Wiedza techniczna

Czym są multisymulacje?

Print Friendly, PDF & Email

… nazywane również Probabilistic Fire Simulator (PFS), B-RISK lub SCHEMA-SI?

Pierwszy raz słysząc pojęcie „multisymulacje”, przypomniało mi się powiedzenie dobrze znane studentom (i nie tylko). Cytuję: „Co jest lepsze od zimnego piwka? Dwa zimne piwka. A co jest lepsze od dwóch zimnych piwek? Trzy.” Ta prosta zależność sprawdza się w wielu różnych dziedzinach życia, nawet w szacowaniu ryzyka pożarowego obiektów.

Więc co to jest?

Multisymulacje są wykonaniem licznych symulacji komputerowych dla możliwie największej liczby scenariuszy pożarowych w danym budynku, a następnie wyznaczenie rozkładów prawdopodobieństwa dla poszczególnych scenariuszy oraz ich konsekwencji. Przeanalizowanie wszystkich możliwych scenariuszy w multisymulacjach jest możliwe dzięki wykorzystaniu metody Monte Carlo. Metoda ta generuje parametry wejściowe dla wbudowanych w multisymulacje modeli. Parametry wejściowe stanowią m.in.: moc pożaru, szybkość rozwoju pożaru, stan urządzeń ppoż., warunki wentylacji w budynku, miejsce pożaru itd. Każdy z parametrów wprowadza się w określonym przedziale zmienności, np. szybkość pożaru: od wolnej, przez średnią, szybką do ultraszybkiej – co umożliwia wyczerpanie całego zbioru możliwych zdarzeń. Podstawowym założeniem multisymulacji jest to, że pożar w budynku, reakcja ludzi oraz systemów bezpieczeństwa nie jest stała, i może przybierać różne wartości. Reakcje ludzi na pożar/alarm pożarowy są różne, czasem o tym piszę – TOP 10 reakcji na alarm pożarowyPsychologia ewakuacji: dlaczego ludzie nie reagują na alarmy pożarowe?

Taka idea rozróżnia w istotny sposób multisymulacje od zastosowania wprost CFD dla kilku wybranych scenariuszy. Jeżeli zatem parametry pożaru nie są stałe, a przybierają wartości z pewnego zakresu, to należałoby uruchomić symulacje dla każdej wartości z tego zakresu. Dodatkowo również, pewne wartości wewnątrz tego zakresu są bardziej prawdopodobne – inne mniej. Zatem do symulacji rozwoju pożaru oraz modeli ewakuacji, należy wprowadzać tzw. rozkłady parametrów wejściowych, czyli zbiór wartości danego parametru, wraz z prawdopodobieństwem wystąpienia tych wartości.

A teraz z polskiego na nasze, z przykładem.

Za przykład niech posłuży analiza ryzyka pożarowego dla budynku biurowego. Dla uproszczenia przyjęto, że jedyny parametr, jaki wprowadzamy do modelu rozwoju pożaru jest krzywa rozwoju pożaru. Z literatury zaczerpujemy informację, że pożar w budynkach biurowych może rozwijać się wolno, średnio, szybko i ultra szybko. Z danych historycznych natomiast wiemy, że w 20% pożarów w budynkach biurowych pożar rozwijał się wolno, w 75% średnio, w 4% szybko i w 1% ultra szybko. Zatem – zgodnie z podejściem stosowanym w multisymulacjach – powinniśmy wykonać 100 symulacji, gdzie:

  • w 20 z nich zdefiniowany będzie wolny rozwój pożaru,
  • w 75 średni,
  • w 4 szybki,
  • i w 1 ultra szybki.

Jako wynik symulacji rozważmy dostępny czas bezpiecznej ewakuacji (DCBE). Przyjmijmy, że jako wynik serii symulacji otrzymaliśmy następujące wyniki DCBE: 20 razy 320 sekund, 75 razy 300 sekund, 4 razy 270 sekund i jeden raz 210 sekund. Wyniki takiej symulacji można zaprezentować w formie histogramu:

Mając ustaloną wartość wymaganego czasu bezpiecznej ewakuacji (WCBE), możemy określić prawdopodobieństwo, z jakim DCBE<WCBE. Przyjmijmy, że w naszym przypadku WCBE zostało określone jako 250 s. Zatem prawdopodobieństwo, że DCBE<WCBE wynosi (czytając z histogramu):

W naszym przypadku 1 do 100, czyli 0,01. Taka jest bardzo ogólna idea multisymulacji. W rzeczywistości wykorzystuje się o wiele więcej modeli: model rozwoju pożaru, model ewakuacji, model widzialności oraz model cząstkowej dawki skutecznej do określania skutków przebywania ludzi w strefie zadymionej. Każdy z tych modeli przyjmuje od kilku do kilkudziesięciu parametrów wejściowych w postaci rozkładów prawdopodobieństwa. Ponadto wyniki symulacji zarówno DCBE jak i WCBE są rozkładami prawdopodobieństwa.  Poniżej przykład takich wyników:

Porównanie rozkładu czasów DCBE i WCBE pozwala wskazać pewną liczbę przypadków gdzie DCBE<WCBE, czyli takich, w których np. na drogach ewakuacyjnych poziom zadymienia obniży się poniżej 1,8 m (czyli poniżej granicy warunków bezpiecznej ewakuacji).

