danou látku předem zaopatřit, změřit plazmagram této látky (či spíše nějaké její rozhodující složky) a uložit ho do paměti přístroje. V paměti může být zaneseno hodně druhů látek, v daný okamžik mohou dnešní přístroje založené na spektrometrii pohyblivosti iontů současně detekovat pouze značně omezený počet druhů látek∗∗. Hmotnostní spektrometrie (někdy též hmotová spektrometrie Mass Spectrometry MS) umožňuje v podmínkách vysokého vakua∗∗∗ měřit parciální tlaky zbytkových plynů, které pro potřeby měření nejdříve ionizuje. Z výsledného hmotnostního spektra můžeme analyzovat látkové složení výchozích vzorků. Tato metoda je považována za vrchol v oblasti kriminalistické analýzy látek a má obecně největší předpoklad schopnosti vzájemného rozeznání simulátoru a originální výbušniny. Hmotnostní spektrometrie v oblasti detekce výbušnin a drog je dnes nejčastěji založena na kvadrupólových hmotnostních spektrometrech. Jejich základem je kvadrupólový hmotnostní filtr, což je soustava čtyř podlouhlých rovnoběžných elektrod, z nichž na dvě a dvě se vkládá stejnosměrné napětí a přes něj se překládá vysokofrekvenční střídavé napětí: U = U0 + U1 cos (ω t). Z iontového zdroje vstupují do prostoru mezi elektrodami ionty ve směru rovnoběžném s osou elektrod. Z daného geometrického uspořádání elektrod a průběhu napětí se matematickým výpočtem získají dráhy iontů prolétajících mezi elektrodami. Ty mají obecně oscilační charakter s narůstající amplitudou. Stabilní dráhu mají a hmotnostním filtrem proletí a na výstupu z filtru jsou tedy v daný okamžik detekovány pouze ionty dané hmotnosti (přesněji daného měrného náboje e/m), jejíž hodnota odpovídá charakteristice napětí na elektrodách v daný čas. Velkou předností těchto spektrometrů je to, že ionty vstupující do spektrometru mohou mít různé energie (na ní nezáleží). Pomocí změn napětí ∗

∗∗ ∗∗∗

Zeolity jsou přírodní či dnes spíše uměle připravené látky, jejichž hlavním stavebním kamenem je kysličník křemičitý a hlinitý a jejichž molekuly tvoří krystalickou strukturu s prázdnými prostory zcela přesného tvaru. Způsobem přípravy umělých zeolitů lze dosáhnout nejrůznějších velikostí kanálků a komůrek. Zeolity vynikají velkým vnitřním povrchem kanálků a tím velkou sorpční kapacitou. Jsou jimi ovšem sorbovány jen molekuly, jejichž velikost není větší než rozměr kanálků (odtud název molekulová síta). Po nasycení molekulového síta vodou je možno ho odplynit zahřátím, například v mikrovlnné troubě. Např. pouze 5 apod. Vysoké vakuum znamená tak nízký tlak, koncentraci částic, že částice, jako atomy, molekuly, ionty a elektrony létají od jedné stěny aparatury ke druhé, jejich vzájemné srážky v prostoru můžeme zanedbat.

110

můžeme postupně "projet" celé spektrum. Získané hmotnostní spektrum (v praxi dvě či hned více různých spekter - viz níže) pak analyzuje výkonný počítač - musí zjistit, z jakých základních spekter je složeno. Základní spektra široké palety látek má počítač ve své paměti. Pro detekci iontů vylétávajících z filtru se používají, alespoň u modernějších přístrojů, dynody a následný proud vyražených elektronů je zesilován kanálkovým násobičem a dopadá na anodu. Důležitou součástí hmotnostních spektrometrů jsou iontové zdroje, kterých existuje více typů, jejich popis by však přesahoval rámec studie. Je ale nutné poznamenat, že zatímco dva přístroje na různých principech vlastní hmotnostní spektrometrie (ale se stejným iontovým zdrojem) by měly dát vždy stejný tvar hmotnostního spektra, tak dva přístroje s iontovými zdroji odlišných principů dají spektra odlišná. Příčinou je odlišná fragmentace analyzované látky na ionty. Pro zvýšení analyzačních schopností se používají dva (MS/MS) či tři hmotnostní spektrometry pracující v sérii. Prvním hmotnostním filtrem v daný okamžik (dle právě nastavených charakteristik jeho elektrického pole) projdou pouze ionty dané hmotnosti. Protože jejich přímá registrace v tomto bodě by ještě nevedla vždy k jednoznačnému určení druhů výchozích látek, putují tyto ionty dále do fragmentační komory. Zde jsou bombardovány částicemi pomocného plynu a rozbíjeny tak na typické skupiny tzv. dceřiných iontů. Ty pak putují do druhého hmotnostního spektrometru, který zjišťuje poměrné množství dceřiných iontů jednotlivých hmotností. Tato informace pak umožňuje podstatně přesněji určovat druhy analyzovaných látek, včetně výbušnin. Pokud není zrovna na závadu poněkud delší doba měření, tak se hmotnostní spektrometrie většinou doplňuje o předselekci molekul pomocí plynové chromatografie (GC/MS). Vzhledem k různé rychlosti proudění pak na konci kapiláry vystupují jednotlivé druhy (skupiny druhů) molekul postupně. Vzhledem k tomu, že následující hmotnostní spektrometr "projede" celé spektrum v čase kratším dvou sekund, získáme tak spektra jednotlivých skupin látek, což se daleko lépe interpretuje. Pro oddělení vysokovakuové části od atmosférického tlaku se používají buď polopropustné membrány nebo velice uzoučké štěrbiny, kladoucí proudění veliký odpor. Celkový proud plynů přes membránu je tak malý, že pro jeho odčerpávání stačí iontově sorpční vývěva, která nemá předčerpávání. Ve druhé variantě je sice nutná výkonnější turbomolekulární vývěva předčerpávaná například membránovou vývěvou, ale takováto kombinace vývěv nám prakticky neovlivní měření zpětným proudem plynů a na štěrbinovém otvoru neprobíhá (někdy nežádoucí) selekce molekul jako na polopropustné membráně. Navíc jsou i pro svoji odolnost poměrně vhodné pro čerpání chemicky agresivních látek. Schopnost měření agresivních látek ale možnosti přípravy imitací příliš neovlivní, protože, jak se ukázalo při jejich konstrukci, musely být některé jinak velmi vhodné složky imitací vyloučeny z použití právě pro svoji zvýšenou chemickou agresivnost vůči ostatním složkám. Modernější než klasický kvadrupólový hmotnostní spektrometr je hmotnostní spektrometr s iontovou pastí (Ion-Trap Mass Spectrometer). Iontová past je vytvářena zvláštním rádiofrekvenčním elektromagnetickým polem, které zabraňuje iontům prostor pasti opustit. Celkové pole se skládá z prstencovitého kvadrupólového RF pole prstencové elektrody, dipólového RF pole na výstupu a elektrodynamické brány na vstupu. Proces probíhá ve dvou fázích. Během první, akumulační fáze je elektrodynamická brána otevřena a ionty z iontového zdroje vlétají do pasti a jsou zde akumulovány. Pro zbrzdění a tím i pravděpodobnější polapení injektovaných iontů obsahuje past plyn helia o tlaku ≈ 10-1 Pa (někdy plyn argonu). Injektované ionty ztrácejí svoji kinetickou energii srážkami s atomy helia. Doba akumulace iontů je podle síly iontového paprsku měněna od 0,1 ms do 1 s.

111

Během druhé fáze, fáze analýzy, je nejdříve zavřena vstupní elektrodynamická brána a pak se postupně zvětšují amplitudy jak kvadrupólového, tak dipólového pole a tím se zvětšují i oběžné dráhy polapených iontů. Záleží ale opět na jejich hmotnosti (měrném náboji e/m). Ionty jsou z pasti, skrz výstupní dipólové RF pole, injektovány a následně detekovány postupně, se vzrůstající hmotností. Doba vlastní analýzy je krátká, až jenom 50 ms. Jediná iontová past umožňuje provádět nejen MS/MS měření, tedy hmotnostní spektrometrii dceřiných iontů (vzniklých fragmentací rodičovských), ale i MS n (běžně n ≤ 6), tedy hmotnostní spektrometrii dceřiných iontů dalších pokolení, vzniklých vždy fragmentací předcházející generace. To se provádí tak, že po fázi akumulace se z pasti injektují ven ionty všech hmotností vyjma iontů zvolených býti rodičovskými. Rodičovské ionty jsou pak urychleny a usměrněny elektromagnetickým polem ke koncovému víčku pasti, kde se srážejí s atomy helia a jsou tak disociovány - rozděleny na ionty dceřiné. Ty jsou pak už známým způsobem soustředěny v centru pasti, skenovány a detekovány nebo se i mezi nimi zvolí skupina určité hmotnosti pro tvorbu další generace atd. Oproti klasickým kvadrupólovým hmotnostním spektrometrům má hmotnostní spektrometr s iontovou pastí řadu výhod. Protože pracuje při vyšším tlaku, není zapotřebí drahé vysokovakuové techniky, má vyšší rychlost skenování, lepší rozlišení i citlivost, větší rozsah měřených hmotností a hlavně možnost měření MS n, tedy lepší analytické schopnosti. Systémy s hmotnostní spektrometrií se obecně vyznačují velmi vysokou citlivostí a rozlišovací schopností. Množství druhů určovaných látek je vysoké, což velice omezuje plané poplachy. A přitom ani hmotnostní spektrometry nejsou metodou absolutní. Obecné problémy detektorů stopových částic s odběrem vzorků málo těkavých látek (plastické výbušniny) samozřejmě zůstávají. Vzhledem k různým ztrátám a složitému překrývání jednotlivých složek v hmotnostním spektru nejsou hmotnostní spektrometry schopny určit vzájemné poměrné zastoupení základních prvků organických látek (výbušnin) – vodíku, kyslíku, uhlíku a dusíku. Síťové systémy elektrochemických (elektrobiologických) senzorů Výše popsané, v současnosti poměrně rozšířené a citlivé detektory stopových částic výbušnin pro bezpečnostní prohlídku osob, zavazadel, zásilek a vozidel jsou založeny na různých fyzikálních principech spočívajících v selekci molekul analyzované směsi plynů a par podle rychlostí a drah pohybu těchto molekul∗. Tyto systémy jsou sice citlivé a selektivní, ale bohužel též poměrně rozměrné a především dosti drahé∗∗. Proto je nyní velká pozornost výzkumných aktivit zaměřena vývoj malinkých a laciných vysoce citlivých elektrochemických (elektrobiologických) senzorů pro detekci par především výbušnin (ale i chemických a biologických látek). Na speciální detekční povrchy těchto senzorů jsou vyhledávané molekuly vázány na chemickém nebo biochemickém principu. Množství takto navázaných molekul je pak pomocí měření na fyzikálním principu převedeno na elektrický signál. Je zapotřebí docílit toho, aby doba odezvy těchto elektrochemických senzorů byla

