Визначення найбільшого показника Ляпунова хаотичності динаміки небезпечних параметрів газового середовища для оперативного виявлення займання матеріалів у приміщеннях

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/2706-5448.2025.345030

Ключові слова:

найбільший показник Ляпунова, оперативне виявлення займань, небезпечні параметри газового середовища, приміщення

Анотація

Об’єктом дослідження є найбільший показник Ляпунова динаміки небезпечних параметрів газового середовища приміщень на інтервалах достовірної відсутності та наявності займання матеріалів у приміщеннях. Проблема полягає у визначені та розробці стратегії використання найбільшого показника Ляпунова за одновимірною вибіркою реальних забруднених вимірювань небезпечних параметрів газового середовища приміщень для оперативного виявлення займань матеріалів. Виконано експериментальну перевірку визначення найбільшого показника Ляпунова динаміки основних небезпечних параметрів газового середовища при займанні матеріалів у лабораторній камері на інтервалах достовірної відсутності та появи займання. Встановлено, що при займаннях матеріалів значення найбільшого показника Ляпунова свідчать про зниження стійкості та переходу до хаосу динаміки температури та концентрації чадного газу для усіх досліджуваних тестових матеріалів. Це свідчить про втрату ступеня «порядку» динаміки температури та концентрації чадного газу. Разом з тим значення найбільшого показника Ляпунова динаміки питомої оптичної щільності диму суттєво не змінюється та залишається стійкою з деяким зниженням стійкості при займаннях матеріалу. Встановлено, що використання такого параметра для виявлення займання матеріалів має значні переваги у разі використання динаміки температури та концентрації чадного газу газового середовища приміщень. Отримані результати є корисними з теоретичної точки зору для визначення найбільшого показника Ляпунова по одновимірній вибірці реальних забруднених вимірювань для довільного небезпечного параметра газового середовища на довільному інтервалі спостереження. Практичне значення полягає в можливості подальшого вдосконалення існуючих систем протипожежного захисту об’єктів з метою запобігання виникненню пожеж.

Біографії авторів

Ігор Вікторович Толок, Національний університет цивільного захисту України

Кандидат педагогічних наук, доцент, ректор

Борис Борисович Поспєлов

Доктор технічних наук, професор, незалежний дослідник

Євгеній Олексійович Рибка, Національний університет цивільного захисту України

Доктор технічних наук, професор

Науково-інноваційний центр

Сергій Вікторович Савченко, Національний університет цивільного захисту України

Проректор

Юрій Юрійович Козар, Ужгородський національний університет

Доктор юридичних наук, професор

Кафедра теорії та історії держави і права

Олексій Миколайович Крайнюков, Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна

Доктор географічних наук, професор

Кафедра екології та менеджменту довкілля

Костянтин Олександрович Споришев, Національна академія Національної Гвардії України

Доктор наук з державного управління

Навчально-науковий інститут підготовки керівних кадрів

Лариса Володимирівна Маладика, Національний університет цивільного захисту України

Кандидат педагогічних наук, доцент

Кафедра пожежної профілактики у населених пунктах

Вячеслав Миколайович Сур’янінов, Одеська державна академія будівництва та архітектури

