Введение к работе
Актуальность исследования. Последние десятилетия XX века и начало XXI характеризуются прогрессирующим с каждым годом во всем мире увеличением социальных и экономических потерь от опасных природных, техногенных и антропогенных процессов, поэтому одной из важнейших проблем в настоящее является обеспечение безопасности населения и территорий при реализации указанных процессов.
При этом все более актуальными и злободневными являются вопросы, связанные с опасностями инженерно-технического, социально- экономического и медико-биологического характера, исходящими от геологической составляющей окружающей среды, которые общепринято называют геодинамическими опасностями. К таким опасностям относятся, например, землетрясения, крип, оползни, обвалы, проседания, карст, подтопления, и т.д.
Любой вид человеческой деятельности «привязан» ко вполне определенному объему освоенного, осваиваемого или планируемого к разработке геосферного пространства, комплексно включающего в себя такие составляющие, как литосфера, атмосфера, гидросфера, космосфера, биосфера, антропосфера, и эта деятельность разворачивается на конкретной территории различного масштабного уровня и целевого назначения.
Эти территории мы будем называть территориальными системами (ТС), под которыми понимаются ландшафтно-территориальные комплексы, обеспечивающие посредством выработанных человеком правил и существующих в природе законов протекание на территории конкретного целевого назначения и определенного масштабного уровня процессов, направленных на поддержание устойчивого существования и безопасного развития человеческого сообщества.
Задачи обеспечения безопасности и комплексной оценки рисков в сложных распределенных природно-технических системах, а таковыми являются и территориальные системы, принадлежат к разряду задач стратегического характера. Для их успешного разрешения необходимо снять ряд неопределенностей, каждая из которых представляет собой достаточно сложную проблему. К таким проблемам-неопределенностям относятся:
неполнота информации о пространственно-временном распределении внешнего воздействия на систему;
неполнота информации о состоянии и поведении сложных систем;
неопределенность в поведении систем.
Снятие указанных неопределенностей в контексте геодинамических опасностей должно основываться на решении следующих задач:
выявлении факторов геодинамического риска;
количественной оценке зон геодинамического риска;
ранжировании территории по степени геодинамического риска;
прогнозировании геодинамических опасностей и исследовании их динамики;
разработке стратегии безопасного и устойчивого развития территориальных систем.
Решение обозначенных проблем и задач необходимо вывести за рамки традиционного качественного описания, либо проведения исключительно приборных исследований, которые позволяют отслеживать реализацию опасных геодинамических событий в режиме реального времени, но затрудняют возможность осуществления превентивных мероприятий.
Таким образом, решение этих задач и проблем должно быть построено на математическом моделировании, эффективных численных методах и их алгоритмах, реализованных в виде комплексов проблемно - ориентированных программ.
До настоящего времени не выработано единой научно- обоснованной методологической базы, позволяющей комплексно оценивать опасные процессы геодинамического происхождения. Задача оценки геодинамического риска в основном решается для территорий нефте- газопромыслового назначения и стратегических объектов повышенной опасности, в частности, АЭС, и то, как показали последние события в Японии, недостаточно эффективно. Т.е., сама проблема создания единой унифицированной методологии математического моделирования и оценки геодинамических рисков в ТС различного масштабного уровня и целевого назначения до сих пор не затрагивалась.
Все это вынуждает ставить вопрос о создании такой методологии, позволяющей на формализованном математическом языке комплексно рассматривать и решать указанные выше проблемы и соответствующие им задачи, а также разрабатывать новые и совершенствовать существующие стратегии обеспечения безопасного и устойчивого развития ТС.
Такая методология должна выводить практические инженерные, строительные, управленческие и многие другие задачи на уровень ана- литико-методологических исследований. В ходе разработки методологии необходимо получить совокупность научно обоснованных технических и экономических решений, внедрение которых позволит внести значительный вклад в развитие экономики страны и в повышение ее обороноспособности.
Диссертационная работа посвящена решению актуальной научной проблемы - разработке на базе новых математических моделей и эффективных численных методов, реализованных в виде комплексов проблемно-ориентированных программ, методологии обеспечения безопасности населения и территорий от возможных проявлений опасных процессов геодинамического происхождения и комплексной оценки вызываемых ими рисков.
Объектом исследования являются безопасность и совокупность рисков в территориальных системах, подвергающихся воздействию опасных процессов геодинамического происхождения.