∗

∗∗

Například plynová chromatografie (GC – Gas Chromatography) provádí selekci molekul podle jejich rychlosti pohybu v tenkých kapilárách, nejrozšířenější spektrometrie pohyblivosti iontů (IMS – Ion Mobility Spectrometry) nejdříve molekuly ionizuje a pak měří rychlost pohybu těchto iontů urychlovaných elektrostatickým polem v protiproudu plynu, hmotnostní spektrometrie (MS – Mass Spektrometry) též molekuly nejdříve ionizuje a pak měří dráhy vzniklých iontů ve složitých elektromagnetických polích ve vysokém vakuu. Cena dobrých ručních a stolních přístrojů se pohybuje v relacích 1,5 – 2 milióny Kč.

112

menší než 2 sekundy a především velmi náročného požadavku citlivosti alespoň pod 1 ppb∗ a pokud se mají detekovat i plastické výbušniny, tak citlivosti pod 1 – 10 ppt∗∗. Tyto laciné senzory mohou být základem detekce výbušnin v konvenčních rámových systémech, v laciných ručních detektorech, ale především se s nimi počítá pro celé sítě čidel detekujících výbušniny a jiné nebezpečné látky. Tyto čidla mají být rozmístěna v různých místech kritických místech budovy (objektu), podobně jako klasická čidla EZS nebo EPS. Typicky vhodnými místy umístění těchto čidel na výbušniny jsou vchody, výtahy, eskalátory apod. Molekulově vtištěné polymery (MIP – Molecular Imprinted Polymers) – polymery s mikropóry selektivně vázající jen určitý druh molekul (výbušnin – např. TNT) na svém povrchu. I nepatrný nárůst hmotnosti je registrován změnou rezonanční frekvence krystalu, kterého je polymer součástí. Senzory s oxidy kovů měří změny vodivosti způsobované adsorpčními a desorpčními procesy na povrchu čidla. Optická detekce stopových částic výbušnin z odstupu Pokročilé integrované řídící a bezpečnostní systémy budov by měly též zahrnovat systém schopný v chodbách a halách budovy nebo v těsné blízkosti budovy vyhledat a přesně určit osobu mající střelnou zbraň ukrytou pod oděvem a především výbušninu (či chemickou bojovou látku) ukrytou pod oděvem či v příručním zavazadle. Tento problém mohou vyřešit systémy optické detekce stopových částic výbušnin∗∗∗ z odstupu. Při těchto metodách je těsné okolí kontrolované osoby a jejího zavazadla z odstupu ozařováno světelným paprskem (dle druhu použité metody v různých částech elektromagnetického spektra) a je detekován a spektrálně analyzován světelný signál přicházející zpět z kontrolovaného prostoru. Pro tento účel jsou použitelné například metody jako Ramanova spektrometrie, fluorescence, infračervená absorpce nebo Spektroskopie laserem vybuzeného plazmatu (LIBS - laser induced breakdown spectroscopy). Tyto optické metody detekce výbušnin z odstupu by umožnily nenápadné a spolehlivé odhalení sebevražedných útočníků s určitým předstihem. Závěr Detektory stopových částic výbušnin nejsou vůbec pouhými předběžnými analyzátory fyzicky nalezeného materiálu podezřelého z toho, že se jedná o výbušninu či drogu. Naopak pomáhají obsluze při kontrole objektů najít případně ukryté výbušniny či drogy nebo i upozornit na to, že v poslední době, třeba i před několika dny, přišel kontrolovaný objekt do styku s těmito zájmovými látkami. Například osoba manipulující s výbušninou či drogou má mikroskopickými zbytečky těchto látek kontaminovány ruce. Tyto zbytky by byly druhý den pravděpodobně detekovány, i kdyby si mezi tím umyla ruce. Hlavní věc je, že pokud nebude

∗

∗∗ ∗∗∗

Parts per billion; 1 částice v 109; tj. koncentrace, kdy na jednu částici daného druhu připadá 109 částic jiných druhů. Pro označování koncentrací je zažito ppb, kde „b“ znamená americký billion, který znamená evropskou (tj. ve většině evropských zemích jako v Česk, na Slovensku, obyčejně i v Anglii) miliardu (milliard). Parts per trillion; 1 částice v 1012; americký trillion je roven evropskému biliónu. Evropský trilión činí 1018 Jednou možností je optická objemová detekce výbušnin z odstupu pomocí spřažení tří fyzikálních principů do systému na motoricky otočné hlavici a to klasické CCTV kamery, kamery v milimetrovém pásmu a aktivního senzoru pracujícího v terahertzovém pásmu elektromagnetického spektra.

113

mít k dispozici špičkový detektor, nebude mít nikdy jistotu, kde všude zůstaly nebo kam se dostaly detekovatelné mikročástice nebo kudy, u těkavých látek, unikají výpary. Literatura [1] [2] [3] [4] [5]

[6] [7] [8] [9] [10]

[11]

[12]

Barringer Instruments Ltd., 1730 Aimco Boulevard, Mississauga, Ontario, L4W 1V1 Canada, www.barringer.com Bruker Franzen Analytik, GmbH, Fahrenheistr. 4, D-28359 Bremen, tel.(0421) 22 050, fax(0421) 22 05-100, www.bruker.de, www.bruker.com IDS, Intelligent Detection System Inc., 152 Cleopatra Drive, Nepean, Ontario, K2G 5X2, www.idsdetection.com, www.tracedetection.com Ion Track Instruments, 340 Fordham Road, Wilmington, MA 01887, USA, www.iontrack.com Kemp, M. Baker, C. Gregory, I. Stand-off Explosives Detection Using Terahertz Technology. In Schubert, H. Rimski-Korzakov, A. (eds) Stand-off Detection of Suicide Bombers and Mobile Subjects. –NATO Security through Science Series, Springer, Netherlands, 2006, p.151-165, ISBN 1-4020-5158-1 Millimetrix, 100 Venture Way, Hadley, MA 01035, www.milivision.com Rogers, K. Air Piracy – Hijacking Aircraft. The Journal of Prohibited & Concealable Weapons. 2000, jaro, č. 1, s. 6 Smiths Detection, 30 Hook Mountain Road, Pine Brook, NJ 07058, USA, www.smithsdetection.com TeraView Ltd., Platinum Building, St John's Innovation Park, Cowley Road, Cambridge, CB4 0WS, www.teraview.com TURECEK, J. Technical Masking of Improvised Explosive Devices. In Schubert, H.Kuznetsov, A. (eds) Detection and Disposal of Improvised Explosives. - NATO Security through Science Series, Springer, Netherlands, 2006, s. 131 – 142, ISBN 14020-4885-8 TUREČEK, J. Technické prostředky bezpečnostních služeb II - Detektory pro bezpečnostní prohlídku osob, zavazadel a zásilek, 1. vyd., Praha: PA ČR, 1998. 100 s. ISBN 80-85981-81-5 TUREČEK, J. Výcvikové metody obsluhy, optimální kombinace a způsoby použití detektorů zbraní, nástražných výbušných systémů a drog pro bezpečnostní prohlídky osob, zavazadel a zásilek: Závěrečná výzkumná zpráva. Praha: Policejní akademie ČR, 2002 [obhájeno 29.1. 2002] 65 s.

Resume Recent terrorist attacks in last few years have remembered the importance of explosive detection. The reliable detection of explosives is not only airport´s problem. It is the matter of all important building and places. In this article an overview of physical principles of explosive trace particles detection, especially during routine checking of persons, baggage, mail and cars, are described. Typical contemporary trace particles detectors for security checking take samples by vacuuming of vapors from the vicinity of the controlled object or by wiping its surface. The analysis part itself consists in a lot of different principles as chemical and physical methods and their mutual combinations. These explosive detectors especially include electron capture detection (ECD), (dual) gas chromatography (GC), preselection by a semipermeable membrane, various preconcentrations on special surfaces, ion mass spectroscopy (IMS) and effective but rather expensive mass spectrometry (MS).

114

Electron capture method detects substances that strongly capture thermal electrons. Gas chromatography (dual gas chromatography) uses the think capillary (two capillaries) in which the carrier gas with vapors of explosive and other substances moves inside with different velocities. In the ion mass spectroscopy analyzed vapors are ionized and drifted against stream of an inert gas by an external electric field to a collector. Ions are sorted according their mobility. In mass spectrometry analyzed ions are sorted by electromagnetic field in a quadrupole filter according their charge-to-weight ration. Some limitations are pointed out. Vapor detectors have problems to find the explosives with insufficient tension of their vapors or tightly sealed IED (Improvised Explosive Devices). Cheap multiple electrochemical sensors (Molecular Imprinted Polymers) located at critical infrastructures and optical methods (Laser Induced Breakdown Spectroscopy, absorption methods, Raman spectroscopy, fluorescence methods) for stand-off detection are mentioned too. Detectors of trace particles of explosives are powerful instruments for finding of concealed improvised explosive devices.