Доктор філософії

Кафедра залізобетонних конструкцій та транспортних споруд

Максим Валерійович Гаріфуллін, Львівський державний університет внутрішніх справ

Кандидат технічних наук

Науково-дослідний центр

Посилання

  1. Otrosh, Y., Rybka, Y., Danilin, O., Zhuravskyi, M. (2019). Assessment of the technical state and the possibility of its control for the further safe operation of building structures of mining facilities. E3S Web of Conferences, 123, 01012. https://doi.org/10.1051/e3sconf/201912301012
  2. Semko, A., Beskrovnaya, M., Vinogradov, S., Hritsina, I., Yagudina, N. (2014). The usage of high speed impulse liquid jets for putting out gas blowouts. Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 3, 655–664.
  3. Vasyukov, A., Loboichenko, V., Bushtec, S. (2016). Identification of bottled natural waters by using direct conductometry. Ecology, Environment and Conservation, 22 (3), 1171–1176.
  4. Pospelov, B., Andronov, V., Rybka, E., Meleshchenko, R., Borodych, P. (2018). Studying the recurrent diagrams of carbon monoxide concentration at early ignitions in premises. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (9 (93)), 34–40. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.133127
  5. Pospelov, B., Andronov, V., Rybka, E., Skliarov, S. (2017). Design of fire detectors capable of self-adjusting by ignition. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4 (9 (88)), 53–59. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.108448
  6. Cencini, M., Cecconi, F., Vulpiani, A. (2009). Chaos. Series on Advances in Statistical Mechanics. WORLD SCIENTIFIC, 480. https://doi.org/10.1142/7351
  7. Dieci, L., Van Vleck, E. S. (2002). Lyapunov Spectral Intervals: Theory and Computation. SIAM Journal on Numerical Analysis, 40 (2), 516–542. https://doi.org/10.1137/s0036142901392304
  8. Cheng, C., Sun, F., Zhou, X. (2011). One fire detection method using neural networks. Tsinghua Science and Technology, 16 (1), 31–35. https://doi.org/10.1016/s1007-0214(11)70005-0
  9. Ding, Q., Peng, Z., Liu, T., Tong, Q. (2014). Multi-Sensor Building Fire Alarm System with Information Fusion Technology Based on D-S Evidence Theory. Algorithms, 7 (4), 523–537. https://doi.org/10.3390/a7040523
  10. Pospelov, B., Rybka, E., Samoilov, M., Morozov, I., Bezuhla, Y., Butenko, T. et al. (2022). Defining the features of amplitude and phase spectra of dangerous factors of gas medium during the ignition of materials in the premises. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2 (10 (116)), 57–65. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.254500
  11. Jiang YueZhong, J. Y., Wang GuiYan, W. G., LüLeiChang, L., Yuan SuPing, Y. S., Ma Ling, M. L. (2004). Studies on pulp-oriented cultivation techniques of poplar wood. Scientia Silvae Sinicae, 40 (1), 123–130.
  12. Bei, P., Liwei, C., Chang, L. (2012). An Experimental Study on the Burning Behavior of Fabric used Indoor. Procedia Engineering, 43, 257–261. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2012.08.044
  13. Peng, X., Liu, S., Lu, G. (2005). Experimental analysis on heat release rate of materials. Journal of Chongqing University, 28, 122–125.
  14. Pospelov, B., Rybka, E., Savchenko, A., Dashkovska, O., Harbuz, S., Naden, E. et al. (2022). Peculiarities of amplitude spectra of the third order for the early detection of indoor fires. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (10 (119)), 49–56. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.265781
  15. Pospelov, B., Andronov, V., Rybka, E., Chubko, L., Bezuhla, Y., Gordiichuk, S. et al. (2023). Revealing the peculiarities of average bicoherence of frequencies in the spectra of dangerous parameters of the gas environment during fire. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (10 (121)), 46–54. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2023.272949
