Разработка языка и методов моделирования организационно-экономических систем, функционирующих в условиях чрезвычайных ситуаций

Актуальность темы

Возрастание масштабов техногенной деятельности современного общества, увеличение частоты и интенсивности проявления разрушительных сил природы крайне обострили проблемы, связанные с обеспечением безопасности человека, общества и окружающей среды.

Многие страны, в том числе и Россия, сталкиваются с необходимостью ликвидации в кратчайшие сроки последствий крупномасштабных чрезвычайных ситуаций (ЧС). Чрезвычайная ситуация представляет собой неблагоприятное сочетание факторов и событий, создающих угрозу жизни людей, нарушающих условия их нормальной жизнедеятельности, препятствующих производственной, хозяйственной, бытовой и другим видам деятельности.

Возникновение ЧС в первую очередь обусловлено объективно существующими возможностями зарождения и развития неблагоприятных стихийных явлений (землетрясения, тайфуны, наводнения, цунами и т. д.).

Четверть территории СНГ расположена в особо опасных с сейсмической точки зрения районах. Наличие в этих районах сооружений, к которым предъявляются повышенные требования по сейсмической безопасности, например атомных электростанций, зданий, взрывоопасных и химических производств существенно расширяют опасную зону, которая (по данным РАН) составляет около 40% территории СНГ. Так, например, только на территории РФ в сейсмоактивных зонах расположен 671 населенный пункт, где проживает более 27 млн. человек.

Сотрудники Федерального центра науки и высоких технологий МЧС России предсказали, то «в 2003 году в Москве, Санкт-Петербурге, Дагестане, Красноярском крае, Ленинградской, Нижегородской, Кемеровской, Московской, Ростовской и Тюменской областях произойдет.

590−650 техногенных аварий и катастроф в основном из-за высокого уровня износа техники". Однако только за 9 месяцев этого года в России произошло 719 чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в названных районах.

Анализ величин потерь и материального ущерба, причиненного чрезвычайными ситуациями за последние пять лет во всем мире, выявил тенденцию их ежегодного роста на 10% - 30%.

Большие человеческие жертвы, огромный материальный ущерб, которые несут чрезвычайные ситуации, обусловили необходимость объединения и мобилизации усилий органов государственного управления всех уровней, сил, средств, материальных и финансовых ресурсов, научно-методологического обеспечения на решение задач предупреждения и минимизации потерь и последствий чрезвычайных ситуаций.

В этой связи анализ чрезвычайных ситуаций, как объектов управления, определение особенностей создания и функционирования соответствующих систем управления, а также разработка и реализация языка и методов моделирования организационно-экономических систем, функционирующих в условиях ЧС, являются исключительно актуальными задачами. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательской работы РАН по теме «Безопасность населения и народно-хозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф», а также планами РКК «Энергия» по отработке нештатных ситуаций на долговременных орбитальных станциях. Цель работы. Целями работы являются: — анализ чрезвычайных ситуаций как объектов управления и разработка языка моделирования, систем управления и комплексов мероприятий, направленных на максимальное снижение конечного уровня возможных потерь, ущербов и затрат, связанных с ликвидацией последствий чрезвычайных ситуаций;

— разработка формальных моделей и прикладных программ стратегического и оперативного управления распределением ресурсов на выполнение мероприятий по предупреждению, ликвидации причин и последствий чрезвычайных ситуаций;

— разработка моделей структурно-технологического и природно-экологического резервирования и их использование в моделях управления ликвидацией чрезвычайных и нештатных ситуацийМетоды исследования. Основные результаты диссертационной работы получены и математически обоснованы с использованием методов исследования операций, теории графов, сетей Петри и оптимизации на сетях и других разделов современной теории управления, а также путем проведения практических и экспериментальных расчетов на ЭВМ.