Предмет исследования составляют математические модели и методы оценки рисков в территориальных системах в условиях воздействия опасных процессов геодинамического происхождения.
Цель диссертационной работы состоит в разработке, исследовании и обосновании новых математических моделей и методов оценки рисков в территориальных системах, подвергающихся воздействию геодинамических факторов, позволяющих на основе реализации эффективных численных методов и алгоритмов в виде комплексов проблемно- ориентированных программ решать задачи повышения безопасного и устойчивого развития этих систем.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
-
-
Проведено комплексное исследование проблем обеспечения безопасности населения и оценки рисков в территориальных системах с учетом природных, техногенных и антропогенных факторов геодинамическим происхождения с применением современной технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента.
-
Разработана новая методология математического моделирования и оценки рисков в территориальных системах в условиях воздействия опасных природных, техногенных и антропогенных процессов геодинамического происхождения.
-
Создан, исследован и обоснован комплекс математических моделей оценки геодинамической устойчивости среды территориальных систем различной масштабности и математических моделей оценки в них геодинамического риска, позволяющих осуществить ранжирование данных систем по степени этого риска.
-
Разработаны математические методы формализованного описания взаимодействий, протекающих в среде ТС и их количественной интерпретации на основе эффективных численных методов с применением ЭВМ.
-
Разработаны математические методы аналитического построения, численного синтеза и оптимизации модели анализа рисков в ТС, подвергающихся воздействию опасных процессов геодинамического характера.
-
Проведены разработка, обоснование и тестирование эффективного численного метода сравнительного количественного анализа различных методов оценки геодинамических опасностей, возникающих при реализации экзогенных геологических процессов.
-
Выполнена на основе реализации эффективных численных методов и алгоритмов в виде комплексов проблемно-ориентированных программ для проведения вычислительного эксперимента, количественная оценка геодинамического риска для ТС различной масштабности с построением информативных карт, отражающих степень этого риска.
Методы исследований. При разработке методологии математического моделирования и оценки рисков в среде территориальных систем были применены методы системного подхода к изучению природных, техногенных и антропогенных явлений и процессов. При построении математических моделей геодинамической устойчивости территории были использованы методы механики сплошных сред, теории дифференциальных уравнений, спектрального Фурье-анализа.
Реализация построенных моделей осуществлялась на основании данных о характеристиках окружающей среды, полученных с помощью инженерно-геологического, гидрологического, гидрогеологического, метеорологического методов исследования, а также метода геомор- фоструктурного районирования территории.
При разработке математического метода оптимизации модели анализа рисков в ТС в условиях реализации чрезвычайных ситуаций геодинамического характера использовались методы теории оптимального управления. При обработке промежуточных и выходных данных применялись методы регрессионного и корреляционного анализа, а также метод спектрально-временного анализа данных. Программное обеспечение для реализации поставленных в работе цели и задач разработано в среде Borland Pascal и Turbo Basic. Работа с базами данных осуществлялась в среде MS Excel и MS Access.
При выполнении исследований автор опирался на теоретические результаты отечественных и зарубежных ученых: в области теории математического моделирования, численных методов, информационных технологий и их прикладного применения при исследовании естественнонаучных объектов - В.В. Власова, Ю.В. Гуляева, Г. Джеффриса, О.Н. Зенкевича, В.А. Зернова, В.И. Кейлис-Борока, А.С. Крюковского,
-
-
-
И. Лурье, А. Лява, Н.И. Мусхелишвили, С.А. Никитова, А.А. Потапова, А.А. Самарского, И.Н. Снеддона; в области теории динамики опасных геодинамических процессов - Е.В. Артюшкова, В.М. Кутепова,
-
А. Магницкого, В.И. Осипова, Н.Н. Радаева, Г.А. Соболева; в области теории анализа рисков чрезвычайных ситуаций в природной, техногенной и антропогенной сферах - В.А. Акимова, Н.Н. Брушлинского, В.А. Минаева, В.Ф. Протасова, А.Л. Рагозина, Н.Г. Топольского и многих других.
Научная новизна. При исследовании проблемы обеспечения безопасности населения и территорий от возможных проявлений опасных процессов геодинамического происхождения и комплексной оценки вызываемых ими рисков автором впервые:
-
-
-
-
Разработана новая методология математического моделирования и оценки рисков в ТС, подвергающихся воздействию опасных природных, техногенных и антропогенных процессов геодинамического происхождения.
