Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния методического обеспечения в области управления в чрезвычайных ситуациях 11
1.1. Основные факторы, определяющие возникновение и развитие чрезвычайной ситуации 11
1.2. Чрезвычайная ситуация как объект управления 19
1.3. Моделирование процессов возникновения и развития ЧС 34
1.4. Методическое обеспечение процессов принятия решений на основе результатов моделирования ЧС 50
Выводы по 1-ой главе 55
Глава 2. Моделирование процессов возникновения и развития ЧС на основе нечетких когнитивных карт . 56
2.1. Основные факторы, учитываемые при построении НКК 56
2.2. Типовые модели техногенных ЧС 60
2.3. Способы анализа НКК геотехнического объекта ""
2.4. Методика моделирования процессов возникновения и развития ЧС с использованием НКК (на примере химически опасного объекта) 73
Выводы и результаты по 2-ой главе ^9
Глава 3. Прогнозирование ЧС в сложных ГТО с использованием нейронных сетей
3.1. Математическая постановка задачи прогнозирования
3.2. Многокомпонентные модели состояний ГТО
3.3. Особенности построения нейросетевых моделей для прогнозирования временных рядов 45
3.4. Прогнозирование уровня весеннего половодья рек с помощью многослойных нейронных сетей- 121
Выводы по 3-ей главе 131
Глава 4. Анализ и оптимизация алгоритмов управления в ЧС на основе НКК 133
4.1 Постановка задачи управления в ЧС 133
4.2. Синтез и моделирование алгоритмов управления в ЧС на основе НКК 136
4.3. Оценка эффективности алгоритмов управления в ЧС на основе анализа риск: 140
4.4. Формирование оператиЕных и превентивных планов действий на период половодья с использованием данных прогноза 145
4.5. Интеграция подсистемы моделирования и принятия решений в ЧС в составе ИСППР 148
Выводы по 4-ой главе 151
Заключение 152
Список литературы 154
- Основные факторы, определяющие возникновение и развитие чрезвычайной ситуации
- Основные факторы, учитываемые при построении НКК
- Математическая постановка задачи прогнозирования
- Постановка задачи управления в ЧС
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ
В течение последних десятилетий мир столкнулся с серией крупнейших за всю историю катастроф техногенного и природно-техногенного характера (химические комплексы Севезо, Бхопал, Чернобыльская атомная электростанция, транспортныз системы под Арзамасом и Уфой, буровые платформы в Англии и др.) [79,95]. Опасности в природно-техногенной сфере приводят к прямым и косвенным ущербам национальным экономикам стран СНГ (до 3-8% ВВП), гибели десятков тысяч людей и нанесению увечий сотням тысяч людей, загрязнению огромных территорий [95]. Эти события показывают необходимость разработки новых подходов к управлению безопасностью населения и территорий, выработки эффективных управленческих решений, направленных на снижение риска и смягчение последствий в случае возникновения чрезвычайных ситуаций (ЧС).
Для решения этих проблем на государственном уровне в России разработаны и реализуются Федеральная и входящие в нее региональные целевые программы «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации», в рамках программы научного сотрудничества России и НАТО по направлению «Прогнозирование и предотвращение катастроф» реализуются восемь долгосрочных проектов, среди которых такие проекты как «Оценка состояния и уязвимости объектов инфраструктуры по отношению к множественным угрозам», «Определение роли лиц, принимающих решения, и человеческого фактора в области управления риском катастроф», математическое и физическое моделирование террористических атак на объекты инфраструктуры, с целью снижения их уязвимости и предотвращения техногенных катастроф» и др. Важное место в реализуемых проектах и программах отводится разработке и внедрению информационных и интеллектуальных систем поддержки принятия решений при управлении безопасностью населения и территорий.