115

116

Miluše VÁCHOVÁ1 BEZPEČNOST VODÍKOVÝCH SYSTÉMŮ THE SAFETY OF HYDROGEN SYSTEMS Abstrakt Vedle klimatických změn je energetická bezpečnost jedním z nejzávažnějších problémů světa. Zásoby fosilních paliv nejsou nevyčerpatelné. Vodík patří spolu s biopalivy a elektřinou k nejslibnějším palivům, která by v budoucnosti měla v oblasti dopravy nahradit ropu a snížit znečištění ovzduší a emisí oxidu uhlíku způsobených spalováním fosilních paliv. Abstrakt Beside climatic changes, the enrgy security is one of the most significiant world problem. Resources of fosil fuel are not inexhaustible. Hydrogen along with biofuel and elektricity are the most promising fuel for future. Suppose hydrogen will substitute oil in the field of transportation and will mitigate air pollution. Klíčová slova: Bezpečnost a ochrana zdraví, standardy, vodík, vodíkové technologie, fosilní paliva, motorová vozidla. Úvod Podle zdroje Mezinárodní energetické agentury (IEA) činí roční světová spotřeba ropy 3,8 miliardy tun. Energie z fosilních zdrojů se podílí na globálním energetickém trhu 87 %. Vedle klimatických změn je energetická bezpečnost jedním z nejvážnějších problémů světa. Podle zveřejněné prognózy v roce 2007 (World Energy Outlook 2007) by mohlo dojít do roku 2015 k prudkému poklesu těžby ropy a s tím samozřejmě k eskalaci cen. Hlavním důvodem je především rostoucí poptávka, hlavně v Číně, Indii a středovýchodních zemích. Dalším důvodem je prudký pokles těžby na existujících ropných polích a to o 3,7 až 4,2 % ročně. Posledním důvodem je stav zásob fosilních paliv, které nejsou nevyčerpatelné. Hodnoty zásob jsou však málo transparentní. Není tajemstvím, že odhady ropných rezerv na Středním východě jsou téměř o 50 % nadhodnoceny. Růst světové populace a stoupající prosperita obyvatel zeměkoule jsou dva hlavní faktory, které přímo ovlivňují globální energetickou situaci. Dostupnost energetických zdrojů je klíčem nejenom k prosperitě lidstva všeobecně, ale je především klíčem k ekonomické a politické stabilitě zemí. Vyspělé státy jsou k intenzivnímu výzkumu využití alternativních zdrojů energie tlačeny zejména geopolitickou situací. 70 % dovozu ropy pochází ze zemí, které představují bezpečnostní riziko. Obnovitelné zdroje Vodík patří spolu s biopalivy a elektřinou k nejslibnějším palivům, která by v budoucnosti měla v oblasti dopravy nahradit ropu a snížit znečištění ovzduší a emisí oxidu uhlíku způsobených spalováním fosilních paliv zejména v dopravě. Vodík je jako nosič 1

Ing., VŠB – Technická univerzita Ostrava, Fakulta bezpečnostního inženýrství, Katedra bezpečnostního managementu, Lumírova 13, 700 30 Ostrava - Výškovice, e-mail: [email protected]

117

energie univerzálně použitelný, lze jej vyrobit nejrůznějšími způsoby z různých zdrojů, lze jej přepravovat a skladovat. Vodík může přinést na trh obnovitelné energie, ale může být zařazen i do tradičního systému. Možnost vyčerpání fosilních paliv v blízké budoucnosti činí z vodíku strategickou surovinou. Zásoby vodíku ve vodě jsou téměř nevyčerpatelné. Vodík má vysokou hustotu energie (vztaženo na jednotku hmotnosti). Z hlediska životního prostředí je spalování vodíku čistší než spalování fosilních paliv, vznik vody není provázen toxickými sloučeninami ani skleníkovými plyny. Vodík představuje trvale udržitelný a obnovující se energetický zdroj. Vodík jako benzín budoucnosti Mobilita lidstva je přímo spojena s ropou a zatím je ropa nenahraditelným druhem paliva. Vodík je velice perspektivní zdroj energie pro pohon vozidel, ale spíše než jeho přímé spalování v motoru, předpokládá se využití vodíku v palivových článcích, které bez emisí produkují elektřinu a zároveň teplo. Z mnoha konstrukčních typů současných palivových článků se pro pohon aut jeví jako nejvhodnější články PEMFC, které místo tekutého elektrolytu obsahují polymerovou membránu. Místo čistého vodíku se používá metanol, který lze poměrně jednoduše vyrábět synteticky. Metanol se před vstupem do palivového článku upravuje na plyn s vysokým obsahem vodíku. Palivový článek pracuje s 50 - 80 % účinností a elektrický proud zde vzniká reakcí vodíku s kyslíkem. Odpadem je pouze vodní pára. I když je využití vodíku v dopravě velmi perspektivní, zatím je drahé. Vodík je nejhojnější látkou ve vesmíru i na naší planetě, je však vždy vázán v nějaké sloučenině a jeho oddělení vyžaduje energii. Takže vodík je nutno vyrábět. Ke skutečnému zlomu, který umožní nasazení vodíkových technologií v širokém měřítku, by mohlo dojít až v horizontu 15 - 20 let. Výroba vodíku je zatím 4x dražší než výroba benzínu nebo nafta a výroba vodíkových palivových článků je nyní 10x dražší než výroba současných spalovacích systémů. Ekonomickou slabinou je vysoká cena katalyzátorů z drahých kovů. Samotná výroba není jediným problémem. Velké investice si vyžádá i skladovací infrastruktura vodíku a vodíkových plnicích zařízení, která by zajistila dostupnost podobně jako současná síť čerpacích stanic na benzín s lehkými nádržemi bez tlaku. Vlastnosti vodíku Čistý vodík je téměř bezbarvý, bez chuti a zápachu. Je netoxický. Může však způsobit dušení. Následkem vdechování vodíku může dojít i ke vzniku hořlavé směsi v těle. Působením vodíku na kovové materiály dochází k fenoménu známému jako vodíková křehkost. Nejméně odolné jsou vůči křehnutí nízkolegované oceli. Železo se rozrušuje vodíkem nejenom při jeho elektrolytickém vylučování na povrchu kovu, ale i účinkem molekulárního vodíku při vyšších teplotách a tlaku. Vodík difunduje do kovu a zeslabuje kovovou mřížkovou strukturu. Při teplotách blízkým okolní teplotě je řada kovových materiálů citlivá na vodíkovou křehkost, zejména těch, které mají kubickou krystalickou mřížku. Při teplotách nad 473o C mnoho nízkolegovaných ocelí může trpět jiným fenoménem známým jako vodíkový útok (napadení). Je to nereversibilní znehodnocení ocelové mikrostruktury způsobené chemickou reakcí vodíku a částmi uhlíku v oceli, které mají za následek tvorbu metanu. Molekuly plynného vodíku jsou menší než molekuly všech ostatních plynů a mohou prostupovat mnoha materiály, které jsou vzduchotěsné nebo nepropustné pro jiné plyny.

118

Tato vlastnost zhoršuje schopnost sladování vodíku oproti ostatním plynům. Ú kapalného vodíku dochází k velmi rychlému vypařování, neboť bod varu je extrémně nízký. Vodík je ve směsi se vzduchem hořlavý. Nicméně malá molekulová velikost, která zvyšuje pravděpodobnost netěsnosti, má také za následek velmi vysokou rozptylnost, takže vodík se velmi rychle zředí. Výsledkem toho je značně omezená oblast hořlavosti. Vodík je výrazně lehčí než vzduch a má tendenci stoupat. Proto i při rozlití kapalného vodíku pomine nebezpečí již krátce po vypaření. Naproti tomu uniklý benzín nebo nafta se vypařuje pomalu, čímž se prodlužuje délka trvání nebezpečí požáru. Při malých netěsnostech se rozptyl vodíku ve vzduchu ještě podpoří přítomnosti proudu vzduchu, čímž klesá nebezpečí požáru. Bezpečnost vodíkových technologií Tvorba právních předpisů a standardů v oblasti bezpečnosti a ochrany zdraví při práci jsou neodmyslitelnou součástí vodíkových technologií a využití vodíku jako významného nosiče energie a paliva budoucnosti, čistého, bezpečného a efektivního energetického systému ve světě. Účinná legislativa v oblasti vodíkových technologií a využití vodíku pro komerční účely je jednou z podmínek funkčnosti vodíkového energetického systému. Zaručení bezpečnosti ve všech stádiích rozvoje vodíkových technologií a využití vodíku je cílem a předpokladem tvorby zákonů a standardů. Vzhledem k tomu, že nejnovější výzkumy v EU a ve světě se soustřeďují především na využití vodíku v dopravě jako paliva, je bezpečnost a ochrana zdraví prioritně řešena v této oblasti. Mezinárodní standard ISO/TC 197 „Vodíkové technologie“ řeší standardizaci v oblasti systémů a zařízení pro výrobu, skladování, dopravu, měření a použití vodíku. Primárním cílem tohoto standardu jsou požadavky na bezpečnost vodíkových technologií a využití vodíku jako paliva. Standard ISO/TC 197 definuje rizika spojená zejména s výrobou, skladováním a transportem vodíku. Cílem standardu je přiblížit přijatelnost vodíkových technologii jako paliva budoucnosti a to jak k tvorbě regulativů, tak ke vzdělávání široké veřejnosti. Jedinečné vlastnosti vodíku, které ho činí vhodným jako nosiče energie nebo palivo, vyžadují vhodná technická a provozní opatření k zamezení vzniku mimořádných událostí. Kombinace vlastností vodíku a jeho chování vymezuje potencionální nebezpečí, kterým čelí obsluhy. Základní rizika související s vodíkovými systémy lze kategorizovat takto: 1. riziko hoření, vznícení, exploze, 2. riziko překročení tlaku, 3. riziko spojené s nízkou teplotou, 4. vodíková křehkost, 5. působení vodíku na lidský organizmus při přímém kontaktu nebo při expozici. Tato rizika by měla být vzata v úvahu vždy při vyhodnocování rizik spojených s vodíkovými systémy. Identifikace a evaluace rizik je základním předpokladem zajištění bezpečnosti a ochrany zdraví při práci při výrobě, skladování, transportu a spotřebě vodíku. Znalost vlastností vodíku a bezpečnostních opatření je základním kriteriem pro bezpečnost vodíkových technologií a jeho využití pro komerční účely. Riziko hoření Základním rizikem vodíkového systému je jeho nekontrolovatelné hoření při jeho náhodném úniku. Vysoká pravděpodobnost úniku vodíku, vzhledem k jeho vlastnostem,