-
Разработаны базовые положения теории динамического кварта- поля и на основе эффективных численных методов, реализованных в виде проблемно-ориентированных программ, осуществлено их практическое приложение к задачам обеспечения безопасности и комплексной оценки рисков в ТС в условиях воздействия опасных природных, техногенных и антропогенных факторов геодинамического происхождения.
-
Созданы, исследованы, теоретически обоснованы и практически реализованы в виде комплекса проблемно-ориентированных программ современные математические модели оценки геодинамической устойчивости среды ТС, модели оценки риска геодинамического характера в ТС различного масштабного уровня и построены информативные карты районирования этих систем по степени геодинамического риска.
-
Предложен алгоритм комплексной оценки рисков в территориальных системах различного масштабного уровня в условиях воздействия геодинамических факторов.
-
Разработаны математические методы формализованного описания взаимодействий и их количественной интерпретации в среде ТС, подвергающейся воздействию геодинамических факторов.
-
Разработана модель анализа рисков и метод ее оптимизации в ТС в условиях воздействия геодинамических факторов.
-
Разработан математический метод реализации численного синтеза состояний модели анализа рисков в ТС в условиях воздействия геодинамических факторов и на основе проведения вычислительного эксперимента выполнен численный синтез её функциональных состояний.
-
Разработан, обоснован и тестирован эффективный численный метод сравнительного количественного анализа различных методов оценки опасных геодинамических процессов, влияющих на безопасность ТС.
-
Разработан и практически реализован математический метод ана- литико-количественного анализа документально-законодательной базы, отражающей воздействия на риски при реализации опасных природных, техногенных и антропогенных процессов в территориальных системах.
Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы для:
-
-
-
-
-
детального исследования природной, техногенной и антропогенной обстановки для ТС различного масштабного уровня и целевого назначения;
-
классификации и уточнения оценки качества отдельных участков ТС для выбора районов строительства различных объектов с учетом природных, техногенных и антропогенных факторов;
-
создания эффективных геодинамических моделей среды ТС различного масштабного уровня и целевого назначения и их вероятностной оценки;
-
разработки оптимальной стратегии обеспечения безопасного и устойчивого развития ТС различного масштабного уровня и целевого назначения;
-
создания компьютерного атласа районного, областного или регионального масштаба, включающего в себя информацию по геофизическим полям, полям напряжений, смещений, деформаций, карты геодинамического риска и вероятностного прогноза развития геодинамической ситуации.
Реализация результатов работы. Полученные в ходе исследований по данному направлению результаты были использованы: при проектировании информационного компьютерного атласа Рязанской области Рязанским центром информатики и математического моделирования РАН (1999 - 2000 гг.); для формирования электронных каталогов данных дистанционного зондирования Земли и проектирования геоинформационных систем оперативного мониторинга опасных природных явлений (НИИ «Фотон», г. Рязань, 2007 - 2008 гг.); при оценке территории под строительство гражданских жилых и особо важных объектов в г. Рязани (2001 - 2002 гг.); в ходе реализации тем научных исследований «Оценка зон геоэкологического риска в местах дислокации подразделений уголовно-исполнительной системы (УИС)» (2002 - 2003 гг.); «Научно-методическое обеспечение развития промышленного сектора УИС» (2004 г.); «Оценка мест возможных землетрясений на платформах и прилегающих к ним орогенах» (ОИФЗ им. О.Ю. Шмидта РАН) (1998 - 2002 гг.); «Изучение явлений низкочастотного и сверхнизкочастотного диапазонов в динамике геосфер» (НЦВИ ИОФ им. А.М. Прохорова РАН) (2002 - 2005 гг.); «Оценка геодинамической безопасности для учреждений УИС Центрального федерального округа РФ» (2004 - 2008 гг.). Результаты исследований внедрены в практику учебного процесса на кафедре физической географии, экологии и методики их преподавания в Рязанском государственном университете (РГУ) (курс «Техногенные системы и экологический риск», 2002 - 2005 гг.), а также на факультете управления и Высших академических курсах в Академии ФСИН России (2003 - 2010 гг.).
Акты о внедрении результатов работы из НЦВИ ИОФ им. А.М. Прохорова РАН, НИИ «Фотон» ГОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет» (РГРТУ), ЗАО Институт «Рязанграж- данпроект», ОАО «Московское конструкторское бюро «Компас», УФСИН России по Рязанской области, Академии ФСИН России, ГОУ ВПО «Рязанский государственный университет» (РГУ) прилагаются.