Исследованию различных аспектов проблем, связанных с управлением безопасностью, управлением в условиях ЧС, посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых и специалистов - Н.И. Архиповой, В.Е. Гвоздева, А.Н. Елохина, Б.Г. Ильясова, М.Кохринга, Н.Н. Красногорской, В.Г. Крымского, Р.Кука, В.В. Кульбы, В.Маршалла, СВ. Павлова, Г. Рурмана, Р.З. Хамитова, Р.З. Шахраманьяна, С.К. Шойгу, Н.И. Юсуповой и др.
Тем не менее, несмотря на значительные успехи в решении проблем управления в ЧС, далеко не все задачи в этой области можно считать решенными. Сказанное, в первую, очередь относится к разработке методов моделирования процессов возникновения и развития ЧС. Недостаточное внимание уделено вопросам динамического моделирования процессов оперативного управления в ЧС, по-прежнему актуальны исследования, направленные на разработку систем поддержки принятия решений при оперативном управлении в условиях ЧС.
По сравнению со штатным функционированием, задача управления в условиях ЧС существенно усложняется. Многие авторы выделяют проблемы оперативного управления в условиях ЧС на опасных производственных (техногенных) объектах, которые характеризуются недостатком и противоречивостью информации о причинах и характере протекания ЧС, изменении структуры и объемов сил и средств, предназначенных для локализации и ликвидации ЧС. Основную сложность управления техногенной ЧС составляет проблема оперативного анализа складывающейся обстановки для формирования общего замысла локализации ЧС, определения конкретных мероприятий и порядка взаимодействия сил и средств.
Перечисленные обстоятельства обуславливают актуальность темы настоящего исследования, направленного на разработку методов и алгоритмов моделирования процессов возникновения и развития ЧС, выработки планов действий в случае возникновения ЧС, оптимизации выделения ресурсов на локализацию и ликвидацию последствий ЧС. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Целью работы является разработка методов, алгоритмов и методик
моделирования процессов возникновения и развития ЧС, а также управления в ЧС и реализация разработанных алгоритмов в составе автоматизированной информационно-управляющей системы (АИУС) Управления по чрезвычайным ситуациям при Правительстве Республики Башкортостан.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
разработка моделей возникновения и развития ЧС для типовых опасных объектов;
разработка алгоритмов моделирования процессов возникновения и развития ЧС с использованием нечетких когнитивных карт;
разработка алгоритмов прогнозирования состояния геотехнического объекта с использованием нейронных сетей;
разработка метода и алгоритмов оценки эффективности управляющих воздействий по локализации и ликвидации ЧС;
разработка метода и алгоритмов синтеза оптимальных решений по предупреждению возникновения ЧС, локализации и ликвидации последствий ЧС;
разработка программного обеспечения, реализующего предложенные методы моделирования, синтеза и оптимизации алгоритмов управления в ЧС.
Решение поставленных задач имеет существенное значение для повышения эффективности Енформационного обеспечения и оперативности принятия решений в условиях чрезвычайных ситуаций техногенного характера.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
В работе использовались методы системного анализа, теории управления, теории принятия решений, теории графов, теории нейронных сетей, методы когнитивного и имитационного моделирования, автоматизированного проектирования информационных систем.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА
Научную новизну составляют следующие результаты.
1. Методика моделирования процессов возникновения и развития ЧС
на основе нечетких когнитивных карт, позволяющая получать информацию
об изменении состояния опасного производственного объекта при имитации
воздействия угроз (дестабилизирующих факторов) на объект, оценивать
динамику развития ЧС с учетом возможных управляющих воздействий,
выявлять «уязвимые места» объекта, угрозу или комплекс угроз, наиболее
неблагоприятно влияющих на объект, определять устойчивость
функционирования объекта по отношению к действию той или иной угрозы.
Особенностью предлагаемой методики является использование нечеткой
логики для оценки причинно-следственных связей процессов в случае развития
ЧС, а также подход к построению НКК, основанный на их моделировании в
среде MatLab.