119

a následně tvorba hořlavé směsi může vést při iniciaci k uvolnění velké energie a následně k hoření nebo k explosi. Aby došlo k hoření vodíku, musí být přítomny 2 základní elementy; oxidant (např. vzduch) a zdroj iniciace (např. otevřený oheň, horký povrch, tření, statické jiskření, které je pod prahem lidského vnímání a pod). Každý z těchto elementů nezbytných k hoření reprezentuje jednu ze tří stran trojúhelníku, koncept zvaný “ fire triangl“. Směs vodíku a oxidantu je zápalná v širokém rozmezí koncentrace, tlaku a teploty. V závislosti na poměru uvolněného vodíku od zdroje, oheň se může projevit jako plamen svíce nebo jako vysokotlaká tryska. Vodíkový plamen vyzařuje podstatně méně tepla a prakticky nemá žádný visuální efekt. Na druhé straně plamen vyzařuje silné ultrafialové záření. Teplo uvolněné z hoření vodíku může být velmi destruktivní k okolí. V uzavřeném prostoru hoření vodíku ve směsi se vzduchem může mít za následek vzrůst tlaku až 8 x nad iniciační tlak. Kromě uvolněné energie a horkého plynu, je z hlediska bezpečnosti nezbytné zohlednit i tato rizika: 1. plamen vodíku je téměř neviditelný za denního i umělého světla, 2. člověk vyvíjecí se teplo při hoření vodíku fyzicky nevnímá, pokud nepřijde přímo do kontaktu s ohnivým plynem, 3. plamen vodíku je doprovázen i UV zářením. Existuje několik režimů vodíkového hoření: oheň u zdroje, náhlé vznícení, exploze. Každý z nich reprezentuje potencionální nebezpečí a záleží pouze na okolnostech, jak je vodík vystaven působení oxidantu. Vodíkový plamen za vhodných podmínek může být spalován 2 rozdílnými procesy: náhlé vznícení nebo výbuch (explose). Našim fyzikálním smyslům je explose nerozeznatelná od náhlého vznícení. S ohledem na snadnost iniciace hořlavé směsi, většina opatření k redukci rizika vznícení vodíku spočívá v separaci vodíku od oxidandu. Při standardním využití je vodík vystaven vzduchu jako všudypřítomného oxidačního činidla. Riziko vznícení Plamen při náhlém vznícení se šíří hořlavým mediem v rozmezí menším než rychlost zvuku v nehořlavém mediu. Kriteria hořlavosti při vznícení jsou stejná jako pro hoření. Přítomnost omezujícího povrchu jako např. potrubí nebo stěny tlakové nádoby mohou zvýšit tlak a zvětšit rychlost plamene na stovky m/sec v procesu známém jako plamenová akcelerace. Když plamen dosáhne vysoké rychlosti a turbulence, proces vznícení přejde v explosi. Tento proces se nazývá DDT (deflagration-to-detonation transition). Riziko exploze Proces exploze (výbuchu) se od procesu vznícení liší v tom, že tlaková vlna je integrální ke spalovacímu procesu. Výbuch se šíří v rozmezí větším než je rychlost zvuku uvnitř nehořlavého média, od 1500 do 2000 m/sec za tvorby vysokého tlaku. Výbuch potřebuje ke svému vzniku bohatší výbušnou směs a zdroj iniciace s podstatně větší energií než pro vznícení nebo hoření. Směs pevného oxidantu a kapalného vodíku může být za určitých podmínek vysoce třaskavá. Tento proces není zatím dost dobře popsán. Riziko tlaku Mnoho vodíkových zařízení obsahuje plynný vodík pod vysokým tlakem. Stlačený vodík představuje některá nebezpečí, především v souvislosti s překročení tlaku. Plynný vodík skladovaný pod velmi vysokým tlakem může mít značnou potencionální stohovací energii. Uvolněním této energie může dojít k explozi. U vodíku v kapalné fázi je nebezpečí

120

vzrůstu objemu při změně na plynný vodík a toto nebezpečí vzrůstá pro plynný vodík, který je ohříván z kapalné teploty na pokojovou teplotu. Riziko teploty Nebezpečí vzniká při ochlazování vodíku na teplotu kapalného vodíku a to zejména u materiálů. Ochlazováním dochází k dramatickým změnám specifických vlastností materiálů, jako je tažnost a tvárnost, specifická teplota a smršťování materiálu. Z bezpečnostního hlediska je nutno vzít v úvahu strukturální vlastnosti materiálů. Důsledky možného selhání z titulu změny specifických vlastností materiálu mohou mít za následek únik kapalného vodíku do vnitřního i do vnějšího systému. Vodíková křehkost Materiály nádrží, tlakových nádob nebo jiných zařízení mohou při dlouhodobém působení vodíku ztratit svoji strukturální odolnost. Dříve než vodík difunduje do kovové struktury materiálu, musí se jeho molekuly rozložit na atomy. Při teplotách blízkým okolní teplotě je řada kovových materiálů citlivá na vodíkovou křehkost, zejména těch, které mají kubickou krystalickou mřížku. Toto je problém zejména mnoha feritických ocelí, které jsou vystaveny mechanickým tlakům. Tento proces probíhá na kovovém povrchu, přednostně na povrchových defektech nebo na jiných osově stlačených bodech. Vodíková křehkost je vyvolána procesem místní plastické deformace. Nečistoty, jako například sirovodík, se rozštěpí na atomy vodíku dokonce rychleji než molekulární vodík. Zdravotní rizika Při přímém styku s plynným nebo kapalným vodíkem může dojít k místnímu znecitlivění až k mrazivému štípání. Při dlouhodobé expozici celého těla může dojít k hypotermii. Jedná se o tzv. studené popálení. Pracovníci by se neměli dotýkat studených kovových částí a měly by nosit osobní ochranný oděv. Přímý kontakt s plamenem vodíku může vést k vážným popáleninám. Vzhledem k tomu, že plamenem je téměř v denním světle neviditelný a jeho teplota téměř nevnímatelná i při těsném přiblížení se k plameni, nebezpečí popálení je o to vyšší. Vodík není jedovatý, ale riziko zadušení existuje, zvláště v uzavřeném prostoru. Bezpečnostní opatření, řízení rizik Vzhledem k vlastnostem a chování vodíku jsou bezpečnostní opatření navržena zejména v oblasti technického řešení. Nejspolehlivějším řešením je omezit činnost operátorů na minimum a plně automatizovat provoz vodíkových systémů. Automatizovaný provoz zahrnuje i dálkový monitoring kritických informací, dálkové ovládání, automatické omezování provozních podmínek (např. tlaku nebo rychlosti toku), zapnutí automatického zabezpečovacího zařízení při detekci vodíku (uzavření ventilu, uzavření nebo otevření ventilace apod.). Vodíkové systémy musí mít varovná a výstražná zařízení, která jsou nezbytná pro varování operátorů v případě jakékoliv abnormálních podmínek, špatné funkce nebo selhání.

121

Výběr vhodných konstrukčních materiálů Zařízení pro vodík musí být z vhodných materiálů pro vodík a pro podmínky, kterým je materiál vystaven. Použité materiály musí být navzájem kompatibilní a musí odpovídat podmínkám užití. Materiály používané pro vodíkové systémy mohou být jak kovové, tak nekovové. Z bezpečnostního hlediska je při výběru materiálu nutno přihlížet k vlastnostem vodíku jako je vodíková křehkost, vliv teploty, propustnost a pórovitost a kompatibilita různých materiálů, pokud jsou společně použity. Návrh zařízení pro vodíkový systém s nízkou teplotou musí počítat s napětím v komponentech způsobený termální expanzí nebo kontrakcí. Jsou poměrně dost velké diference v celkové lineární kontrakci mezi různými materiály obsahující polymery, které mají podstatně větší kontrakce než kov. Výběr materiálů musí reflektovat termální expanzi různých materiálů. Primárním cílem provozu vodíkových systémů z hlediska bezpečnosti a ochrany zdraví při práci musí být: 1. eliminace nebo minimalizace lidského selhání, 2. návrh takového technického řešení, které zabezpečí řádný chod zařízení i v případě lidské chyby. V praxi to znamená: 1. minimalizovat množství skladovaného vodíku, 2. separovat vodík od oxidantů, nebezpečných materiálů a zařízení (vybavení), 3. vyloučit lidského činitele z provozu vodíkových systémů (potencionálního vzniku ohně, exploze, vzplanutí)) v případě jeho selhání, 4. odvětrání a ventily lokalizovat nad ostatní zařízení, 5. zabránit vzniku hořlavé směsi akumulaci vodíku v prostorách například pod střechou, kabinách, krytech zařízení nebo kapotě (krytu motoru), 6. minimalizovat vystavení osob nežádoucím vlivům vodíku (limitováním času expozice, použitím OOPP, vybavením výstražným a varovným zařízením např. detektory ohně, detektory vodíku apod., 7. udržování pořádku na pracovištích, volné průchozí a únikové cesty, odklízení odpadu a nečistot, 8. dodržování bezpečnostních provozních požadavků. Vodíková křehkost, vodíkový útok Všeobecné lze vodíkovou křehkost zmírnit nebo redukovat: omezením tvrdosti, snížením úrovně působení tlaku, minimalizací zbytkového tlaku například svárem a žíháním, vyloučení nebo minimalizací studených plastických deformací při operacích jako jsou ohýbání nebo tváření materiálů za studena, 5. eliminací situací, které mohou vést k místní únavě materiálu v komponentech, které jsou vystaveny velkému počtu zatížení (o vodíku je známo, že podstatně urychluje možnost iniciace a šíření únavových trhlin ve struktuře), 6. používání austenitické oceli, která je všeobecně méně citlivá na vodíkovou křehkost a má vynikající houževnatost vůči kryogenické teplotě, 7. využíváním testovací metody specifikované v ISO 11114-4 k výběru kovového materiálu odolného vůči vodíkové křehkosti. 1. 2. 3. 4.

