Оперативное управление процессом ликвидации быстропротекающих чрезвычайных ситуаций на основе динамических моделей

ликвидацией быстропротекающих ЧС. 11.

§ 1.2 Анализ подходов к моделированию ЧС. 15.

§ 1.3 Анализ существующих информационных систем поддержки принятия решения в условиях ЧС. 19.

§ 1.4 Классификация ЧС и общие требования к моделям СОУ ликвидацией ЧС. 28.

§ 1.5 Цели и задачи исследований. 32.

Выводы по главе 1. 35.

ГЛАВА 2. МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ ЛИКВИДАЦИИ.

БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ. 31.

§ 2.1 Подходы и принципы формирования СОУ в ЧС. 37.

§ 2.2 Модель системной организации процесса предупреждения, управления ликвидацией ЧС. 44.

§ 2.3 Общая характеристика быстропротекающей ЧС. 48.

§ 2.4 Динамическая модель ликвидации абстрактной быстропротекающей ЧС. 51.

Выводы по главе 2. 57.

ГЛАВА 3 МОДЕЛИ И ОРГАНИЗАЦИОННО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ.

СТРУКТУРЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЛИКВИДАЦИЕЙ ЧС. 58.

§ 3.1 Организационно — функциональная структура системы оперативного управления в ЧС. 58.

§ 3.2 Управление ликвидацией БП ЧС на основе сценариев и когнитивных карт.69.

§ 3.3 Динамическая модель действий ФП как самоуправляемых агентов.78.

§ 3.4 Модель взаимодействия Центра с функциональными подразделениями.86.

Выводы по главе 3 101 ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЛИКВИДАЦИЕЙ ЧС МЕТОДОМ.

МОДЕЛИРОВАНИЯ 102 § 4.1 Адекватность моделей оперативного управления ликвидацией ЧС.102.

§ 4.2 Моделирование процессов управления ликвидацией абстрактной быстропротекающей ЧС.106.

§ 4.3 Моделирование процесса ликвидации БП ЧС одним ФП.117.

§ 4.4 Моделирование взаимодействия нескольких ФП при ликвидации ЧС.127.

§ 4.5 Разработка системы имитационного моделирования 134.

§ 4.6 Структура информационной системы поддержки принятия 139 решений на основе динамических моделей.

Выводы по главе 4 143.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

145.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

148.

АКТУАЛЬНОСТЬ.

Своевременная ликвидация крупномасштабных и локальных чрезвычайных ситуаций (ЧС) является одной из центральных проблем нашей цивилизации. Рост масштабов хозяйственной деятельности и бурное развитие научно-технической революции привели к росту количества масштабов, возникающих ЧС. Ежегодно во всем мире происходит огромное количество ЧС различной физической природы: техногенные ЧС, природные катаклизмы. При этом частота этих ЧС возрастает с ростом темпа производственной деятельности человека. Во многих источниках литературы приводятся данные об увеличении как количества ЧС, так и количества пострадавших и погибших людей в этих ситуациях, а также причиненного материального ущерба. По данным ЮНЕСКО, наибольший ущерб человечеству приносят природные катаклизмы и стихийные бедствия в виде землетрясений и наводнений.

ЧС сопровождается не только материальными, но и огромными людскими потерями, поэтому в условиях ЧС очень важно быстро и правильно принять решение по ликвидации последствий ЧС. Процесс принятия решений по ликвидации ЧС характеризуется недостатком времени, неполнотой и плохим качеством представления информации, необходимой для принятия решений.

В силу вышеизложенного, создание систем оперативного управления и ликвидации ЧС является весьма актуальной проблемой. Вопросам разработки данного класса систем посвящены работы многих отечественных и зарубежных исследователей, в частности работы В. В Кульбы [1,51], М. А. Шахраманьяна, С. К. Шойгу [97], Р. З. Хамитова, В. Г. Крымского, В. И. Васильева [9,10,11,12], И, У. Ямалова [101,102,70], Б. Г. Ильясова, [31,32], В. И. Ефанова, Дж. Апосталакиса, Х. Кукамото, В. Маршалла, Э. Хенли, Г. Сейвера, Ф. Лисса и др. Вопросам разработки систем поддержки принятия решений при управлении в критических ситуациях посвящены работы профессоров И. Ю. Юсупова, Н. И. Юсуповой, В. В. Миронова, Ю. М. Гусева, Л. Р. Черняховской [5]. Вопросам разработки геоинформационных моделей развития ЧС природного и техногенного характера посвящены работы профессоров С. В. Павлова [66,67,69,70], В. Е. Гвоздева [17,18,19,20]. Вопросам построения многоуровневых иерархических систем в ЧС посвящены работы профессоров В. И. Васильева и Л. Б. Уразбахтиной [91].