  16. Pospelov, B., Rybka, E., Polkovnychenko, D., Myskovets, I., Bezuhla, Y., Butenko, T. et al. (2023). Comparison of bicoherence on the ensemble of realizations and a selective evaluation of the bispectrum of the dynamics of dangerous parameters of the gas medium during fire. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2 (10 (122)), 14–21. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2023.276779
  17. Sadkovyi, V., Pospelov, B., Rybka, E., Kreminskyi, B., Yashchenko, O., Bezuhla, Y. et al. (2022). Development of a method for assessing the reliability of fire detection in premises. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (10 (117)), 56–62. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.259493
  18. Pospelov, B., Andronov, V., Rybka, E., Bezuhla, Y., Liashevska, O., Butenko, T. et al. (2022). Empirical cumulative distribution function of the characteristic sign of the gas environment during fire. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4 (10 (118)), 60–66. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.263194
  19. Heskestad, G., Newman, J. S. (1992). Fire detection using cross-correlations of sensor signals. Fire Safety Journal, 18 (4), 355–374. https://doi.org/10.1016/0379-7112(92)90024-7
  20. Gottuk, D. T., Wright, M. T., Wong, J. T., Pham, H. V., Rose-Pehrson, S. L. (2002). Prototype early warning fire detection system: test series 4 results. Available at: https://apps.dtic.mil/sti/citations/ADA399480
  21. Nakamura, T. (2022). Nonlinear systems and Lyapunov spectrum. Available at: https://sites.google.com/view/lyapunov-spectrum/home
  22. Prat-Guitart, N., Nugent, C., Mullen, E., Mitchell, F. J. G., Hawthorne, D., Belcher, C. M., Yearsley, J. M. (2019). Peat Fires in Ireland. Coal and Peat Fires: A Global Perspective. Elsevier, 451–482. https://doi.org/10.1016/b978-0-12-849885-9.00020-2
  23. Fonollosa, J., Solórzano, A., Marco, S. (2018). Chemical Sensor Systems and Associated Algorithms for Fire Detection: A Review. Sensors, 18 (2), 553. https://doi.org/10.3390/s18020553
  24. Liu, C., Zhang, C., Mu, Y., Liu, J., Zhang, Y. (2017). Emission of volatile organic compounds from domestic coal stove with the actual alternation of flaming and smoldering combustion processes. Environmental Pollution, 221, 385–391. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2016.11.089
  25. Quintiere, J. G. (2016). Principles of Fire Behavior. CRC Press, 437. https://doi.org/10.1201/9781315369655
  26. Gann, R. G., Bryner, N. P. (2008). Chapter 2 Combustion Products and Their Effects on Life Safety. Fire Protection Handbook. National Fire Protection Assoc, 11–34.
  27. Stec, A. A. (2017). Fire toxicity – The elephant in the room? Fire Safety Journal, 91, 79–90. https://doi.org/10.1016/j.firesaf.2017.05.003
  28. McKenna, S. T., Birtles, R., Dickens, K., Walker, R. G., Spearpoint, M. J., Stec, A. A., Hull, T. R. (2018). Flame retardants in UK furniture increase smoke toxicity more than they reduce fire growth rate. Chemosphere, 196, 429–439. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2017.12.017
  29. Pospelov, B., Andronov, V., Rybka, E., Popov, V., Semkiv, O. (2018). Development of the method of frequency­temporal representation of fluctuations of gaseous medium parameters at fire. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2 (10 (92)), 44–49. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.125926
  30. Schuster, H. G., Just, W. (2005). Deterministic chaos: an introduction. John Wiley & Sons. https://doi.org/10.1002/3527604804
  31. Broer, H. W., Takens, F. (2011). Dynamical systems and chaos. New York: Springer, 313. https://doi.org/10.1007/978-1-4419-6870-8
  32. Vogel, M. (2019). Chaos in nature, 2nd edition. Contemporary Physics, 60 (3), 271–272. https://doi.org/10.1080/00107514.2019.1660722