2. Метод прогнозирования уровня воды в реке в период весеннего
половодья, основанный на обнаружении нейронной сетью скрытых
закономерностей исследуемых временных последовательностей (максимальных
уровней воды в реке за предыдущие годы) и использовании их для вычисления
прогнозируемого значения, новизна подхода заключается также в
использовании «группы нейронных сетей» для получения минимального и
максимального прогнозного значения.
3. Метод синтеза оптимальных решений по предупреждению
возникновения ЧС, а также локализации и ликвидации последствий в случае
ЧС, основанный на применении генетического алгоритма, позволяет
определить оптимальное сочетание уровня риска ЧС (а следовательно, потерь и
ущерба) и объема ресурсов, привлекаемых для локализации и ликвидации ЧС.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ Практическую ценность представляют:
Модели процессов возникновения и развития ЧС, а также управления в условиях ЧС на примере установки по сжижению хлора.
Алгоритм нейросетевого прогнозирования максимального уровня воды в реках Белая, Уфа и Дёма в период половодья.
Метод синтеза оптимальных решений по предупреждению и ликвидации ЧС, позволяющий определять набор мероприятий, для минимизации потерь от возникновения ЧС.
Информационная система поддержки принятия решений, интегрируемая в состав АИУС, включающая в себя базу знаний с нечеткими правилами и подсистему выработки планов действий ликвидации ЧС на базе генетических алгоритмов.
СВЯЗЬ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ С НАУЧНЫМИ ПРОГРАММАМИ Работа выполнена в период 2002-2005 гг. на кафедре Вычислительной техники и защиты информации Уфимского государственного авиационного технического университета в рамках Республиканской целевой программы и Уфимской городской программы «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Республике Башкортостан до 2005 года» по заказу Правительства Республики Башкортостан.
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ
Методика моделирования и анализа процессов возникновения и развития ЧС на основе нечетких когнитивных карт с реализацией моделей в среде MatLab.
Алгоритм прогнозирования максимального уровня воды в реке в период половодья на базе нейросетевого моделирования.
3. Метод синтеза оптимальных решений по предупреждению и
ликвидации ЧС, основанный на поиске требуемого объема ресурсов для
достижения минимального риска ЧС.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах:
- Вторая Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы прогнозирования, предотвращения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций», г. Уфа, 2001;
Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс», г. Новосибирск, 2001;
Сибирская научно-техническая конференция «Наука- Промышленность-Оборона», г. Новосибирск, 2001;
-Третья Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы прогнозирования, предотвращения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций», г. Уфа, 2002;
Международная молодежная научная конференция «Интеллектуальные системы управления и обработки информации», г. Уфа, 2002;
Международная научно-техническая конференция «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций, г. Уфа, 2003;
Международная молодежная научная конференция «Интеллектуальные системы управления и обработки информации», г. Уфа, 2003;
-4-й Международный семинар «Компьютерные науки и информационные технологии» (CSIT'2003), г. Уфа, 2003.
ПУБЛИКАЦИИ
Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 11 источниках, включая 3 статьи и 8 тезисов докладов на конференциях.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения,
библиографического списка. Работа изложена на 153 страницах
машинописного текста. Библиографический список включает 116
наименований.
Автор выражает глубокую благодарность заместителю начальника Управления по чрезвычайным ситуациям при Правительстве Республики Башкортостан Ильдару Ураловичу Ямалову за высококвалифицированные консультации в области моделирования процессов управления в ЧС.
Основные факторы, определяющие возникновение и развитие чрезвычайной ситуации
Одной из важнейших законодательных основ реализации конституционного права граждан России на жизнь и безопасность является Федеральный Закон «О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» [65], в соответствии с которым чрезвычайная ситуация — это обстановка на определенной территории, сложившаяся в результате аварии, опасного природного явления, катастрофы, стихийного или иного бедствия, которые могут повлечь или повлекли за собой человеческие жертвы, ущерб здоровью людей или окружающей природной среде, значительные материальные потери и нарушение условий жизнедеятельности людей. Чрезвычайные ситуации сопровождаются поражающими факторами - крупными взрывами, пожарами, загрязнениями грунтов, водоемов и воздушной среды, затоплениями, разрушениями на объектах транспорта, промышленности, жилого сектора и др., в результате чего появляется угроза жизни и здоровью человека, нарушения условий жизнедеятельности. Ущерб, наносимый чрезвычайными ситуациями, дестабилизирует экономическую и социальную сферы жизнедеятельности. Основные источники угроз безопасности для населения и территорий, связанные с ЧС природного и техногенного характера, показаны на рис. 1.1.