W mojej ocenie – niedługo symulacje, jako częsty element ekspertyz – zostaną wyparte właśnie przez multisymulacje. Jak sądzicie?

  • Wojciech Węgrzyński

    Symulacje probabilistyczne nie zastąpią CFD bo to zupełnie inne narzędzie, ale wpłyną na ich rozwój i zostaną do CFD wplecione. Obecnie wykorzystywana (np w B-RISK) metoda dwustrefowa nie pozwala uchwycić charakterystyki przepływu w obiekcie, regionów mieszania dymu, wpływu powietrza kompensacyjnego i innych ważnych czynników, z uwagi na przyjęte uproszczenia. Więcej na ten temat w http://bit.ly/2pVqEuU . To, jaką niepewnością obarczone jest modelowanie w ten sposób opisał ostatnio Greg Baker – artykuł powinien się lada moment ukazać w Fire Safety Journal. Według mnie przyszłość wygląda nieco inaczej – probabilistyczny dobór scenariusza do CFD i ocena setek takich symulacji z rozkładami prawdopodobieństw. Pierwsze lody przełamuje Jülich Supercomputing Centre, a my w ITB jesteśmy „o jeden komputer” od przełomu 🙂

    Na koniec, do pełnego wdrożenia podejścia probabilistycznego będzie potrzebne przekształcenie wymagań prawnych w zakresie scenariuszy (patrz – rozp. o war. tech. dla metra), oraz opracowanie zasad dobru rozkładów parametrów. Tego nie ma jeszcze nawet w VM2 z Nowej Zelandii – a oni przodują w tym obszarze. Także w komitetach CEN nie rozmawiamy na ten temat – jest jeszcze zbyt mało wiedzy w obszarze… Do pełnej regulacji analiz probabilistycznych zostało zatem trochę lat… Ale trzeba próbować! Pozdrawiam i dzięki za ciekawy wpis

    • Adam Krasuski

      Celem multisymulacji nie jest lepsze niż w CFD odwzorowanie zjawiska pożaru. Celem multisymulacji jest jak najlepsze odwzorowanie sposobu użytkowania budynku, zachowania ludzi, systemów zabezpieczeń, etc. Nie należy zatem podchodzić do multisymulacji jako narzędzia do modelowania pożaru a raczej narzędzia do modelowania bezpieczeństwa pożarowego. Model rozwoju pożaru jest tylko jednym z elementów całej metody multisymulacji.

      Nie należy również zapominać, że modele strefowe, używane są w pierwszej fazie multisymulacji, – w której staramy się oszacować prawdopodobieństwa poszczególnych scenariuszy i ich konsekwencje. Natomiast po tej fazie należy zweryfikować wybrane scenariusze w CFD. Ale w przeciwieństwo do użycia wprost CFD na kilku arbitralnie wybranych scenariuszach, znamy prawdopodobieństwa tych scenariuszy, co pozwala nam na realizację analizy cost/benefit, czy też zaprząc wręcz teorię decyzji.
      Istnieją również podejścia w multisymulacjach zmniejszenia aproksymacji czy błędów modeli strefowych poprzez uaktualnienie ich wyników z kilku symulacji CFD np.: http://www.iafss.org/publications/fss/8/1241/view/fss_8-1241.pdf

      Podsumowując, zatem multisymulacje to metoda oceny bezpieczeństwa pożarowego bazujące na ilościowej analizie ryzyka. I powinna być porównywana do innych metod oceny ryzyka. W swoim podejściu wykorzystuje modele rozwoju pożaru ale zarówno strefowe jak i CFD. Jako metoda ilościowa stara się wyeliminować błąd w zakresie doboru scenariuszy pożaru jak również poznać ich prawdopodobieństwo i konsekwencje celem podejmowania decyzji zgodnie teorią decyzji.

      • Wojciech Węgrzyński

        Jako narzędzie do odnalezienia najistotniejszych scenariuszy do dalszych prac probabilistyka jest oczywiście idealna – sam wcześniej pisałem, że to jest droga do doskonalszych analiz (http://bit.ly/2rqOWPg). My też idziemy w tym kierunku, chociaż osobiście uważam, że do „masowego” zastosowania analiz przez osoby, które niekoniecznie są ekspertami w dziedzinie metod numerycznych, raczej skłaniam się ku bazie wcześniej opisanych scenariuszy (przykład: C/VM2 z NZ – https://www.building.govt.nz/building-code-compliance/c-protection-from-fire/).