  33. Vambol, S., Vambol, V., Kondratenko, O., Koloskov, V., Suchikova, Y. (2018). Substantiation of expedience of application of high-temperature utilization of used tires for liquefied methane production. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 2 (87), 77–84. https://doi.org/10.5604/01.3001.0012.2830
  34. Winter, L., Taylor, P., Bellenger, C., Grimshaw, P., Crowther, R. G. (2023). The application of the Lyapunov Exponent to analyse human performance: A systematic review. Journal of Sports Sciences, 41 (22), 1994–2013. https://doi.org/10.1080/02640414.2024.2308441
  35. Dubinin, D., Cherkashyn, O., Maksymov, A., Beliuchenko, D., Hovalenkov, S., Shevchenko, S., Avetisyan, V. (2020). Investigation of the effect of carbon monoxide on people in case of fire in a building. Sigurnost, 62 (4), 347–357. https://doi.org/10.31306/s.62.4.2
  36. Hulse, L. M., Galea, E. R., Thompson, O. F., Wales, D. (2020). Perception and recollection of fire hazards in dwelling fires. Safety Science, 122, 104518. https://doi.org/10.1016/j.ssci.2019.104518
  37. Optical/Heat Multisensor Detector (2019). Discovery, 1, 4.
  38. Kantz, H., Schreiber, T. (2004). Nonlinear Time Series Analysis. Cambridge University Press, 396.
  39. Skokos, Ch. (2009). The Lyapunov Characteristic Exponents and Their Computation. Dynamics of Small Solar System Bodies and Exoplanets. Springer, 63–135. https://doi.org/10.1007/978-3-642-04458-8_2
  40. Wolf, A., Swift, J. B., Swinney, H. L., Vastano, J. A. (1985). Determining Lyapunov exponents from a time series. Physica D: Nonlinear Phenomena, 16 (3), 285–317. https://doi.org/10.1016/0167-2789(85)90011-9
  41. Rosenstein, M. T., Collins, J. J., De Luca, C. J. (1993). A practical method for calculating largest Lyapunov exponents from small data sets. Physica D: Nonlinear Phenomena, 65 (1-2), 117–134. https://doi.org/10.1016/0167-2789(93)90009-p
  42. Kantz, H. (1994). A robust method to estimate the maximal Lyapunov exponent of a time series. Physics Letters A, 185 (1), 77–87. https://doi.org/10.1016/0375-9601(94)90991-1
  43. Heilmann, О. (2023). Multifunctional Echo State Networks: Effects of Topology and Memory on the Reconstruction of Chaotic Attractors. Available at: https://elib.dlr.de/195462/1/Heilmann_Oliver_20.03.2023_fuer_SS2023.pdf
  44. Busse, A. M. (2004). Classification of Processes by the Lyapunov exponent, Technical Report, Universität Dortmund, Sonderforschungsbereich 475 Komplex itätsreduktion in Multivariaten Datenstrukturen. Dortmund, 70. Available at: https://hdl.handle.net/10419/22583
  45. De Micco, L., Antonelli, M., Crespo, M. L., Cicuttin, A. (2017). HW/SW codesign of maximum Lyapunov exponent estimator. 2017 IEEE 8th Latin American Symposium on Circuits & Systems (LASCAS). IEEE, 1–4. https://doi.org/10.1109/lascas.2017.7948066
Determination of the largest Lyapunov exponent of chaos in the dynamics of hazardous parameters of a gas environment for the rapid ignition detection

##submission.downloads##

Опубліковано

2025-12-29

Як цитувати

Толок, І. В., Поспєлов, Б. Б., Рибка, Є. О., Савченко, С. В., Козар, Ю. Ю., Крайнюков, О. М., Споришев, К. О., Маладика, Л. В., Сур’янінов, В. М., & Гаріфуллін, М. В. (2025). Визначення найбільшого показника Ляпунова хаотичності динаміки небезпечних параметрів газового середовища для оперативного виявлення займання матеріалів у приміщеннях. Technology Audit and Production Reserves, 6(3(86), 21–26. https://doi.org/10.15587/2706-5448.2025.345030

Номер

Том 6 № 3(86) (2025): Хімічна інженерія

Розділ

Екологія та технології захисту навколишнього середовища

Ліцензія

Авторське право (c) 2025 Igor Tolok, Boris Pospelov, Evgenіy Rybka, Serhii Savchenko, Yurii Kozar, Olekcii Krainiukov, Konstantin Sporyshev, Larysa Maladyka, Vyacheslav Surianinov, Maksym Harifullin

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.