Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы оперативного управления объектами и территориями при ликвидации чрезвычайных ситуаций 12
1.1 Определение и классификация чрезвычайных ситуаций 12
1.2 Задачи аварийно - спасательных служб в чрезвычайных ситуациях природного и техногенного характера и при подготовке к их ликвидации 19
1.3 Организация экстренной помощи в чрезвычайных ситуациях за рубежом 23
1.4 Системы оперативно-диспетчерского управления в чрезвычайных ситуациях: состояние и перспективы развития 27
1.4.1 Функциональное назначение 27
1.4.2 Организационно-техническая структура и комплекс технических средств ЕДДС и ОСОДУ 31
1.5 Системы прогнозирования и ликвидации чрезвычайных ситуаций на потенциально опасных промышленных объектах 40
1.6 Постановка комплекса задач оперативного управления объектами и территориями в чрезвычайных ситуациях природного и техногенного характера 41
1.7 Выводы 45
Глава 2. Комплекс логико-лингвистических и графовых моделей для оперативного управления объектами и территориями при ликвидации чрезвычайных ситуаций 47
2.1 Общая характеристика комплекса моделей: назначение, область применения, ограничения и допущения 47
2.2 Фреймовые и графовые модели знаний о чрезвычайных ситуациях 52
2.3 Модели знаний о чрезвычайных ситуациях на основе логических функций и системы продукций 59
2.4 Применение разработанных математических моделей при решении
практических задач оперативного управления объектами и территориями 76
2.5 Выводы 79
Глава 3. Метод и алгоритмы оперативного управления объектами и территориями в условиях чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера 81
3.1 Общая характеристика метода решения 81
3.1.1 Выбор математического аппарата 81
3.2 Формирование метрического пространства объекта управления 84
3.3 Разработка математической модели для оценки величины ущерба от чрезвычайной ситуации 91
3.4 Алгоритм решения задачи методом динамического программирования 98
3.5 Модельный пример решения задачи 103
3.6 Выводы 116
Глава 4. Экспериментальная проверка и внедрение разработанного математического обеспечения в информационных системах РСЧС 118
4.1 Анализ вычислительной сложности решаемой задачи 118
4.2 Особенности функционирования программного комплекса, реализующего разработанные модели и алгоритмы 127
4.3 Методика подтверждения достоверности разработанного математического и программного обеспечения 131
4.4 Опыт внедрения результатов исследований в информационных системах РСЧС 140
4.4.1 Использование программного тренажера в информационной
системе Главного Управления МЧС по Самарской области 143
4.4.2 Внедрение пакета прикладных программ ExtSit на промышленных предприятиях 145
4.5 Выводы 147
Заключение 149
Литература '52
- Определение и классификация чрезвычайных ситуаций
- Общая характеристика комплекса моделей: назначение, область применения, ограничения и допущения
- Выбор математического аппарата
- Анализ вычислительной сложности решаемой задачи
Введение к работе
Актуальность темы. Интенсивное развитие современной промышленности, быстрый рост населения планеты, невысокий уровень экологического сознания многих руководителей экономики и политиков, разрушительные военные конфликты часто приводят к возникновению крупных аварий, стихийных бедствий, эпидемий и катастроф. Так только на территории России за год в среднем происходит около 230 - 250 крупных событий чрезвычайного характера, связанных с опасными природными явлениями, и 900 - 950 техногенных катастроф.
Один из путей уменьшения разрушительного воздействия этих чрезвычайных ситуаций и сокращения ущерба от их возникновения связан с использованием возможностей современной вычислительной техники и информационных технологий, позволяющих улучшить подготовку персонала Российской системы предупреждения и действий в чрезвычайных ситуациях (РСЧС) и значительно повысить эффективность оперативного управления объектами и территориями при ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера.
В настоящее время разработаны, прошли проверку практикой и успешно функционируют в составе РСЧС различные информационные системы, в том числе центр управления в кризисных ситуациях (ЦУКС), системы оперативно-диспетчерского управления в чрезвычайных ситуациях (ОСОДУ), единые дежурно-диспетчерские службы (ЕДДС), системы мониторинга окружающей среды, прогнозирования и ликвидации чрезвычайных ситуаций на потенциально опасных промышленных объектах и др.