В целях формирования единого понятийного аппарата в области защиты от чрезвычайных ситуаций Госстандартом Российской Федерации был разработан и введен в действие комплекс стандартов «Безопасность в чрезвычайных ситуациях», часть из которых решением Межгосударственного совета по стандартизации, сертификации и метрологии переведена на уровень межгосударственных [1].
Наряду с комплексом стандартов при классификации ЧС, специалисты руководствуются также «Положением о классификации ЧС природного и техногенного характера», утвержденным Постановлением Правительства РФ №1094 от 13.09.1996 г. В целях обеспечения единого подхода к классификации ЧС целесообразно использовать схему классификации, основанную на положениях ГОСТ и соответствующего постановления Правительства РФ (рис. 1.2).
В литературе появляются материалы, в которых авторы предлагают свои взгляды на классификацию ЧС. Так, в [2] предложена классификация ЧС по причинам возникновения (рис. 1.3).
В [2, 3] предложена схема связи источников ЧС, видов опасностей и потерь от них (рис. 1.4).
Источниками ЧС выступают различные явления. Все явления, которые нельзя отнести к управлению, называют обстановкой. Совокупность обстановки и принимаемого решения есть ситуация [4].
Из перечисленных определений следует, что возможно существование бесконечного числа различных ситуаций. Для идентификации чрезвычайных ситуаций Приказом МЧС России №329 от 08.07.2004 г. определены критерии ЧС, которые, в соответствии с положениями Приказа, разделены,на общие критерии и критерии, учитывающие особенности источника ЧС [5]. Так, общим критерием ЧС при ч пожарах в зданиях (сооружениях) жилого, административного, учебно-воспитательного, социального, . культурно досугового назначения, здравоохранения является наличие 2-х (и более) погибших или 4-х (и более) пострадавших человек пострадавших или прямой материальный ущерб 1500 минимальных размеров оплаты труда (и более). В соответствии с критериями, учитывающими особенности источника ЧС, любой факт пожара или взрыва на транспортных средствах, перевозящих опасные грузы, относится к чрезвычайной ситуации.
Регулирование государственного управления в области защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций осуществляется Российским законодательством, представленным в федеральных конституционных Законах, среди которых, кроме Закона «О защите населения и территорий от ЧС природного и техногенного характера», также можно отметить Законы «О чрезвычайном положении», «О военном положении», «О гражданской обороне», «Об охране окружающей природной среды», «О техническом регулировании» и др. Вместе с тем, в указанных законах используется несогласованная терминология, имеются разночтения. Наряду с понятием чрезвычайная ситуация, используются также термины кризисная ситуация, критическая ситуация, аварийная ситуация.
Основным и наиболее распространенным понятием, обозначающим опасное техногенное событие, является авария - опасное техногенное происшествие, создающее на объекте, определенной территории или акватории угрозу жизни и здоровью людей и приводящее к разрушению зданий, сооружений, оборудования и транспортных средств, нарушению производственного или транспортного процесса," а также к нанесению ущерба окружающей природной среде [6].