122

Používání organických materiálů jako těsnění. Většina polymerů nezpůsobuje problémy v kontaktu s vodíkem, i když vodík může difundovat těmito materiály mnohem snadněji než kovem. Množství difundujícího vodíku obvykle není takové, aby vytvořilo zápalnou směs mimo nádrž, ale za delší časové období může dojít ke ztrátě plynu nebo zničení izolace. Vláknem ztužené polymery (FRP) jsou důležitými materiály pro tlakové nádoby. Kovová vložka je obvykle umístěná uvnitř nádoby, takže FRP materiál není v přímém kontaktu s vodíkem. Z hlediska bezpečnosti technických zařízení by skladovací zařízení na vodík mělo být: 1. navrženo, smontováno, testováno podle standardů a zákonů platných pro tlakové nádoby, 2. vyrobeno z vhodných materiálů, 3. chráněno vhodnou izolací (zvláště tekutý vodík v kontejnerech), 4. vybaveno uzavíracím ventilem na vypouštěcí straně, 5. vybaveno kontrolním systémem tlaku, 6. vybaveno schváleným a vyzkoušeným vypouštěcím systémem, 7. vybaveno zařízením na ochranu překročení povoleného tlaku, 8. umístěno ve vzdálenosti podle standardu, 9. viditelně označeno nápisem „Vodík“, „Tekutý vodík“, „Hořlavý plyn“. Nádrže na tekutý vodík by měly být pravidelně kontrolovány z důvodu hromadění nečistot (kyslík nebo dusík). Ochrana proti překročení tlaku Všeobecná bezpečnostní opatření pro rozvod plynného a tekutého vodíku: neumísťovat rozvody pod vedením elektrické sítě, rozvody nezakopávat pod zem, používat odpovídající materiál pro rozvod, navrhovat, montovat a testovat rozvody vodíku v souladu s platnými standardy a právními předpisy, 5. chránit potrubí vhodnými tepelnými izolanty (zejména tekutý vodík), 6. rozvody opatřit nápisy s upozorněním na druh protékajícího média a směr toku, 7. používat vhodné zařízení pro snižování tlaku. 1. 2. 3. 4.

Přednostně potrubí spojovat svařováním nebo tvrdým pájením, příruby nebo potrubí se závity používat pouze podle provozních podmínek. Těsnící kroužky nebo těsnící konopí jsou vhodné pro zařízení plynného vodíku. Některé z těchto typů spojů však nejsou vhodné pro nízké teploty. Bajonetové spoje se používají pro potrubí tekutého vodíku. Nekovová potrubí se používají pro krátkodobé využití za předpokladu adekvátní ventilace a detekce vodíku. Podmínky pro čištění Vodíkový systém včetně komponentů musí být navržen a instalován tak, aby umožnil řádné čištění a údržbu. Čištěním se musí odstranit mastnoty, oleje a jiné organické materiály, rez, svařence, okuje apod. Při čištění se přednostně používá pára nebo horká voda, saponátová odmašťovadla (alkalická nebo kyselá-moření). Rez a okuje se odstraňují mechanicky.

123

Prevence hoření, vznícení, exploze Zabránění tvorbě hořlavé směsi je klíčovým opatřením k prevenci proti vznícení, hoření a explozi vodíku. Toho lze dosáhnout separací vodíku a vzduchu jako oxidantu. Základní preventivní opatření jsou: 1. systém musí být pročištěn inertním plynem k odstranění vzduchu před vpuštěním vodíku, 2. systém musí být periodicky testován na netěsnosti, 3. technologie, kde vodík je odvětrán do atmosféry, musí mít vhodný odvětrací systém a správně umístěný, 4. uzavřené prostory, kde může dojít k nahromadění vodíku, musí mít odpovídající ventilaci (větrání) k zabránění tvorby hořlavé směsi, 5. vodíkový systém, zejména tekutý vodík, musí být udržován pod předepsaným tlakem k zabránění vstupu venkovního vzduchu, 6. tlakové nádoby ke skladování tekutého vodíku musí být ohřívány z důvodu nečistot jako vzduch a opatřeny vhodnými filtry k zachycení nečistot. Školení, výcvik, kontrola, monitorování Vodík je klasifikován jako nebezpečný materiál vzhledem k jeho vlastnostem a chování. Při práci s vodíkem musí být dodrženy všechny požadavky na bezpečnost a ochranu zdraví při práci. Obsluhy zařízení, pomocný personál, odpovědné osoby musí být detailně seznámeny s technologickými postupy, obsluhou zařízení, pracovním prostředím, pracovními podmínkami a zejména se všemi identifikovanými riziky a technickými a jinými opatřeními k eliminaci rizik. Zaměstnanci musí být vybaveni osobními ochrannými pracovními prostředky, kde povaha rizika toto vyžaduje. Součástí školení musí být i seznámení s evakuačním plánem a opatřeními pro mimořádné události. Školení musí být periodicky opakováno a dodržování bezpečnostních předpisů a bezpečného chování na pracovišti musí být vyžadováno. Všechny komponenty vodíkového systému musí být periodicky podrobovány kontrole, revizím, údržbě a opravám. Identifikace a vyhodnocování rizik je základním předpokladem bezpečnosti vodíkových technologií. Závěr Vodík jako alternativa k fosilním zdrojů paliva je velmi perspektivní. Jeho komerčním využitím v dopravě, nebude zatíženo životní prostředí. Jeho výroba, skladování a doprava vzhledem k jeho vlastnostem si vyžadují specifické požadavky na bezpečnost a ochranu zdraví, zejména v oblasti technické bezpečnosti tj. výběru materiálu a zabezpečovacích prvků. Seznam literatury Knižní dílo [1]

Balajka, J.: Vodík a iné nové nosiče energie. 1.vyd. Bratislava: Alfa, 1982, 303 s.

124

Článek ve sborníku [1]

[2]

[3]

Sloboda, A., Bednarčík, M.: Vodík – Alternaíinve palivo .In New trends in safety and health 2008, mezinárodní konference: TU Košice: s. 236-240. ISBN-978-80-5530099-3 Kuhejdová, V., Sloboda, A.: Bezpečnost konštrukcie vodíkových pohonov. In New trends in safety and health 2008: mezinárodní konference: TU Košice: s.226-231. ISBN-978-80-553-0099-3 Horák, B., Sloboda, A., Bugár, T.: Realizovatelnost a aspekty algoritmizace řízení provozu malých spalovacích motorů na vodíkové palivo s chudou směsí. In Workshop Hydrogen technologies, fuel cells and applications HT-FCA 2006: VŠB-TUO, FEI s.31-35. ISBN 80-248-1179-0.

125

126

Peter WEISENPACHER1 SIMULÁCIA POŽIARU INTRAVILÁNU – MOŽNOSTI SYSTÉMU WFDS WILDLAND-URBAN INTERFACE FIRE SIMULATION – WFDS SYSTEM CAPABILITIES Abstrakt Cieľom článku je popis súčasného stavu vývoja modelov počítačovej simulácie požiarov v intraviláne ako aj popis najpokročilejšieho z týchto modelov, systému WildlandUrban Interface Fire Dynamics Simulator (WFDS). Tento model vychádza z osvedčených modelov simulácie požiarov v budovách, využitých v systéme FDS a doplnených o možnosť zahrnúť do simulácie aj vegetačné palivo. V článku sú analyzované jeho špecifické výhody v porovnaní so semiempirickými modelmi lesných požiarov používanými v súčasnosti. Popisuje tiež simulačný systém samotný, fyzikálne princípy, na ktorých je založený ako aj spôsob jeho ovládania. Ako ukážku možností programu tiež uvádza výsledky simulácií niektorých typických situácií, ku ktorým pri požiaroch v intraviláne dochádza. Abstract The aim of this article is to describe main physical principles and assumptions of models of Wildland-Urban Interface (WUI) fire simulation as well as to present one of the most developed software system which is based on this principles, NIST Wildland-Urban Interface Fire Dynamics Simulator (WFDS). The source of this methods are models for simulation of fire in human structures included in FDS simulation system, which solve some simplified form of fluid dynamics conservation equations. As a result of advanced physical forest fire models, vegetation fuel treatment was incorporated into these models and the first useable WUI fire simulation models were created. Their specific advantages over the semiempirical fire simulation models nowadays used are described and some situations typical in WUI fires are modelled by WFDS as a simple demonstration of its capability. Key words: Fire simulation, wildland-urban interface fire, physical fire models Úvod Počas niekoľkých desaťročí mimoriadne intenzívneho výskumu požiarov sa vývoj počítačových modelov zameriaval na riešenie dvoch odlišných typov problémov. Prvým z nich bola simulácia šírenia lesných požiarov, založená na výpočtovo nenáročných empirických, semiempirických a štatistických prístupoch, druhým simulácia horenia v budovách, technických prevádzkach a iných ľudských konštrukciách využívajúca fyzikálne zákony zachovania kladúce mimoriadne nároky na výkon počítačov. Dôvod tohoto rozdelenia spočíva v mimoriadnej komplexnosti problému požiaru, ktorý vo všeobecnosti zahŕňa popis zložitej geometrie, mimoriadny rozsah potrebných a ťažko dostupných informácií o palive, komplikovanú dynamiku chemických procesov spojených s horením a napokon matematické riešenie fyzikálnych zákonov zachovania vedúcich na výpočtovo náročné sústavy diferenciálnych rovníc. Určitá miera zjednodušenia problému preto bola nevyhnutnosťou. 1