Защищаемые научные положения.
-
-
-
-
-
-
Теоретические основы математического моделирования взаимодействий, протекающих в среде территориальных систем, с учетом влияния геодинамических факторов и методов количественной интерпретации указанных взаимодействий.
-
Комплекс математических моделей оценки геодинамического риска и геодинамической устойчивости в территориальных системах различного масштабного уровня.
-
Алгоритм комплексной оценки рисков в ТС, подвергающихся воздействию опасных природных, техногенных и антропогенных факторов геодинамического происхождения.
4. Результаты исследований по выявлению и оценке зон гео динамического риска в ТС различного масштабного уровня в виде информативных карт их районирования по степени данного риска, а также алгоритмы оценки геодинамического риска в виде проблемно-ориентированных программ, позволяющие разрабатывать оптимальные стратегии повышения безопасности и устойчивости развития ТС.
Достоверность результатов диссертационной работы определяется комплексным характером, согласованностью результатов теоретических исследований, численного моделирования и интерпретации наблюдательных данных между собой, их воспроизводимостью, сопоставимостью полученных результатов с теоретическими оценками, приведенными в работах других авторов, а также с известными экспериментальными результатами и данными. Новые теоретические и практические результаты получены с помощью строгих общепризнанных теорий и методов, например, таких как теория дифференциальных уравнений, методы механики сплошных сред и т.п. Адекватность созданных математических моделей подтверждена тестовыми расчетами и сопоставлением полученных результатов с распределениями произошедших опасных геодинамических событий в различных регионах России и ряда других государств.
Основные результаты исследований были доложены и обсуждены: на Международной научной конференции «Геодинамика и геоэкология» (УрО РАН, Архангельск, 1999 г.); объединенных геофизических семинарах в ОИФЗ им. О.Ю. Шмидта РАН по проблемам сейсмичности Восточно-Европейской платформы (Москва, 1999, 2000 гг.); научном семинаре в НЦВИ ИОФ им А.М. Прохорова РАН по проблемам безопасности заселенных территорий (Москва, 2003 г.); IV российско- украинском научно-техническом симпозиуме «Современные информационные технологии в науке, производстве и образовании» (Пенза, 2004 г.); научно-практическом семинаре в Международной Академии туризма по проблемам опасных природных процессов и явлений (Москва, 2005 г.); Всероссийском научно-практическом семинаре «Экономическая безопасность учреждений УИС в современный период» (Рязань, 2006 г.); XXV - XIX научно-технических конференциях «Системы безопасности» - СБ-2006 - СБ-2010 (Москва, Академия ГПС МЧС РФ, 2006 - 2010 гг.); Межрегиональной научно-практической конференции «Туризм: менеджмент и межкультурные коммуникации» (Астрахань,
-
-
-
-
-
-
-
г.); Международном форуме «Южный Урал как единение Европы и Азии. Туризм: мир и устойчивое развитие» (Магнитогорск, 2006 г.); Международном форуме «Туризм: наука и образование» (Москва,
-
г.); Международных научно-практических конференциях «Туризм и рекреация: фундаментальные и прикладные исследования» (Москва, 2006 - 2008 гг.); IX Международной научной конференции «Цивилизация знаний: инновационный переход к обществу высоких технологий» (Москва, 2008 г.); научно-практической конференции «Сложность и самоорганизация. Будущее мира и России» (Москва, 2008 г.), международной научно-образовательной конференции «Наука в вузах: математика, физика, информатика. Проблемы высшего и среднего профессионального образования» (Москва, 2009 г.); XI Международной научной конференции «Цивилизация знаний: инновационный переход к обществу высоких технологий» (Москва, 2010 г.), XII Международной научной конференции «Цивилизация знаний: проблема человека в науке XXI века» (Москва, 2011 г.) и многих других.
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 3 монографиях, одном учебнике и 69 статьях в отечественных и зарубежных изданиях по работам, выполненным автором в период 1990 - 2010 гг. Из них - 15 работ в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования результатов докторских диссертационных исследований.
Структура и объем диссертационной работы. Материалы диссертационной работы изложены на 432 страницах компьютерного текста и включают: введение, пять глав, заключение, список литературы из 432 наименований, 88 рисунков, 17 таблиц и 7 приложений.
Похожие диссертации на Математическое моделирование и методы оценки рисков в территориальных системах, подвергающихся воздействию геодинамических факторов
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