На техногенных объектах, вследствие неблагоприятного влияния внешней среды, отказов или сбоев аппаратно-программного обеспечения, ошибок персонала, приводящих к нарушению ограничений, установленных для характеристик процесса функционирования, объекта могут возникать критические ситуации [7]. Как таковое, «единое» определение критической ситуации отсутствует. В [8] приведен ряд возможных определений критической
ситуации, отображающих различные точки зрения. С точки зрения безопасности функционирования объекта управления, критическая ситуация -это такая ситуация, которая возникает в процессе функционирования сложного объекта и при возникновении которой, если не принять и не реализовать соответствующие решения своевременно, может произойти переход в неуправляемую аварийную ситуацию. С точки зрения управления, критическая ситуация определяется как невозможность или затруднительность реализации функции управления сложным объектом с удовлетворительным качеством, которое бы позволило достаточно близко приблизиться к желаемой цели. Степень близости к цели определяется в каждом конкретном случае на основе определенных критериев эффективности управления.
В результате реализации на определенных территориях различных по своему характеру, масштабам и продолжительности угроз жизненно важным интересам личности и общества в последние годы в обиход вошло еще одно важное понятие — кризисная ситуация.
Кризисная ситуация,- это обстановка на определенной территории, сложившаяся в результате техногенной аварии, опасного природного явления, стихийного бедствия, террористического акта, социально-экономического или межнационального конфликта, которая повлекла за собой человеческие жертвы, значительные материальные потери, угрожающие жизни и безопасности граждан, нормальной деятельности государственных и общественных институтов. В [9] предложено качественное описание критериев кризисных ситуаций."
Основные факторы, учитываемые при построении НКК
Возникновение ЧС связано с множеством причин, а развитие ЧС, в свою очередь, зависит от сопутствующих явлений, которые могут выступать как источники «деммпфирования» процесса развития ЧС, так и, наоборот, стимулировать его развитие.
Основной целью моделирования процессов возникновения и развития ЧС является снижение рисков и смягчение последствий от них. Достижение этой цели сводится к решению следующих задач: обучение руководящего и рабочего персонала действиям в случае возникновения ЧС; обеспечение поддержки принятия решений руководящего персонала для локализации и ликвидации ЧС; обеспечение планирования сил и средств, финансовых и материально-технических резервов на случай возможного возникновения ЧС. Необходимость решения поставленных задач продиктована нормативно-правовыми актами законодательства Российской Федерации [15,16,65, 69], что дополнительно подчеркивает актуальность задачи моделирования процессов возникновения и развития ЧС. С учетом специфики возникновения и развития техногенных ЧС (внезапность, быстротечность, высокая цена последствий принятия решений), к моделям ЧС предъявляются следующие требования [33]: а) получение обобщенной картины вместо обилия цифр, - даже в том случае, если получаемые исходные данные неполны, неточны, искажены и противоречивы; б) анализ текущей ситуации в динамике, включая прогноз ее развития; в) сравнительный анализ сценариев развития ситуации, в зависимости от располагаемых ресурсов и действий лица, принимающего решения (ЛПР); г) получение рекомендаций по оптимальным вариантам управления (принятия решений); д) оценку рисков и расчет шансов на успех тех или иных решений.
Для моделирования техногенных ЧС на опасном геотехническом объекте (ГТО) с использованием НКК необходимо определить элементы, дестабилизация работы или состояния которых ведет к существенным негативным последствиям, т.е. те элементы, функционирование которых потенциально (изначально) предполагает наличие опасности, угрозы возникновения ЧС. Элементы, которые являются возможными источниками ЧС, представляются в НКК как множества концептов CE1 - {Cf1}. Каждый из концептов характеризуется своей переменной Xf, отражающей состояние концепта (далее - переменная состояния). Особенностью НКК является то, что множество Сш может содержать не только элементы опасных установок, строений т.е. физические элементы, но и социально-экономические категории, влияющие на безопасность ГТО. Следующим важным моментом является выявление возможных причин и угроз возникновения ЧС и формирование из них множества угроз Си = {С,у}, компоненты которого характеризуются переменными X". При анализе причин и угроз возникновения ЧС целесообразно разделить их на внутренние и внешние. К внутренним причинам относятся: - высокая степень износа основных производственных фондов на предприятиях с опасными технологическими процессами; - несоответствие стандартов и норм безопасности производства, разработанных и введенных многие годы назад, современному уровню техники и технологий или сегодняшнему состоянию потенциально опасных факторов; - несоблюдение требований нормативных документов при разработке проектной документации; - нарушение производственной и технологической дисциплины, ошибки персонала; - рост числа и сложности технологических систем.