Mgr., Ph.D., Slovenská akadémia vied, Ústav informatiky, Dúbravská cesta 9, 845 07 Bratislava, e-mail: [email protected]

127

Prvá línia vývoja sa snažila o zjednodušenie popisu prostredia a mechanizmu požiaru a dosiahla tak štádium praktickej použiteteľnosti, kým druhá línia sa zamerala na čo najvernejšie simulovanie prostredia a fyzikálnych princípov požiaru, hoci to kládlo obmedzenia na rozsah a zložitosť úloh, ktoré bola schopná vyriešiť. Problém požiaru v intraviláne nedokázali vyriešiť modely ani z jednej z týchto dvoch skupín, či už kvôli obmedzeniam použitých modelov alebo výpočtovej sily počítačov. Fyzikálne modely pre simuláciu požiarov v intraviláne sú preto pomerne novou oblasťou výskumu požiarov a výraznejšie sa rozvinuli až v posledných rokoch. Ich cieľom je riešiť problémy ako je napr. skúmanie vzájomného prenosu tepla prúdením medzi vegetáciou a ľudskými konštrukciami a ich následného vznietenia, napr. vznietenie budov spôsobené požiarom okolitého lesa. Možnosť takýchto simulácií sa reálne dosiahla až v nedávnej dobe, a to vďaka postupnému rozvoju modelov druhej skupiny, zabudovaniu možnosti zahrnúť ako palivo aj vegetáciu a rastu výpočtového výkonu Vďaka svojej univerzálnosti sú tieto modely schopné prispieť aj k výskumu lesného požiaru samotného, keďže lesná vegetácia je len špeciálnym prípadom intravilánu. Doterajšie modely lesných požiarov sú rýchle a operatívne, nezohľadňujú však v dostatočnej miere fyzikálny mechanizmus horenia. Dôsledkom toho je skutočnosť, že niektoré aspekty požiaru zvolený model nemusí vôbec zachytiť, pričom v reálnej situácii práve tieto aspekty môžu nadobudnúť významný vplyv na priebeh požiaru. Jedná sa často o náhle a silne nelineárne procesy, ktoré vďaka svojmu neočakávanému priebehu spôsobujú veľkú časť obetí na životoch a prekvapia aj profesionálov [1]. Hoci simulácie kvôli svojej výpočtovej náročnosti neprebiehajú v reálnom čase, môžu poskytnúť kvalitatívne pochopenie dynamiky mnohých procesov a doplniť znalosti potrebné na úspešné potlačenie požiaru. Cieľom tejto práce nadväzujúcej na [39] je popísať jeden z najperspektívnejších rozvíjajúcich sa systémov na simuláciu požiarov v intraviláne, Wildland-Urban Interface Fire Dynamics Simulator (WFDS), jeho fyzikálne princípy, vlastnosti, spôsob ovládania a možnosti jeho použitia na simuláciu niektorých typických situácií, ku ktorým v prípade týchto požiarov dochádza. V kapitole 2 uvedieme stručne vlastnosti existujúcich modelov lesných požiarov a ich obmedzenia, ako aj špecifický prínos fyzikálnych modelov požiarov oproti týmto modelom. V 3. kapitole bližšie popíšeme systém WFDS ako nástupcu jedného zo simulačných systémov založených na fyzikálnych modeloch horenia budov a opíšeme jeho vlastnosti a možnosti. V poslednej kapitole sú uvedené spomenuté ukážky použitia WFDS. Súčasné modely na simuláciu lesných požiarov a ich obmedzenia Modely šírenia požiaru predpovedajú vývoj veličín charakterizujúcich požiar, ako sú rýchlosť šírenia, intenzita horenia alebo dĺžka plameňa na základe vstupov popisujúcich topografiu, palivo a meteorologické podmienky. Existuje viacero možných klasifikácií týchto modelov, napr. [3], [40], [5]. V súčasnosti zrejme najúspešnejší simulačný systém FARSITE [6] v sebe zahŕňa viacero semiempirických modelov, ako sú napr. modely pre povrchový požiar, pre korunový požiar, pre postfrontálne horenie, pre vznik požiarov vznietených horľavými úlomkami a pre hasenie. Jadrom systému je eliptický model pre povrchový požiar doplnený o výpočet doprednej rýchlosti šírenia pomocou Rothermelovho modelu. Tieto modely nie sú príliš výpočtovo náročné, čo umožňuje použitie FARSITE a simulačných systémov založených na podobných princípoch v reálnom čase pri hasení prebiehajúcich požiarov. Je možné získať dobré priblíženie reálneho priebehu požiaru využitím pomerne malého výpočtového výkonu. Použité modely však len v malej miere popisujú fyzikálny mechanizmus horenia, preto niektoré fenomény môžu byť popísané len približne a niektoré nie sú popísané vôbec. Keďže

128

FARSITE modeluje les ako spojité kontinuum, je ním možné simulovať priebeh požiaru na relatívne veľkých plochách jednoliateho lesa s pomerne veľkou presnosťou. Nedokáže však zohľadniť (alebo to robí len veľmi hrubo) lokálne javy prejavujúce sa na škále rozmeru jedného stromu alebo malej skupiny, ani javy na rozmedzí vegetácie a ľudských konštrukcií (ako sú napr. cesty, stavby, dopravné prostriedky). Táto situácia je pritom mimoriadne dôležitá v praxi, keďže ohrozenie ľudských obydlí na rozhraní lesa je pri rastúcom počte lesných požiarov čoraz častejšie. Semiempirické modely tiež nedokážu popísať nelineárne javy ako sú náhle erupcie požiaru, ktoré pritom zapríčiňujú veľký počet obetí aj medzi príslušníkmi hasiacich zborov, ktorí takéto nečakané erupcie zdanlivo stabilného požiaru nepredpokladajú. Hoci použiteľnosť FARSITE v stredoeurópskych podmienkach dokázali jednak naše výsledky [7], jednak výsledky iných výskumníkov [8], pri požiarnej ohrozenosti intravilánu si vyššie uvedené nedostatky vyžadujú doplniť naše znalosti dynamiky požiaru komplexnejším prístupom. Aj preto sa v poslednej dobe orientácia výskumu jednoznačne presúva na fyzikálne modely, napr. [40], [9], [10], [11], [12]. Najúspešnejšie simulačné systémy založené na týchto modeloch sú FIRETEC [9], pôvodne vyvinutý v Los Alamos National Laboratory, FIRESTAR [13], vyvinutý v rámci programu EU FIRESTAR a napokon WFDS [24], [25], vyvinutý v National Institute for Standards and Technology, ktorému sa budeme venovať bližšie. Základné vlastnosti WFDS a jeho fyzikálne princípy WFDS nadväzuje na simulačný systém FDS vyvinutý v NIST [22], [17] určený na simuláciu požiarov v ľudských konštrukciách aj vo vonkajšom prostredí (ako sú napr. byty, haly, rafinérie). Tento systém, doplnený o vizualizačný program Smokeview, je dnes používaný v inžinierskej praxi na mnohých pracoviskách po celom svete. FDS dokáže simulovať procesy ako sú nízkorýchlostné prúdenie produktov spaľovania, tepelné žiarenie, vedenie tepla medzi plynmi a povrchmi telies, spaľovanie, šírenie plameňov a dymu, aktivácia vodných rozprašovačov a priebeh hasenia. Fyzikálny model použitý v FDS je založený za zákonoch zachovania hmotnosti, zložky, hybnosti a energie [18]:

∂ρ + ∇.ρu = 0 ∂t ∂ ( ρYl ) + ∇.ρYl u = ∇.ρDl ∇Yl + m& l''' ∂t  ∂u  ρ  + (u.∇)u  + ∇p = ρg + f + ∇.τ  ∂t  ∂ Dp ( ρh) + ∇.ρhu = − ∇.q r + ∇.k∇T + ∑ ∇.hl ρDl ∇Yl , ∂t Dt l

(1)

kde ρ je hustota plynu, u je jeho rýchlosť, Yl je hmotnostný zlomok l-tej zložky, Dl je koeficient difúzie l-tej zložky, m& l''' je hmotnostný tok l-tej zložky, p je tlak, f je hustota sily, τ je tenzor napätia, h je hustota entalpie, q r je radiačný tepelný tok a T je teplota. Pri ich riešení sa využíva tzv. aproximácia s nízkym Machovým číslom, ktorá predpokladá, že zmeny tlaku spôsobené požiarom sú zanedbateľné v porovnaní s okolitým tlakom, čím sa výrazne redukuje matematická zložitosť problému. WFDS predstavuje rozšírenie systému tak, aby ako palivo zahŕňal okrem palív z ľudských konštrukcií aj vegetáciu a aby bol použiteľný aj v komplikovanejšej topografii.