Вместе с тем на объектовом уровне РСЧС, сформированном на крупных промышленных предприятиях и в организациях, большинство систем оперативного управления позволяют обеспечить рациональный режим работы только отдельно взятых групп оборудования в стереотипных производственных ситуациях и, как правило, не выдают рекомендаций оперативно-диспетчерскому персоналу при возникновении аварийных и нештатных ситуаций комплексного характера, затрагивающих весь производственный процесс в целом. Между тем, как показывает практика, многие чрезвычайные ситуации развиваются на основе техногенных происшествий именно этого уровня вследствие конструктивных недостатков и изношенности используемого оборудования, низкой квалификации и халатности производственного персонала, серьезных нарушений техники безопасности и т.д.
Указанное обстоятельство обуславливает необходимость разработки и внедрения в составе математического обеспечения информационных систем РСЧС новых моделей, алгоритмов и комплексов программ, позволяющих улучшить подготовку оперативно-диспетчерского персонала промышленных предприятий, а также значительно повысить эффективность оперативного управления объектами и территориями при ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера.
Тема диссертации, внедрение основных результатов проведенных исследований непосредственно связаны с приоритетными направлениями развития науки и техники Российской Федерации, а также с ее критическими технологиями в следующих разделах и пунктах.
Приоритетные направления развития науки, технологий и техники в Российской Федерации. 04 Информационно-телекоммуникационные системы
Перечень критических технологий Российской Федерации. 21 Технологии снижения риска и уменьшения последствий природных и техногенных катастроф
Кроме того, тема диссертации связана с основными научными исследованиями, проводившимися в течение ряда лет в лаборатории "Системные проблемы автоматизации и управления в машиностроении" Института проблем точной механики и управления РАН, а также на кафедрах "Системотехника" и «Информационные системы» Саратовского государственного технического университета.
Характеристика целей исследования. Основная цель диссертации заключается в разработке моделей, алгоритмов и программных комплексов оперативного управления объектами и территориями при ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, а также во внедрении результатов исследований в составе математического обеспечения информационных систем РСЧС объектового и территориального уровня.
Предметом исследования является процесс оперативного управления объектами и территориями, осуществляемый в информационных системах РСЧС при ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера.
Методы исследования. В диссертации использованы методы теории управления, теории графов, динамического программирования, дискретной математики, искусственного интеллекта, функционального анализа, концептуального и логического проектирования баз данных информационных систем.
Научная новизна работы: 1. Впервые разработан комплекс математических моделей, позволяющий формализовать описание стереотипных чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в системах оперативного управления промышленных предприятий и организаций. Его характерной особенностью является объединение в составе единого математического обеспечения логико лингвистических, динамических графовых и логических моделей объекта управления, обладающих различной чувствительностью к точности входной информации, выразительной способностью и возможностью использования зависимостей качественного типа.
2. Предложены и обоснованы ранее неизвестные математические модели и алгоритмы, позволяющие формальным способом проверить выполнимость планов мероприятий, используемых при ликвидации чрезвычайных ситуаций. Проверка основана на описании плана мероприятий системой продукций, формировании на ее основе логической функции, таблица истинности которой позволяет сделать вывод относительно выполнимости намеченного плана мероприятий в условиях конкретной чрезвычайной ситуации.
3. Разработаны новые математические модели и алгоритмы для оценки ущерба, причиненного чрезвычайной ситуацией природного и техногенного характера, используемые в процессе оперативного управления объектами и территориями при определении оптимальной стратегии ее устранения.
4. Сформирована и хорошо зарекомендовала себя на практике оригинальная методология внедрения разработанного математического обеспечения, состоящего из моделей, алгоритмов и комплексов программ, в информационных системах РСЧС объектового и территориального уровня.
Достоверность теоретических разработок, научных положений и выводов подтверждается корректностью применения математического аппарата теории управления, функционального анализа, теории графов, согласованностью результатов теоретических расчетов с данными, определенными в процессе практической апробации работы, имитационным моделированием процесса ликвидации чрезвычайных ситуаций, а также натурными экспериментами с математическим обеспечением информационных систем РСЧС объектового и территориального уровня.
Практическая значимость. Разработанные в диссертации модели, методы и программные продукты позволяют реализовать на практике новые, более эффективные алгоритмы оперативного управления объектами и территориями при ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера и минимизировать ущерб от их возникновения.
Основные теоретические положения диссертационной работы в виде математических моделей, методик, алгоритмов и программ были внедрены в составе информационных систем ОАО "Транспортное машиностроение" (г. Энгельс), а также в структурных подразделениях Главного Управления МЧС по Самарской области. Суммарный годовой экономический эффект от внедрения основных результатов диссертации составил 660 тысяч рублей.