Внешние угрозы проявляются в виде резкого изменения климатических условий, дестабилизации политических и социально-экономических состояний, стихийных природных явлений и целенаправленных воздействий (например, террористических актов). При анализе угроз возникновения ЧС необходимо иметь в виду, что кроме априорных причин, наличие которых очевидно, всегда имеются и апостериорные (непредвиденные), о которых можно узнать только после их возникновения. Несмотря на свою непредвиденность и непредсказуемость, эти причины приводят к вполне предсказуемым последствиям, таким как пожар, взрыв, разрушение или обрушение конструкций и др., в зависимости от потенциальных опасностей, присущих объекту. Поэтому при моделировании необходимо предусмотреть совокупность сценариев, описывающих «беспричинную» реализацию некоторых неблагоприятных событий.
Важным аспектом является также учет эффекта домино, когда одна угроза способствует реализации ряда других угроз. Например, пожар может явиться причиной взрыва, при наличии вблизи очага возгорания достаточного количества взрывчатого вещества; взрыв, в свою очередь, приведет к разрушению оборудования и расположенных поблизости зданий и т.д.
Как отмечалось в предыдущей главе, все ЧС сопровождаются поражающими факторами (ПФ), точнее, возникновение ЧС есть инициирование одного или нескольких поражающих факторов. Анализ возможных поражающих факторов необходим для определения следующей группы концептов С = {С?} - множестза объектов поражения. Основными поражающими факторами при возникновении техногенных ЧС являются: - физические (воздушная ударная волна, волна сжатия в грунте, сейсмовзрывная волна, волна прорыва гидротехнических сооружений, обломки или осколки, экстремальный нагрев среды, тепловое излучение, ионизирующее излучение и др.); - химические (токсическое действие опасных химических веществ, поражение органов дыхания, кожных покровов, желудочно-кишечного тракта и ДРО; - радиационные (излучения при ЧС на объектах, использующих ядерное горючее и радиоактивные изотопы); - термические (высокие и низкие температуры); - биологические (поражение живых организмов на биологическом уровне, с использованием бактериальных средств); - социально-экономические (чаще всего реализуются в случае терактов или стихийных явлений). Основная сложность анализа поражающих факторов заключается в необходимости определения их параметров (единиц измерения интенсивности их воздействия), которые впоследствии нужно связать с переменными Xf возможных объектов поражения. При формировании нечеткой когнитивной карты М = {си,Си,С} возникает вопрос о необходимом и достаточном количестве концептов, анализ которых позволяет принимать решение об управлении ГТО. Решение данного вопроса зависит от метода построения НКК. Ниже предлагается использовать комбинацию классических подходов к построению НКК, описанных в [48,53]. Формирование перечня концзптов {c ,Cu,CG выполняется самим ЛПР на основе своих знаний и представлений, а затем на основе оценок экспертов выделяются концепты {сн,Си,С}, имеющие максимальное значение для отражения состояний моделируемого объекта, а следовательно, и для возможности контролирования возникновения и развития ЧС.
Математическая постановка задачи прогнозирования
Математическая постановка задачи прогнозирования состояний объекта существенно зависит от целей прогнозирования, используемого математического аппарата, а также методов прогнозирования.
В случае аналитического метода прогнозирования, математическая постановка задачи может быть записана в следующем виде.
Данный метод достаточно объективен, но не дает возможности прогнозирования, качественного изменения динамики состояния исследуемого объекта. Поэтому представляет интерес разработка методов, учитывающих динамику поведения объекта, которая определяет в конечном итоге закономерности изменения временного ряда.