Научная новизна. В результате проведенных исследований, анализа и обобщения опыта планирования и управления действиями сил и средств по предупреждению и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций природного характера автором впервые:

— проведен анализ и исследованы особенности реализации основных функций и задач системы организационно-экономического управления деятельностью по предупреждению и ликвидации последствий возникновения и развития чрезвычайных ситуаций природного характера в различных режимах ее функционирования. На основе результатов анализа сформулированы основные проблемы разработки методов моделирования и распределения ресурсов в условиях чрезвычайных ситуаций, определены основные принципы и методы их решенияс учетом выявленных особенностей моделирования процессов возникновения, развития и ликвидации чрезвычайных ситуаций, и сравнения свойств и возможностей различных расширений сетей Петри, в качестве аппарата моделирования чрезвычайных ситуаций предложено использовать модифицированные специальным образом сети Петри, на основе которых разработаны модели организационно-экономических систем, функционирующих в условиях чрезвычайных ситуацийразработаны модели возникновения и распространения поражающих факторов, воздействия поражающих факторов на защищаемые объекты, транспортной сети, управления ликвидацией чрезвычайных ситуаций с использованием имеющихся сил и средствс использованием предложенной модели введено понятие структурно-технологического резерва производственной системы и разработаны методы его построения. Определены основные его характеристики, такие как эффективность и стоимость. Введены также понятия гибкости и устойчивости производственной системы в случае возникновения различного рода аварий и чрезвычайных ситуаций. На основании введенных понятий и определений разработана методика выбора наиболее эффективной и устойчивой структуры производственной системы для случаев невозможности нормального функционирования части ее производственных звеньев. Разработаны методы расчета вероятностных характеристик производственной системы для случаев возникновения в ее звеньях ЧС различного типа. Разработаны методы оптимального выбора схемы реализации структурно-технологического резерва по заданным критериям эффективности: максимум надежности функционирования системы, максимум ее гибкости и минимум стоимости структурно-технологического резерва;

— с использованием языка модифицированных сетей Петри определены временные и обобщенные резервы на комплексе операций. Предложены методы определения дефицита ресурсов, множеств уязвимости и избыточности при выполнении комплексов операций по ликвидации причин и последствий ЧС;

— введено понятие природно-экологического резерва и исследованы возможности его использования. Получены аналитические выражения для расчета объемов природно-экологических резервов различного типа;

— разработаны методы и алгоритмы решения типовых задач оперативного управления силами и средствами в условиях чрезвычайных ситуаций в терминах модифицированных сетей Петри.

Практическая ценность. Разработанные в диссертации методологический подход, язык и методы моделирования позволяют существенно повысить эффективность разработки и функционирования соответствующих систем управления, сократить затраты и сроки их создания, обеспечить необходимую информационную поддержку в условиях чрезвычайных ситуаций.

Разработанные методы, алгоритмы и программные средства могут быть использованы при проектировании систем управления в условиях чрезвычайных ситуаций в научно-исследовательских, проектных организациях и вычислительных центрах, разрабатывающих и внедряющих системы подобного класса, а также в информационно-управляющих центрах комиссий и комитетов по чрезвычайным ситуациям в регионах РФ.

Внедрение. Предложенные модели и методы использовались при разработке специального программного обеспечения отработки нештатных ситуаций на долговременных орбитальных станцияхпри разработке систем управления экологической безопасностью на ряде объектов РФпри выполнении научно-исследовательских работ по специальной тематике.

Личный вклад. Все основные положения и результаты, выносимые на защиту, получены автором самостоятельно.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных конференциях «Проблемы управления безопасностью сложных систем», «Проблемы регионального и муниципального управления», «Теория активных систем».

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 15 печатных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 228 страниц, в том числе основной текст — 202 страницы, 45 рисунков, 2 таблицы, а также список литературы, включающий 92 наименования.

Заключение

.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. На основе проведенного анализа, исследования и обобщения особенностей чрезвычайной ситуации как объекта управления решена важная народно-хозяйственная задача, заключающаяся в создании теоретических и методологических положений и разработке структуры модели организационно-экономической системы, в которой отражаются процессы возникновения и развития чрезвычайных ситуаций, а также их ликвидации.