Однако вопросам динамического моделирования процессов оперативного управления ликвидацией ЧС уделено недостаточное внимание, что в конечном итоге снижает эффективность данных систем и как следствие снижает научную обоснованность принимаемых решений по ликвидации ЧС.

Указанные обстоятельства обуславливают актуальность сформулированной темы исследования, направленной на разработку математических моделей системы оперативного управления ликвидацией БП ЧС, алгоритмов управления в ЧС на основе динамических моделей, прикладного программного обеспечения, а также применение полученных результатов для оценки эффективности процессов ликвидации ЧС.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

.

Целью исследований является разработка системы оперативного управления процессом ликвидации БП ЧС на основе динамических моделей, а также оценка ее эффективности методом моделирования.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработать модель системной организации процессов ликвидации БП ЧС.

2. Разработать динамические модели и структуры системы оперативного управления в ЧС, включая: структуру и модели действий функционального подразделения (ФП) по выполнению работ по ликвидации ЧС, модель развития ЧС и модель наносимого ущерба, модель планирования темпов расхода ресурсов между ФП, структуру и модель ликвидации динамически развивающейся однооочаговой ЧС одним ФП, модель согласованного взаимодействия нескольких ФП при ликвидации двухочаговой ЧС.

3. Разработать структуру информационной системы поддержки принятия решения при управлении в ЧС на основе разработанных динамических моделей, включая систему моделирования процессов ликвидации ЧС.

4. Разработать программное обеспечение, реализующее разработанные модели и структуры.

5. Провести моделирование предложенных структур СОУ с целью анализа эффективности выполнения работ по ликвидации однои двухочаговых ЧС.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.

В работе использовались методы системного анализа, теории управления, общей теории систем, методы математического моделирования, автоматизированного проектирования информационных систем.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

1. Научная новизна модели системного анализа процесса ликвидации ЧС заключается в объединении всех организационных и технологических этапов в единую систему, что позволяет проанализировать влияние различных факторов на эффективность процесса ликвидации ЧС.

2. Научная новизна разработанного комплекса моделей заключается в описании действий ФП и развития ЧС с помощью нелинейных дифференциальных уравнений с чистым запаздыванием, отражающих динамику процессов БП ЧС с учетом наносимого ущерба, возможности возникновения угроз и инерционности системы распределения ресурсов.

3. Научная новизна структуры ИСППР заключается в том, что в ней на основе динамических моделей и системы моделирования, построенной на их базе, сформирован канал, позволяющий формировать управленческие решения по темпу ликвидации ЧС с учетом темпа доставки ресурсов и давать оценку последствий от управленческих ошибок.

4. Научная новизна программного обеспечения определяется научной новизной разработанного комплекса моделей.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ Практическую ценность представляют:

1. Система моделирования процессов оперативного управления ликвидацией однои двухочаговых ЧС для оценим эффективности действий ФП.

2. Программное обеспечение, реализующее некоторые задачи моделирования процессов оперативного управления ликвидацией БП ЧС, позволяющее повысить качество и оперативность принимаемых решений по ликвидации ЧС.

3. Результаты моделирования процесса ликвидации БП ЧС при различных структурах взаимодействия ФП.

Полученные результаты в виде концепции, моделей и алгоритмов внедрены в Научно исследовательском институте безопасности жизнедеятельности Республики Башкортостан (НИИ БЖД РБ).

СВЯЗЬ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ С НАУЧНЫМИ ПРОГРАММАМИ Работа выполнена в период 2000;2004 г. г. на кафедре технической кибернетики Уфимского государственного авиационного технического университета в рамках Федеральной целевой программы «Интеграция» и хоздоговорной работы с НИИ БЖД РБ. НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ.