В предыдущей главе рассмотрены примеры формирования и использования НКК для ГТО, рассчитанные для решения задач объектового уровня. Т.е. управление осуществляется руководством объекта, оно выбирает критерии эффективности при формировании алгоритмов действий в случае ЧС. Но имеют место ситуации, когда управление. в условиях ЧС осуществляет руководство города (например, при масштабных авариях, когда сил и средств объекта, его возможностей не хватает для обеспечения эффективного противодействия ЧС). В таких ситуациях возникает необходимость формирования иерархических (многоуровневых, многокомпонентных) моделей.
Рассмотрим проблему наводнений с позиции городского уровня управления. Под наводнением понимается затопление водой прилегающей к реке, озеру или водохранилищу местности, которое причиняет материальный ущерб, наносит урон здоровью населения или приводит к гибели людей.
В зависимости от причин возникновения, выделяют пять групп наводнений: 1-я группа - наводнения, связанные в основном с максимальным стоком от весеннего таяния снега. Такие наводнения отличаются значительным и довольно длительным подъемом уровня воды в реке и называются обычно половодьем; 2-я группа - наводнения, формируемые интенсивными дождями, иногда таянием снега при зимних оттепелях. Они характеризуются интенсивными, сравнительно кратковременными подъемами уровня воды и называются паводками; 3-я группа - наводнения, вызываемые в основном большим сопротивлением, которое водный поток встречает в реке. Это обычно происходит в начале и в конце зимы при заторах и зажорах льда; 4-я группа - наводнения, создаваемые ветровыми нагонами воды на крупных озерах и водохранилищах, а также в морских устьях рек; 5-я группа - наводненрія, создаваемые при прорыве или разрушении гидроузлов.
Для администраций населенных пунктов, расположенных в поймах рек, ежегодно встает задача предотвращения возникновения ЧС и гибели людей в период весеннего половодья, особенно остро стоит эта проблема для городов с крупными промышленными комплексами. В качестве подтверждения значимости обозначенной проблемы можно привести пример, когда уровень воды в реке Белая (возле города Уфы) достигнул максимума за последние лет и равнялся 987см, нанесенный ущерб тогда составил более 15 миллионов рублей, погибли 14 человек, в зоне затопления оказались 2132 дома, где проживают более восьми тысяч жителей. Для проведения превентивных мероприятий, обеспечения готовности сил и средств к действиям в случае резкого подъема воды необходимы сведения о территории возможного затопления, количестве жителей, попадающих в зону затопления и др. Такие данные можно сформировать на основе знаний об ожидаемых уровнях воды, т.е. воспользоваться прогнозом.
Как видно из приведенной НКК (рис.3.1), управлению города для контроля ситуации необходимо планировать и предпринимать действия, снижающие и смягчающие количество пострадавших и ущерб. Как отмечалось выше, для города, расположенного в пойме реки или рек, особенно остро стоит проблема весенних половодий и для планирования действий, выделения и резервирования средств на проведение работ в период наводнения необходимо знать ожидаемые уровни воды.
В силу актуальности задачи прогнозирования уровней воды в реках этой проблеме посвящены многие работы отечественных и зарубежных ученых [110-113]. Известны различные подходы к прогнозированию уровней, воды, например:
- метод прогнозирования максимальных уровней воды, основанный на математической. модели процесса истощения бассейнового запаса воды как функции времени, содержащий статистические приемы определения параметров этой функции, уравнения для расчета средних расходов и постоянных поправок, учитывающих влияние гидрометеорологических условий за период заблаговременное [110];
- метод прогнозирования, предполагающий использование комплексной гибридной модели, основанной на нечеткой логике, нейронной сети, модели ARMA и прогноза по тенденции, источником данных являются исторические ряды уровней воды [111];
- метод прогнозирования максимальных уровней воды на основе анализа типового гидрографа реки с учетом изменения максимальных снегозапасов и суммы осадков за каждый год [112];
- метод прогнозирования возможных зон затопления на основе анализа снимков, полученных по спутниковым наблюдениям [113].