Кроме того, результаты диссертации были использованы в учебном процессе на кафедрах "Системотехника" и «Информационные системы» Саратовского государственного технического университета, а также успешно применены при выполнении работ по теме "Исследование и разработка человеко - машинных методов анализа и синтеза дискретных систем управления сложными объектами", включенной в состав основных заданий Института проблем точной механики и управления РАН.
На защиту выносятся: - формализованное описание распространенных чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, состоящее из комплекса логико-лингвистических моделей, динамических графовых моделей, а также моделей, построенных на основе аппарата булевой алгебры и логических функций;
- методика, математические модели и алгоритмы, позволяющие оценить возможность выполнения намеченного плана мероприятий по нормализации обстановки на контролируемых объектах и территориях; методика основана на описании плана мероприятий системой продукций, формировании на ее основе логической функции, позволяющей сделать выводы относительно возможности или невозможности реализации намеченного плана мероприятий в сложившихся условиях;
- математические модели и алгоритмы оперативного управления объектами и территориями, ориентированные на использование в составе информационных систем РСЧС;
- математические модели и алгоритмы для оценки ущерба, причиненного чрезвычайной ситуацией природного и техногенного характера;
- типовое информационно-программное обеспечение, позволяющее реализовать оперативное управление процессом нормализации обстановки на контролируемых объектах и территориях по критерию минимума ущерба;
- методология внедрения разработанных моделей, алгоритмов и программ в составе математического обеспечения информационно-вычислительных центров РСЧС объектового и территориального уровня.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались в 2002 - 2006 г.г. на научных семинарах кафедр "Системотехника" и «Информационные системы» Саратовского государственного технического университета, научно - практических семинарах лаборатории "Системные проблемы автоматизации и управления в машиностроении" Института проблем точной механики и управления РАН, а также на 6 конференциях различного уровня:
Международной научной конференции «Проблемы национальной безопасности России» (Саратов, 2004 г); Всероссийской научно-практической конференции "Технологии Интернет - на службу общества (актуальные проблемы использования и развития Интернет/Интранет технологий)" (Саратов, 2005 г); III Всероссийской научно -практической конференции «Молодежь и современные информационные технологии» (Томск, 2005 г); Всероссийской научно - практической конференции «Сложные системы. Анализ, моделирование, управление». (Саратов,2005 г); XIX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Воронеж, 2006 г.); 2 Международной научно-практической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности" (Санкт-Петербург, 2006 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы автором в 11 работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения и приложения; она содержит 168 страниц текста, 29 рисунков, 7 таблиц и список использованной литературы из 114 наименований.
Определение и классификация чрезвычайных ситуаций
Для разработки достаточно общих моделей и алгоритмов эффективного управления структурными подразделениями МЧС в условиях чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера необходимо предварительно установить, какая информация потребуется управленческому персоналу МЧС для принятия решений при возникновении экстремальных ситуаций. Опыт работы систем оперативно-диспетчерского управления МЧС показал, что состав и структура этих сведений может значительно изменяться в зависимости от характера ситуации, источника ее возникновения, поражающих факторов, продолжительности их воздействия и многих других условий. В связи с этим обстоятельством одной из целей приведенного ниже обзора является поиск таких классификационных признаков чрезвычайных ситуаций, использование которых позволило бы разработать для каждой классификационной группы стереотипную математическую модель организации данных, на основании которой ЛПР сможет своевременно принять адекватные управленческие решения.
Рассмотрим известные из литературных источников методики классификации чрезвычайных ситуаций.
В настоящее время широкое распространение получила классификация ситуаций, приведенная в Положении о классификации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера утвержденном Постановлением Правительства Российской Федерации № 1094 [1]. В данном документе рассматриваются локальные, местные, территориальные, региональные, федеральные и трансграничные чрезвычайные ситуации, а также приводится точное определение каждой из указанных групп ситуаций. При этом чрезвычайные ситуации классифицируются в зависимости от количества людей, у которых оказались нарушены условия их жизнедеятельности, от величины причиненного экономического ущерба, а также от размеров зон распространения поражающих факторов [1].