129

V súčasnosti je schopný popísať šírenie požiaru na rovnom povrchu - požiar trávy [25] a horenie jednotlivého stromu [24]. Cieľom vývoja je zdokonalenie systému tak, aby bol schopný simulovať požiar aj v rámci rozsiahlejšej vegetácie a v komplexnejšej topografii. WFDS má v súčasnosti dve verzie: • Fuel Element Model - pre palivo v konkrétnom objeme, napr. v korune stromu • Boundary Fuel Model - pre povrchové palivo, napr. trávu. Predpokladá sa, že perspektívne sa WFDS stane súčasťou FDS, kde budú obidva modely zlúčené. Z fyzikálneho hľadiska a z hľadiska numerickej simulácie je dôvodom tohto rozlíšenia odlišná výška plameňa nad vrstvou vegetácie. Ak je výška plameňa podstatne väčšia ako je hrúbka palivovej vrstvy (napr. požiar trávy), k väčšej časti horenia dochádza nad vrstvou vegetácie. Vtedy je vhodné použiť dve osobitné mriežky pre vegetáciu (pevná fáza) a pre oblasť plameňov nad vegetáciou (plynná fáza). V prípade, že je výška plameňov porovnateľná s hrúbkou palivovej vrstvy, ako je to v prípade požiaru stromov alebo kríkov, je potrebné použiť prístup, ktorý zohľadňuje aj šírenie požiaru v rámci pevnej fázy, napr. šírenie požiaru od povrchovej vegetácie smerom do korún stromov. Vtedy je nutné brať do úvahy aj nehomogenity v rámci palivovej vrstvy a šírenie požiaru vo vertikálnom smere a modelovanie vegetácie sa stáva náročnejším problémom. V prípade prvého prístupu WFDS používa osobitné fyzikálne modely pre obe fázy. Vývoj plynnej fázy je simulovaný pomocou pohybových rovníc (1). K spaľovaniu, t.j. k produkcii tepla dochádza prevažne nad pevnou fázou. Najvyššia vrstva pevnej fázy sa tak stáva zdrojom hmotnostného toku a tepelného toku, ktoré vstupujú do pravých strán zákonov zachovania (1) pre bunky na dolnej hranici mriežky pre plynnú fázu. Zákony zachovania tak modelujú vzájomnú interakciu palivo - oheň – atmosféra. Teplota spodnej vrstvy plynnej fázy zároveň určuje teplotu plynu v palivovej vrstve. Spaľovanie paliva v palivovej vrstve pozostáva z dvoch po sebe nasledujúcich endotermických procesov. Prvým je odparovanie vlhkosti z paliva, po ktorej nastane pyrolýza paliva, t.j. chemická reakcia, pri ktorej sa palivo mení za neprítomnosti kyslíka na produkty pyrolýzy. Tie unikajú do okolitého plynného prostredia a následne dochádza k exotermickému procesu ich oxidácie. Palivová vrstva samotná je modelovaná ako súbor rovnomerne rozmiestnených častíc s istou hustotou a pomerom povrchu k objemu. Časový vývoj teploty je modelovaný rovnicou formálne podobnou rovnici vedenia tepla [19]. V prípade druhého prístupu je potrebné použiť jedinú mriežku pre celú oblasť a simulovať v nej horenie palivovej vrstvy podobne ako sa to deje v rámci prvého prístupu. Situácia je však komplikovanejšia kvôli väčšej heterogenite paliva a pomerne veľkým priestorom vyplneným vzduchom a plameňmi, čo spôsobuje, že použitý prístup je v tomto prípade menej presný. Z tohto dôvodu sa ďalší vývoj zameriava práve na presnejšie modelovanie paliva.

130

Obr. 1: Šírenie požiaru povrchovým palivom medzi tromi stromami

Program FDS simuluje základné fyzikálne procesy v priebehu horenia, preto je využiteľný jednak pri štúdiu týchto procesov samotných, jednak pri riešení praktických problémov pri ochrane pred ohňom. Podobné ciele v prípade požiarov v intraviláne by mal spĺňať aj WFDS. Patrí medzi ne pomoc pri navrhovaní protipožiarnych opatrení a evakuácie, vyhodnocovanie rizika požiaru a skúmanie hypotetických požiarov, vyhodnocovanie dopadu požiaru na vegetáciu a pomoc pri rekonštrukcii konkrétnych požiarov. Podrobný popis ovládania FDS sa nachádza v [17], k WFDS zatiaľ manuál nie je (čiastočný popis je v práci [39]). Stručne ich zrekapitulujeme. Keďže FDS aj WFDS používajú metódu konečných diferencií, skúmaná oblasť musí byť aproximovaná pravouhlou mriežkou, a to buď v 2D alebo v 3D. Všetky údaje potrebné pre spustenie simulácie je potrebné zadať vo forme textového súboru v špeciálnom formáte obsahujúcom skupiny údajov určujúcich geometriu skúmanej oblasti, súradnicovú sústavu, delenie mriežky, okrajové podmienky, telesá v oblasti a parametre simulácie. Oblasť požiaru je určená mriežkou v danej súradnicovej sústave. Predmety v oblasti požiaru sú

131

Obr. 2: Šírenie dvoch nezávislých požiarov povrchovým palivom s väčším počtom stromov

reprezentované pravouhlými prekážkami, ktoré sa môžu zahrievať, viesť teplo a vydávať tepelné žiarenie. Ich steny, podobne ako prieduchy, majú určené okrajové podmienky. Je možné tiež špecifikovať, ktoré výstupy simulácie a v akom formáte majú byť po skončení výpočtu uložené na disk. Výstupom systému sú hodnoty fyzikálnych veličín charakterizujúcich plynnú fázu a pevné telesá v skúmanej oblasti, a to buď hodnoty charakterizujúce polia alebo globálne veličiny. Medzi najdôležitejšie patria teplota, rýchlosť a tlak plynu, koncentrácia dymu a odhad viditeľnosti, tepelná produkcia pre jednotkový objem, zmiešavací zlomok, hustota plynu, radiačný a konvektívny tepelný tok, rýchlosť horenia, celková produkcia tepla, aktivačné časy rozprašovačov a detektorov a hmotnostné a energetické toky. K možnostiam FDS pridáva WFDS ďalšie dodatočné možnosti, a to skupiny údajov charakterizujúcich vegetačné palivo, t.j. geometrické a fyzikálne vlastnosti častíc, z ktorých sa skladá príslušný typ vegetácie. Obsahuje veličiny ako sú pomer povrchu k objemu, hustota častíc, teplota vyparovania, skupenské teplo vyparovania, vlhkosť paliva, percentuálne zastúpenie produktov pyrolýzy, hustota palivovej vrstvy a priemer častíc. Vo Fuel Element Model je tiež potrebné zadefinovať geometriu telies vyplnených takýmto palivom (napr. koruna stromu v podobe kužeľa).

132

Obr. 3: Vznietenie korunového požiaru jednotlivého stromu

Simulácie vykonané pomocou WFDS

Stručne popíšeme niektoré jednoduché príklady použitia systému WFDS pre niektoré typické situácie, ku ktorým dochádza v priebehu požiarov intravilánu. Výsledky slúžia na demonštraáciu možností systému a neboli konfrontované s experimentom. a) Šírenie požiaru povrchovým palivom medzi tromi stromami (Obr.1). Simulované bolo šírenie požiaru podložím tvoreným 5 cm hrubou vrstvou borovicového ihličia medzi tromi stromami. Oblasť simulácie bola dlhá 16 m, široká 12 m a vysoká 6 m, rozdelená bola na 160 x 120 x 60, t.j. 1,152,000 buniek. Delenie mriežky bolo 10 cm v horizontálnom smere, vo vertikálnom smere nerovnomerné a postupne sa zmenšujúce: 5 cm pri povrchu a 20 cm v hornej časti mriežky. Použité boli dva rôzne modely osobitne pre povrchové a pre korunové palivo. Simulácia požiaru trvajúceho 80 s si vyžiadala približne 13 hodín CPU času na procesore Pentium IV 3GHz a približne 600 MB RAM. b) Šírenie dvoch nezávislých požiarov povrchovým palivom s väčším počtom stromov (Obr. 2). V tomto prípade bol požiar simulovaný pre oblasť 40 m x 48 m x 20 m rozdelenú na 80 x 96 x 30 (t.j. 230,400) buniek. V oblasti sa nachádzalo 140 identických stromov, každý z nich 6 m vysoký, s kužeľovitou korunou o priemere podstavy 3m. Dva ohne, ktoré požiare vyvolali, trvali 5 s a mali intenzitu 200 kJ.m-2. Rýchlosť vetra bola 4 ms-1 vo výške 2 m. Keďže rozlíšenie mriežky bolo len 0.5 m, simulácia je menej spoľahlivá ako

133

v prípade jedného stromu. Vyžiadala si približne 1 hodinu CPU času na procesore Pentium IV 3GHz

Obr. 4: Požiar budovy a okolitej skupinky stromov

a približne 150 MB RAM. Zväčšenie delenia mriežky na dvojnásobok (t.j. vzrast počtu buniek na 8-násobok) viedlo k nárastu času simulácie na takmer 14 hodín a nárokov na pamäť na približne 1 GB RAM. c) Vznietenie korunového požiaru jednotlivého stromu od postupujúceho požiaru trávy (Obr. 3). Strom mal kužeľovitú korunu s podstavou 1m nad povrchom zeme a výškou 6m. Oblasť mala rozmer 10 m x 10 m x 8 m, rozdelená bola na 100 x 100 x 80 (t.j. 800,000) buniek. Rýchlosť vetra bola 1.4 ms-1 vo výške 2m. Simulácia 120 s požiaru si vyžiadala približne 15 hodín CPU času na procesore Pentium IV 3GHz a približne 800 MB RAM. d) Požiar budovy a okolitej skupinky stromov (Obr. 4). Oblasť mala rozmer 18 m x 16 m x 8 m, rozdelená bola na 144 x 128 x 64 (t.j. 1,179,648) buniek. Budova zo smrekového dreva s pôdorysom 3m x 4m a výškou 3m bola obklopená skupinou stromov podobných rozmerov ako v predošlých prípadoch. Požiar trávy viedol k vznieteniu stromov v okolí budovy a od nich sa následne vznietila aj samotná budova. Rýchlosť vetra bola 1 ms-1 vo výške 2m. Simulácia 50 s požiaru si vyžiadala približne 13 hodín CPU času na procesore Pentium IV 3GHz a približne 1 GB RAM. Záver

