论数学在消防中的应用

数学, 作为一门基础学科, 许多人都深知其重要, 但却不知道它能如何应用, 在哪些领域里可以用, 该怎么用等等。随着科学技术和社会的飞速发展数学的应用不仅在它的传统领域——工程技术、经济建设——发挥着越来越重要的作用, 而且不断地向一些新的领域渗透, 形成了许多以数学为应用手段的交叉学科——计量经济学、人口控制论、生物数学、地质数学、运筹学等等。在消防中, 数学亦起到举足轻重的作用。每一次出警都可以根据事故的产生和现有装备的各项数据, 应用数学去建立相应的数学模型, 这样我们就能更加准确、安全进行抢险救援, 使其损失和开支减小到最小, 增加效率。同时还可以将数据与计算机结合起来进行数字式计算机模拟, 减小伤亡。数学消防中的应用是很多很普遍的, 从数值计算, 如水枪 (炮) 的射程, 到火灾模型的建立与分析, 如灭火、抢险救援的出警和处置。消防是一个高危险工作, 随时都有着生命危险和巨大经济损失, 如果能有一个科学精密的处置方案这就能给我们消防和国家带来安全和减少经济损失。此时数学就起到至关重要的作用。

1 数学在消防中的一般应用, 水枪 (炮) 的相关计算

问题:假设某单层要材加工厂发生火灾, 燃烧面积约为300m2。消防队员使用的火枪为φ19mm, 有效射程为15m, 火场灭火用水供给强度为0.21/s·m2;计算出多少支水枪才能控制整个局面。

分析:这是一个简单的数学应用于消防灭火的计算题, 根据问题条件可知, 只要知道每支水枪的控制面积就可以求解出火场所需的水枪数量。

求解:通过查阅相关直流水枪的技术数据可知喷嘴口径为19mm, 有效射程为15m, 流量为6.5L/S的水枪控制面积为:

火场需用的水枪数量为:

实际使用取10支, 因此通过求解知出10支水枪就能控制整个局面。

此问题为数学在消防灭火中的简单应用计算。有了这些简单的消防基础计算, 我们就可以准确、快速、有效的支配各种消防装备。接下来我们用数学去解决消防中较为复杂的问题——单层大型商场火灾扑救。

2 消防中的数学模型, 单层大型商场火灾扑救模型

商场起火灾了!消防队接到报警后该如何进行调派消防员?才能有效的进行救援, 使得救援开支最小, 又能及时快速的扑灭火灾。

分析:损失费一般正比于商场烧毁的面积, 而烧毁面积与失火、灭火 (指火被扑灭) 的时间有关, 灭火时间又取决消防队员数目, 队员越多灭火越快 (一般情况下) , 救援开支就越大, 反之则增大商场的经济损失。所以解决此问题在以总费用最小 (消防开支+商场经济损失) 来决定派出队员的数目。救援费既与消防队员人数有关, 又与灭火时间长短, 装备的投入量有关。记失火时刻为t=0, 开始救火时刻为t=t, 灭火时刻为t=t。设在时刻t商场烧毁面积为B1 (t) , 则造成损失的2商场烧毁面积B (t2) 为。建立模型要对函数B (t) 的形式作出合理的简单假设。为了简化我们模型的建立, 我们只考虑商场没有被困难人员和无易燃易爆物品存在的情况下进行。

救援费可分为两部分:一部分是灭火器材的消耗及消防队员的开支等, 与消防队员人数和灭火所用的时间均有关;另一部分是车辆的出动和器材装备等一次性支出, 只与消防队员人数有关。

模型假设与构建, 假设商场够大, 救火得当, 火在商场未被烧完之前扑灭, 借鉴于文献中的的森林救火模型可以类比作出假设和得出灭火模型:

式中β为火势蔓延速度, λ为每个消防队员的平均灭火速度, χ为派出的消防队员人数。

救火总费用模型:

式中c1为烧毁单位面积的损失费, c2每个消防队员单位时间的费用, c3每个消防队员的一次性支出。

模型求解C (x) 要使最小, 令, 可以得应派的消防队员为:

模型中, c1, c2, c3是已知常数, β, λ由商场类型、消防队员素质等因素决定, 可以通过平时的统计分析得到。失火时间则需报警提供或现场情况估计。

类比本模型可以解决消防中好多类似的问题, 如梨子园隧道水灾中利用水流降温, 亦可仿此建立模型计算出其所需时间。这是数学在消防中较为复杂的应用。除此数学在消防中还有其它方面的应用。

3 数学在消防化工企业中的应用

在中国消防2005年第23期中有一篇《低温乙烯罐泄漏扩散危险性分析》的研究性文章, 就是一个典型数学在消防中关于化工企业的复杂应用。它是在分析Pasquill-Gifford模型和DEGADIS模型等各种气体泄漏扩散数学模型的基础上, 结合低温乙烯泄漏扩散动态过程的特点, 以及重力作用和水平风速对乙烯扩散的影响, 采用包含几种扩散模型的ALOHA模型软件, 对天津某乙烯罐和油罐共建区由于乙烯扩散泄漏造成的危险性进行了模拟分析。从而得出有效控制乙烯泄漏扩散所引起的危害。

4 结语

能适时地将数学应用起来, 可以准确、有效处理许多问题。数学可作为一个个基本计算工具, 也可作为高科技技术应用。社会的发展与进步离不开数学技术。消防的发展与前进也离不开数学技术, 它不仅能解决最基本的消防计算, 同样能解决复杂的实际问题, 减少火灾险情以及带来的损失和消防部队的经费开支, 更好地指导我们工作和研究, 提高部队战斗力。只要我们熟练掌握了基本知识, 并有机地应用到实际工作和生活中, 就能让数学大大提升我们的工作效率和准确率。

摘要：为了让消防工作更加有效、安全地开展, 提高消防处置抢险救援能力, 准确快速地处理各类火灾。使国家和人民的损失减少到最小, 提高消防部队作战能力。我们就必须拥有高技术, 而“高技术本质上就是数学技术”, 所以我们要学会把数学应用到消防中去。

关键词：数学,消防,应用

参考文献

[1] 姜启源, 谢金星, 叶俊编.数学模型 (第三版) , 高等教育出版社.

[2] 中国消防, 2005, 23 (总第223期) .

[3] W.F.Lucas.Modules in Applied Mathematics.国防科技大学出版社, 1998.

[4] G.F.Gause, The Struggle for Existence.New York:Hafner, 1964.

[5] 公安部消防局.灭火救援, 公安消防部队接收地主高等院校毕业生培训教材 (试用) .