        Inna sprawa to analizy WCBE/DCBE. Poleganie tylko na modelu strefowym czy modelach analitycznych jest błędne, z uwagi na ich istotne ograniczenia, których nie da się przeskoczyć (poprzedni wpis). Z wpisu na blogu może wynikać, że jest to pewna alternatywa do numeryki, a w rzeczywistości powinno to być narzędzie wspomagające. Bez analizy CFD nie można mówić o wiarygodnym oszacowaniu przepływu w obiekcie czy warunków ewakuacji.

        Krok w dobrą stronę, ale ostrożnie 🙂 My,Wy i jeszcze kilka osób zajmujących się naukowo tym obszarem sobie zdajemy sprawę z ograniczeń i niebezpieczeństw, ale oddać tak potężne magiczne narzędzie w ręce początkujących adeptów czarnoksięstwa CFD i optymalizacji wszelakiej maści systemów to bardzo niebezpieczna perspektywa… W Nowej Zelandii między innymi na tym polegli i stąd C/VM2

        • Adam Krasuski

          Dziękuję bardzo za komentarz.

          Wbrew intuicji próbujemy właśnie zrobić narzędzie inżynierskie a nie naukowe. Chcemy to zrealizować w postaci, ogólnodostępnego oprogramowania, które (w przeciwieństwie do B-RISK) ma już (między innymi) zdefiniowane wszystkie rozkłady prawdopodobieństwa. To co musi zrobić użytkownik, to sparametryzować tylko symulacje właściwymi rozkładami.

          Sprowadza się do wybrania typu budynku, rodzaju instalacji w które jest wyposażony, alarmowania itp. A program sam do danego typu budynku dobiera rozkłady – czyli tak naprawdę scenariusz. Tutaj jest makieta naszego systemu:
          https://wizfds.inf.sgsp.edu.pl/#/risk-scenario/1/general.
          Część general i zakładki z lewej dotyczą symulacji stochastycznych. Jak widać są tam tylko 4 proste zakładki: (general, building, materials i ventilation). W project można zobaczyć również menu do konfiguracji CFD (czego tak na prawdę dotyczy ta dyskusja).

          Wydaje mi się, że jak na razie udaje nam się to utrzymać w miarę prosto. Oczywiście do tego potrzebna jest jeszcze geometria. Cała idea oprogramowania w załączniku. https://uploads.disquscdn.com/images/6a77fee575e7fe4d2e1e48551e8f5b18c0a5d21a502e61183b638e4520c7e226.png

          https://uploads.disquscdn.com/images/0aa57ec8af8e321514febfb66d8fcfc0eded167b1f9646408076935487fd0c83.png

          Największy problem mamy jednak mimo wszystko z modelowaniem pożaru :). Trochę w innym obszarze, niż przedmiotowa dyskusja, mianowicie:

          Rozkłady prawdopodobieństwa HRR oraz alpha dla budynków typu ZL są dosyć dobrze opracowane i dostępne w literaturze. Jednakże dosyć istotny problem pojawia się w PM. Tutaj moc i alfa mocno zależy od tego co się składuje, a rzeczy składowane są przeróżne i w różnych konfiguracjach. To co mamy tak naprawdę w ręku dla danego PM, to gęstość obciążenia ogniowego. Ale jak teraz przejść z obliczonej gęstości obciążenia ogniowego na rozkłady prawdopodobieństwa krzywej rozwoju pożaru?

          Może byście koledzy nas wspomogli w tym zakresie? Macie znakomitych ludzi oraz laboratoria.

          To czego się teraz trzymamy to extreme value theory: http://www.km.fgg.uni-lj.si/PREDMETI/POZAR/Literatura/Design%20fires%20VTT.pdf ale nie jestem z tego zbyt dumny.

          • Wojciech Węgrzyński

            Super projekt, gratulacje. Rozwijajcie to dalej – szkoda że nie robicie od razu pod naszą infrastrukturę 🙂

            Z pożarami hal mamy podobny problem w TC191/SC1, dyskusja trwa dwa lata jak to wiarygodnie złapać do prostej metody… Ale w CFD jest raczej łatwiej. My zazwyczaj modelowaliśmy duże bloki symulujące regały i rozwój pożaru bazując na liniowej szybkości rozwoju w kierunku do góry i na boki. Zatrzymanie rozwoju po 2 rzędzie tryskaczy – raczej się sprawdzało. Ale chętnie wrócimy do tematu i może spróbujemy razem zgłębić 🙂 Pozdrawiam!