Постановка задачи управления в ЧС
Выражение (3.1) характеризует уровень риска, являющегося количественной характеристикой незащищенности объекта от действия угроз, мерой предрасположенности (податливости) объекта к возникновению ЧС.
Анализ нечеткой когнитивной карты (рис. 2.22) показывает, что для снижения потерь от ЧС необходимо предпринимать следующие меры: а) предупреждать возможные проявления угроз; б) уменьшать количество и «прозрачность» уязвимых мест; в) добиваться снижения потерь (ущерба) в случае возникновения ЧС. Данные подходы являются частью общей теории управления риском [13] и предполагают использование следующих методов управления объектом в ЧС: - построение специальных защитных барьеров на пути воздействия угроз (дестабилизирующих факторов); - выбор новых технологий, организационных решений, повышение дисциплины труда и т.п. с целью недопущения «прохождения» угрозы на объект; - улучшение (изменение., реконфигурация) структуры объекта с целью снижения нежелательного (опасного) влияния друг на друга компонентов объекта и др. Перечисленные формулировки отражают прямую и обратную постановки задачи оптимизации управления состоянием объекта в условиях ЧС. По-существу, речь идет о решении 2-х различных по своей сути задач: - выделения средств защиты (когда определению подлежат ресурсы Si, обеспечивающие максимальную эффективность защиты объекта); - распределения средств защиты (когда требуется найти оптимальные значения Si в пределах заданного суммарного ресурса S3ad).
Сущность моделирования сценариев ЧС состоит в предварительном расчете последствий наиболее вероятных и опасных ЧС, а также в предварительном формировании возможных алгоритмов действий по локализации, ликвидации или смягчению последствий от моделируемых ЧС. Полученные результаты моделирования могут использоваться для обучения персонала, привлекаемого к локализации или ликвидации ЧС, для оценки эффективности их действий. На основе данных о возможных последствиях ЧС определяются размеры финансовых и материально-технических резервов, необходимых для локализации и ликвидации ЧС.
Для обеспечения жизнедеятельности и безопасности населения в городе в период половодья необходимо проведение превентивных и оперативных мероприятий, состав которых существенно зависит от уровня подъема воды в реке.
Анализируя НКК состояния города в случае наводнения (рис. 3.1), можно выявить следующие основные направления работ (барьеры) в области обеспечения безопасности населения: - планирование мероприятий по обеспечению безопасности населения [R }; - создание финансовых и материальных ресурсов для поддержания условий жизнеобеспечения [R? }; - определение безопасных режимов работы ГТО в случае затопления {і?/ }; - планирование мероприятий по защите инженерных сооружений на затапливаемой территории (i?,4 [.
Практической целью настоящей диссертации является разработка системы поддержки принятия решений при ликвидации чрезвычайных ситуаций (СГШР ЛЧС), основанной на знаниях о ликвидации ЧС, реализующей методы распознавания ЧС, выработки и корректировки ликвидационных планов, входящей в состав автоматизированной информационно-управляющей системы Управления по чрезвычайным ситуациям при Правительстве Республики Башкортостан (АИУС УЧС РБ).
СППР ЛЧС разработана по технологии проектирования, принятой для АИУС УЧС РБ. Используемая методология проектирования основана на методах нечетко-когнитивного моделирования предметной области, использовании нейронных сетей и включает следующие этапы [2,29,105,106,107]: - исследование процессоз возникновения и развития ЧС; - построение НКК объекта, характеризующей изменение его состояния при имитации действия дестабилизирующих факторов; - синтез алгоритмов управления в условиях ЧС; -разработка структуры СППР и функциональных требований к СППР ЛЧС; - реализация программного и информационного обеспечения СППР ЛЧС. В разработанной СППР ЛЧС реализованы следующие технические решения: - использование знаний о развитии ЧС для формирования планов локализации и ликвидации ЧС; - поддержка нескольких профилей пользователей для вывода части плана, соответствующей статусу пользователя; - интеграция СППР в АИУС УЧС РБ.