1. Системная модель процессов ликвидации БП ЧС.

2. Динамические модели и структуры системы оперативного управления в ЧС, включая: модель действий функционального подразделения (ФП) по выполнению работ по ликвидации ЧС, модель развития ЧС и модель наносимого ущерба, модель планирования темпов расхода ресурсов между ФП, модель ликвидации динамически развивающейся однооочаговой ЧС одним ФП. модель согласованного взаимодействия двух-трех ФП при ликвидации двухочаговой ЧС.

3. Программное обеспечение, реализующее разработанные модели и структуры.

4. Структура информационной системы поддержки принятия решения при управлении в ЧС на основе разработанных динамических моделей.

5. Результаты моделирования предложенных структур СОУ с целью анализа эффективности выполнения ФП работ по ликвидации однои двухочаговых ЧС по критерию нанесенного ущерба.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Основные теоретические и практические результаты работ докладывались на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах:

1. II Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы прогнозирования, предотвращения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций», Уфа, 2001.

2. 3-rd International Workshop on «Computer Scince and Information Technologies» (CSIT'2001).

3. Ill Международная конференция «Проблемы управления и моделирования в сложных системах», Самара, 2001.

4. Международная молодежная научно-техническая конференция. «Интеллектуальные системы управления и обработки информации», Уфа, 2001.

5. III Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы прогнозирования, предотвращения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций», Уфа, 2002.

6. VIII-международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2002.

7. IV Международная конференция «Проблемы управления и моделирования в сложных системах», Самара, 2002.

8. VI Международная научно-практическая конференция «Системный анализ в проектировании и управлении», Санкт Петербург, 2002.

9. IV International Workshop on «Computer Science and Information Technologies» (CSIT'2003).

10.1 Всероссийская научно-техническая конференция «Мехатроника, Автоматизация, Управление», Владимир, 2004.

ПУБЛИКАЦИИ.

Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 14 научных работах автора, включая 6 статей и 8 тезисов докладов на Всероссийских и международных научно-технических конференциях.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ.

Работа включает введение, 4 главы основного материала, библиографический список и приложение.

Работа без библиографического списка изложена на 147 страницах машинописного текста. Библиографический список включает 120 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность зам. Министра по делам ГО и ЧС Ямалову И. У. за высококвалифицированные консультации в области ликвидации ЧС и управления в сложных системах.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

I. Предложена модель процесса управления ликвидацией абстрактной БП ЧС. Получены условия устойчивости системы ликвидации ЧС как статически неустойчивым объектом. Показано, что без использования информации об изменении темпов наносимого ущерба принципиально невозможно обеспечить высокую эффективность ликвидации ЧС. Показано, что в зависимости от используемой рабочей информации о состоянии ЧС, о наносимом ущербе, о темпах выполнения работ и т. д. можно предложить различные структуры СОУ ликвидацией ЧС.

2. Исследованы динамические свойства модели ликвидации БП ЧС одним ФП. Предложены различные структуры СОУ ликвидацией ЧС одним ФП. Показано, что наиболее эффективной является структура СОУ ФП, построенная по комбинированной схеме и использующая информацию об изменении параметра ЧС, наносимого ущерба и их скорости (темпа). Показано, что в реальности имеет место ограничение мощности темпов используемых ресурсов ФП для ликвидации ЧС, этот фактор благоприятно сказывается на обеспечении ритмичности СОУ ликвидации ЧС в целом.

3. Рассмотрено взаимодействие нескольких ФП при ликвидации двухочаговой БП ЧС. Предложенные модели позволяют описывать динамику развития и ликвидации двухочаговой ЧС несколькими ФП. Предложены различные алгоритмы и структуры систем управления ликвидацией двухочаговой ЧС, отличающиеся принципами организационного взаимодействия.

4. Разработана система имитационного моделирования в среде MATLAB, которая позволяет моделировать динамические процессы ликвидации БП ЧС путем принятия решений по управлению темпами работ при различных структурах СОУ.