Fyzikálne modely požiarov, či už lesných, požiarov v ľudských konštrukciách alebo v intraviláne sú dnes jednou z najperspektívnejších oblastí výskumu požiarov. Aj keď ich výpočtové nároky sú mimoriadne veľké a nedajú sa použiť v reálnom čase, pomáhajú pochopiť presný mechanizmus požiaru v oblastiach, ktoré sú za hranicou možností semiempirických modelov. Dajú sa využiť na skúmanie hypotetických požiarov a požiarnej bezpečnosti konkrétnych lokalít a perspektívne aj k aktívnej podpore rozhodovania v priebehu

134

hasiacich prác. Systém WFDS, nadväzujúci na úspešný program FDS, ktorého kvalitu garantuje významná výskumná inštitúcia akou je NIST, predstavuje najpokročilejší systém na simuláciu požiarov intravilánu. Je schopný už za súčasného stavu simulovať dôležité procesy v priebehu horenia a dá sa očakávať, že jeho možnosti sa budú časom výrazne rozširovať. Poďakovanie

Táto práca bola čiastočne podporovaná agentúrou APVT prostredníctvom finančnej podpory č. APVT-51-037902, APVV-0532-07 a agentúrou VEGA č. 2/7097/27 Literatúra

[1] [2]

[3] [4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9] [10] [11]

[12]

[13]

Viegas, D. X. Analysis of Eruptive Fire Behaviour. Forest Ecology and Management 234S/2006. s. 5 Weisenpacher, P. Možnosti systému WFDS pri simulácii lesných požiarov. In Ochrana území postihnutých ničivými prírodnými pohromami: zborník príspevkov. - Zvolen : Technická univerzita vo Zvolene : Žilinská univerzita v Žiline, 2007. s. 227237. Weber, R. O. Modeling fire spread through fuel bed. Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 17/1/1991. s. 67-82 Larini, M.; Giroud, F.; Porterie, B.; Loraud, J.-C. A multiphase formulation for fire propagation in heterogeneous combustible media. International Journal of Heat and Mass Transfer 41/1997. s. 881-897 Pastor, E.; Zarate, L.; Planas, E.; Arnaldos, J. Mathematical models and calculations systems for the study of wildland fire behavior. Progress in Energy and Combustion Science 29/2003. s. 139-153 Finney, M. A. FARSITE: Fire Area Simulator - Model Development and Evaluation.Res. Pap.RMRS-RP-4, USDA Forest Service, Rocky Moutain Research Station, Marec 1998. Halada, L.; Weisenpacher, P.; Glasa, J. Reconstruction of the forest fire propagation case when people were entraped by fire. Forest Ecology and Management 234S/2006. s. 127 Hille, M.; Goldammer, J. G. Dispatching and modelling of fires in Central European pine stands: New research and development approaches in Germany. Proc. of workshop, Agronomic Institute of Chania, Crete, Greece, 6-8.12.2001. s. 59-74 Linn, R. R. Transport model for prediction of wildfire behavior, Los Alamos National Laboratory, Scientific Report LA13334-T. Grishin, A. M. A mathematical modelling of forest fires and new methods of fighting them. Publishing House of the Tomsk University, Tomsk, Russia, Albini F.(Eds.) Séro-Guillaume, O.; Margerit, J. Modelling forest fires. Part I: a complete set of equations derived by extended irreversible thermodynamics. International Journal of Heat and Mass Transfer 45/2002. s. 1705-1722 Margerit, J.; Séro-Guillaume, O. Modelling forest fires. Part II: reductionto twodimensional models and simulation of propagation. International Journal of Heat and Mass Transfer 45/2002. s. 1723-1737 Morvan, D.; Dupuy, J. L.; Pimont, F.; Linn, R. R. Numerical study of grassland fires behaviour using a physical multiphase formulation. Forest Ecology and Management 234S/2006. s. 90

135

[14] [15] [16]

[17]

[18] [19]

Mell, W. E.; Manzello, S. L.; Maranghides, A. Numerical Modeling of Fire Spread through Trees and Shrubs. Forest Ecology and Management 234S/2006. s. 82 Mell, W. E.; Jenkins, M. A.; Gould, J.; Cheney, P. A physics-based approach to modelling grassland fires. International Journal of Wildland Fire 16(1)/2007. s. 1-22 Mcgrattan, K. B. Editor: Fire Dynamics Simulator (Version 4), Technical Reference Guide. NIST Special Publication 1018, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, Maryland, Júl 2004. Mcgrattan, K. B. Editor: Fire Dynamics Simulator (Version 4), User's Guide. NIST Special Publication 1019, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, Maryland, Júl 2004. Rehm, R. G.; Baum, H. R. The Equations of Motion for Thermally Driven, Buoyant Flows. Journal of Research of the NBS 83/1978. s. 297-308 Morvan, D.; Dupuy, J. L. Modeling the propagation of a wildfire through a Mediterrean shrub using a multiphase formulation. Combustion and Flame 138/2004. s. 199–210

Resume

At the present time, wildland-urban interface (WUI) fire models are one of the most perspective areas of fire research. They could provide important results even in situations, where the possibilities of semi-empirical models are fundamentally limited. These models are not suitable to capture local events in strongly heterogeneous environment, for example event on the scale of particular tree, small group of trees or WUI. As a linear models, they do not have a mechanism to involve non-linear processes which are inherently connected with fire dynamics. The practical consequence of this imperfection is of high importance, because nonlinear, abrupt eruption leads to many death accident among fire fighters, who does not expect such variable fire behaviour. And finally, they do not take into account the mutual interaction between fire and atmosphere. From these reasons, WUI models can significantly contribute to knowledge of mechanism of fire itself as well as to provide a tool for fire safety testing in specific locations and promisingly for decision support during the fires. WFDS system is extraordinary suitable for this purpose, because of his connection with widely used FDS system provided by important research institute as NIST. WFDS solve some simplified form of fluid dynamics conservation equations supplemented by a possibility to include also vegetational fuel into simulation. It is modelled to be comprised of uniformly distributed particles with given density and surface to volume ratio. This feature allows to simulate not only fires in human structures, but also fires in wildland-urban interface. Although this system is still under development, it is able to describe important features of the fire in WUI. We used this system to perform a set of simulations covering some typical scenarios which occur during WUI fires. It includes situations like for example surface fire spread among the group of trees, surface fire spread in the forest, crown fire ignition of a particular tree from a surface fire and finally the fire of hut and surrounding group of trees. The results of these simulations are presented in the figures of this article. Although this simulations were not compared with experiment, the main expected features of the fire were reproduced successfully.

136

VŠB – TECHNICAL UNIVERSITY OF OSTRAVA CONTENTS: Světla FIŠEROVÁ Hand-Arm Vibration Exposure in Persons with Different Times of Working Adaptation .... 1

Světla FIŠEROVÁ Existing Methology in the Ergonomics of Systems of Working .......................................... 13

Ján GLASA, Peter WEISENPACHER, Ladislav HALADA Analysis of Forest Fire Behaviour by Computer Simulation ............................................... 23

Karel KLOUDA, Stanislav BRÁDKA, Renata WIRCINSKA, Hana KUBÁTOVÁ, Jitka KALÍKOVÁ Bioterrorism Model Dissemination of an Anthrax Substituent in a Real Building .................................. 35

Petr KUČERA, Jaroslav MIKLÓS Fundamentals of Verification of Mathematical Fire Models ............................................... 47

Bohuš LEITNER The Fatigue of Material as a risk Item in the Process of the Reliability and Safety Prediction of Various Technical Systems .............................................................................................. 57

Luděk LUKÁŠ Some Aspect of Crisis Management Information Support ................................................... 69

Václav NEVRLÝ, Petr BITALA, Michal STŘIŽÍK, Zdeněk ZELINGER, Pavel DANIHELKA, Ondřej ZAVILA, Tomáš KOLLÁRIK Laboratory Flame Studies as a Tool for Better Understanding to Industrial Fires and their Atmospheric Emissions ........................................................................................................ 79

Jiří SERAFÍN, Jaroslav DAMEC, Aleš BEBČÁK Experimentální stanovení vlivu inertu na teplotní meze výbušnosti .................................... 89

Jiří ŠVEC, Pavel ŠVEC Physical Quantities Describing the Influence of Physical Fields on a Man ....................... 101

Jaroslav TUREČEK Detection of Trace Particles of Explosives......................................................................... 107

Miluše VÁCHOVÁ The Safety of Hydrogen Systems ....................................................................................... 117

Peter WEISENPACHER Wildland – Urban Interface Fire Simulation – WFDS System Capabilities ...................... 127

Sborník vědeckých prací Vysoké školy báňské – Technické univerzity Ostrava

řada bezpečnostní inženýrství, č. 3 – 2008 Vydala Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava Vytiskl Ediční středisko, VŠB – TU Ostrava 17. listopadu 15 708 33 Ostrava – Poruba publikace č. 1 – 2008 / FBI náklad: 100ks Odpovědný redaktor: doc. RNDr. Jiří Švec, CSc. Vydání I Za obsah článků odpovídají jednotliví autoři

ISBN 978-80-248-1920-4 ISSN 1801-1764