Общая характеристика комплекса моделей: назначение, область применения, ограничения и допущения
В первой главе диссертации было установлено, что решению задачи (1.1 - 1.5) должна предшествовать разработка комплекса математических моделей, характеризующих чрезвычайные ситуации в информационных системах оперативно-диспетчерского управления объектового и территориального уровня. При этом было отмечено, что в третьей главе диссертации на основе этого комплекса моделей должны быть сформированы эвристические алгоритмы, позволяющие интерактивном режиме выполнить следующие действия:
- оценить возможность осуществления намеченного плана мероприятий по ликвидации чрезвычайной ситуации,
- разработать алгоритм поэтапной ликвидации чрезвычайной ситуации по критерию минимального ущерба;
- определить данные и документы, которые необходимо учесть ЛПР при выполнении данного плана.
Для решения поставленной задачи во второй главе диссертации разработано стереотипное формализованное описание чрезвычайных ситуаций, состоящее из комплекса логико-лингвистических моделей, динамических графовых моделей, а также моделей, построенных на основе аппарата булевой алгебры и логических функций. Данное математическое обеспечение позволяет формализовать опыт оперативно-диспетчерского персонала по выбору рациональной стратегии поведения в чрезвычайных ситуациях природного и техногенного характера и существенно повышает оперативность и качество принимаемых управленческих решений.
Логико-лингвистические и графовые модели. В разработанном математическом обеспечении логико-лингвистические и графовые модели используются, в основном, при поиске данных и документов, характеризующих возникшую чрезвычайную ситуацию, а также для занесения полученных сведений в базу знаний информационной системы. Выбор данного вида моделей в качестве основы поисковых алгоритмов был обусловлен следующими соображениями.
Выбор математического аппарата
Задача (1.1) - (1.5) принадлежит к классу вариационных задач на условный экстремум. Ее решение классическими методами вариационного исчисления связано со значительными трудностями, основными из которых являются:
- из-за большой сложности объекта управления, наличия в его контуре активных систем весьма затруднительно построить адекватную математическую модель чрезвычайной ситуации природного и техногенного характера в классе алгебраических или дифференциальных уравнений;
- определяемые в процессе решения (1.1) - (1.5) управляющие воздействия не принадлежат к классу непрерывных функций;
- решаемая задача имеет высокую размерность, на ее переменные наложено большое количество ограничений в виде равенств и неравенств;
- значительная длина интервала AT = t,—t делает невозможным К II установить на момент решения задачи закон изменения значений вектора входных параметров Хц)Є на всем интервале AT, что приводит к неопределенности многих переменных, использованных в составе целевой функции и ограничений (1.1) - (1.5); - решение системы нелинейных дифференциальных уравнений высокой размерности требует значительных затрат времени и ресурсов ЭВМ, что вступает в противоречие с требованиями режима оперативного управления.
Анализ вычислительной сложности решаемой задачи
В соответствии с определением, приведенным в монографии Дж.Клира [70], под временной или вычислительной сложностью алгоритма понимается функция f(ft), характеризующая набольшее количество времени, необходимое для решения задачи размерности П.
Очевидно, что разработанные в предыдущих главах диссертации модели и алгоритмы оперативного управления объектами и территориями в условиях чрезвычайных ситуаций могут быть эффективно использованы на практике лишь при условии, что их вычислительная сложность не может быть больше времени А7", отводимого на решение задачи (1.1) - (1.5) в информационных системах РСЧС.
В системах автоматизированного управления, работающих а режиме реального времени, величина AT, как правило, определяется 4 из следующего соотношения ATy At; (At- время поиска 1 = 1 рационального управления; At - время реализации управляющих воздействий; А - время передаточного запаздывания; At - время переходного запаздывания). Исходя из анализа опыта ликвидации чрезвычайных ситуаций, примем что величина AT при решении задач оперативного управления в общем случае не должна превышать 1 часа. Время реализации управляющих воздействий At , зависящее наличия устойчивой связи с каждым из подразделений РСЧС, участвующим в ликвидации возникшей чрезвычайной ситуации, сложности реализации управляющего воздействия, мобильности подразделений и других факторов, как правило, не превышает 30 минут. Время переходного запаздывания At для данного класса объектов управления в основном не превышает 10 минут. С учетом сделанных допущений непосредственно на поиск рационального управления At при решении задачи оперативного управления (1.1) - (1.5) приходится примерно 20 минут.
Похожие диссертации на Математические модели и алгоритмы для автоматизированного управления процессами ликвидации чрезвычайных ситуаций