2. Проведен анализ и исследованы особенности реализации основных функций и задач системы организационно-экономического управления деятельностью по предупреждению, ликвидации причин и последствий возникновения ЧС в различных режимах ее функционирования. Сформулированы основные проблемы разработки систем управления, функционирующих в условиях ЧС, принципы и методы их решенияОпределены основные стратегии достижения сформированной совокупности частных и общие целей СУ ЧС, обеспечивающие максимальное снижение вероятности возникновении ЧС, а также конечного уровня возможных ущербов, потерь и затрат, связанных с их ликвидацией.

3. Проведен обзор и сопоставительный анализ принципов формирования и функционирования создаваемых в различных странах систем управления (в том числе автоматизированных) по предупреждению и ликвидации последствий ЧС. При этом основное внимание уделено анализу особенности функционирования МЧС РФ и системе РЕМА (США).

4. На основе анализа ЧС как объектов управления выявлены особенности моделирования, создания и функционирования соответствующих систем управления, реализации основных функций и задач системы управления деятельностью по предупреждению и ликвидации последствий ЧС в различных режимах функционирования. С учетом выявленных особенностей и сравнения свойств и возможностей различных расширений сетей Петри, в качестве аппарата моделирования ЧС предложено использовать модифицированные специальным образом сети Петри, на основе которых разработана модель организационно-экономической системы, функционирующей в условиях ЧС. Предложенная модель представляет собой модифицированную сеть Петри, которая включает в себя определенный набор подсетей (плоскостей), каждая из которых описывает динамику развития отдельного подпроцесса возникновения, развития и ликвидации ЧС. Разработаны возможности декомпозиции предложенной модели и способы ее реализации.

5. Предложены процедуры формирования причинно-следственных связей между факторами риска и интенсивностью их развития на техногенно-опасных объектах и между ними. Разработаны модели возникновения и распространения поражающих факторов, воздействия поражающих факторов на защищаемые объекты, транспортной сети, управления ликвидацией ЧС с использованием имеющихся сил и средств. Поставлены задачи оптимизации управления имеющимися силами и средствами в условиях возникновения ЧС по заданным критериям эффективности.

6. С использованием предложенной модели введено понятие структурно-технологического резерва производственной системы и разработаны методы его построения. Определены основные его характеристики, такие как эффективность и стоимость. Введены также понятия гибкости и устойчивости производственной системы в случае возникновения различного рода аварий и чрезвычайных ситуаций. На основании введенных понятий и определений разработана методика выбора наиболее эффективной и устойчивой структуры производственной системы для случаев невозможности нормального функционирования части ее производственных звеньев. Разработаны методы расчета вероятностных характеристик производственной системы для случаев возникновения в ее звеньях ЧС различного типа. Разработаны методы оптимального выбора схемы реализации структурно-технологического резерва по заданным критериям эффективности: максимум надежности функционирования системы, максимум ее гибкости и максимум стоимости структурно-технологического резерва. С использованием языка модифицированных сетей Петри определены временные и обобщенные резервы на комплексе операций. Предложены методы определения дефицита ресурсов, множеств уязвимости и избыточности при выполнении комплексов операций по ликвидации причин и последствий ЧС. Введено понятие природно-экологического резерва и исследованы возможности его использования. Получены аналитические выражения для расчета объемов природно-экологических резервов различного типа. Поставлены задачи оптимального распределения ресурсов при выполнении комплексов операций в условиях ЧС по различным критериям эффективности и с учетом возможностей предложенных и исследованных типов резервов.

8. Разработаны методы и алгоритмы решения типовых задач оперативного управления силами и средствами в условиях чрезвычайных ситуаций в терминах модифицированных сетей Петри.

9. Предложенные модели и методы использовались при разработке специального программного обеспечения отработки нештатных ситуаций на долговременных орбитальных станцияхпри разработке систем управления экологической безопасностью на ряде объектов РФпри выполнении научно-исследовательских работ по специальной тематике.