5. Предложена структура интеллектуальной системы поддержки принятия управленческого решения, которая позволяет избежать возможных грубых ошибок, связанных с динамикой развития ЧС, и сформулировать наиболее эффективное решение в данной ситуации с учетом имеющегося опыта и знаний о ЧС и их способах ликвидации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В данной работе в результате проведенных исследований показано, что задача анализа поведения управляемых сложных систем в условиях неопределенности, характерных для ЧС, относится к категории трудноформализуемых задач, а поэтому одним из основных методов исследования является метод математического моделирования.

В диссертационной работе получены следующие научные и практические результаты:

1. В работе предложены две системные модели:

— системная модель организации планирования процесса ликвидации БП ЧС,.

— системная модель ликвидации БП ЧС.

Первая из них представлена в виде множества последовательно связанных триад, реализация которых позволяет перевести ЧС в желаемую ситуацию.

Вторая модель построена на основе интеграции мультиагентной и функционально-технологической концепции организации управления.

Использование данной модели позволяет построить высокоэффективную гибкую СОУ, которая планирует и координирует деятельность множества ФП как агентов, направленную на выполнение намеченного объема работ с требуемыми темпами. Объединение всех организационных и технологических этапов в единую систему позволяет проанализировать влияние различных факторов на эффективность процесса ликвидации ЧС и выявить априори множество возникающих организационных проблем.

2. Разработаны динамические модели и структуры системы оперативного управления в ЧС, включая:

— структуру и модели действий ФП по выполнению работ по ликвидации БП ЧС как самоуправляемых агентов с учетом их динамических свойств, уровня профессионализма, психологического состояния, чистого запаздывания и инерционности в действиях;

— модель развития ЧС, представленную в виде интегрирующего звена, охваченного неединичной обратной связью, величина и знак которой отражает особенности развития конкретной ЧС;

— модель наносимого ущерба, которая интегрально отражает особенности развития ЧС и динамику работ по ее ликвидации;

— модель планирования распределения темпов расхода ресурсов между ФП, которая учитывает различные механизмы распределения и динамику доставки ресурсов;

— структуру и модель ликвидации БП однооочаговой ЧС одним ФП;

Исследованы ее динамические свойства. Предложены различные структуры СОУ ликвидацией ЧС одним ФП. Показано, что наиболее эффективной является структура СОУ ФП, построенная по комбинированной схеме и использующая информацию об изменении параметра ЧС, наносимого ущерба и их скорости (темпа).

— модель согласованного взаимодействия нескольких ФП при ликвидации двухочаговой ЧС. Предложены различные алгоритмы и структуры систем управления ликвидацией двухочаговой ЧС, отличающиеся принципами организационного взаимодействия.

Разработанные модели описаны в виде дифференциальных уравнений и представлены в виде множества взаимосвязанных и взаимодействующих подсистем (агентов), имеющих собственные локальные цели и функции.

Разработанные модели и структуры отражают динамику действий ФП по ликвидации БП ЧС, позволяют оценить темп и время ликвидации ЧС, объем выполненных работ по ликвидации ЧС и нанесенный ущерб.

3. Предложена структура информационной системы поддержки принятия решения в ЧС.

4. В структуре ИСППР в ЧС на основе динамических моделей и системы моделирования, построенной на их базе, предложен дополнительный канал, позволяющий формировать управленческие решения по ликвидации ЧС и давать оценку последствий от ошибок.

5. Разработано программное обеспечение, в виде системы имитационного моделирования в среде MATLAB.

Система имитационного моделирования позволяет моделировать динамические процессы ликвидации БП ЧС путем принятия решений по управлению темпами работ при различных структурах СОУ.

6. Проведены экспериментальные исследования предложенных структур систем оперативного управления с целью анализа эффективности выполнения работ по ликвидации однои двухочаговых ЧС по критерию нанесенного ущерба. Показано, что при рациональном распределении ресурсов между ФП и правильной организации взаимодействия между ФП можно достичь желаемых результатов по ликвидации ЧС.

Разработанные модели и программное обеспечение могут быть использованы специалистами в области ликвидации ЧС для проведения экспериментальных исследований процесса ликвидации БП ЧС, а также для расширения знаний и приобретения дополнительного опыта в этой области.