Модели описания и решения задач системного анализа при мониторинге чрезвычайных ситуаций на объектах нефтегазового комплекса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Бардин, Игорь Владимирович

• Бардин, Игорь Владимирович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бардин, Игорь Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. АНАЛИЗ ХАРАКТЕРА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЧЕЛОВЕКА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ.

1.1. Системы управления окружающей средой в рамках экологической сферы деятельности.

1.2. Чрезвычайные ситуации, вызванные сбоем системы взаимодействия человека с окружающей средой.

Т.З. Система саморегуляции природной среды при воздействии на нее нефтяного загрязнения.

1.4. Механизмы охраны окружающей среды и нормативы оценки воздействия нефтепродуктов на окружающую среду.

1.5. Оценка ущерба окружающей среде при добыче и подготовке углеводородов.

Выводы:.

Глава И. МОДЕЛИ ОПИСАНИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И РАЗВИТИЯ

ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ В РАЙОНАХ С НЕФТЯНЫМ ЗАГРЯЗНЕНИЕМ.

11.1. Определение целей системного анализа механизма взаимодействия человека с окружающей средой.

11.2. Выбор модели возникновения и развития ЧС в районах с нефтяным загрязнением.

11.3. Анализ ситуаций возникновения и развития ЧС в районах с нефтяным загрязнением.

11.4. Модель топологического описания нефтяного загрязнения с помощью фрактальной теории.

11.5. Модель возникновения и развития ЧС нефтяного загрязнения с помощью перколяционных фракталов.

Выводы:.

Глава III. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СИТУАЦИЙ И ОПТИМИЗАЦИИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПО УЛУЧШЕНИЮ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ

ОБСТАНОВКИ В РАЙОНАХ С НЕФТЯНЫМ ЗАГРЯЗНЕНИЕМ.

III. 1. Процессы прогнозирования ситуаций и оптимизации принятия решений.

111.2. Модель мониторинга возникновения и развития ЧС на основе теории конечных цепей Маркова.

111.3. Методы и технические средства мониторинга окружающей среды

111.4. Марковские процессы принятия решения.

Выводы:.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Модели описания и решения задач системного анализа при мониторинге чрезвычайных ситуаций на объектах нефтегазового комплекса»

Загрязнение окружающей среды нефтепродуктами приводит к глубокому изменению всех звеньев естественных биоценозов или их полной трансформации, что создает новую экологическую обстановку. Взаимодействие нефти и нефтепродуктов с грунтами, микроорганизмами, растениями, поверхностными и подземными водами, то есть всеми элементами почвенного покрова неоднозначно.

Модель долгосрочного прогнозирования состояния экосистем должна содержать систему сбора и обработки информации и иметь своей целью выработку рекомендаций для принятия управленческих решений.

При разливах нефти и нефтепродуктов необходимо уметь оценивать площадь разлива и степень насыщаемости нефтепродуктами почвенного покрова и водной среды.

Поступление в почву инородных нефтепродуктов может привести к возникновению чрезвычайной ситуации (ЧС), однако критерии, по которым следует выделять зоны ЧС, весьма противоречивы. Среди критериев оценки территорий для выявления зон чрезвычайной ситуации используются показатели, основывающиеся на оперативном контроле, так и на долгосрочном прогнозировании ситуации

Для того чтобы определить степень негативного влияния нефтепродуктов на окружающую среду необходимо выявить характер их взаимодействия со всеми ее компонентами. Однако многообразие всех факторов, влияющих на окружающую среду настолько велико, что адекватную детерминированную систему создать не представляется возможным. Детерминированные системы позволяют принимать оперативные решения по устранению последствий чрезвычайных ситуаций. Моделей долгосрочного прогноза поведения систем после окончания действия факторов ЧС практически не существуют. Не существует также и моделей, позволяющих прогнозировать возникновение ЧС при долгосрочном накопительном возмущающем воздействии.

Разработанная в настоящем исследовании стохастическая модель развития ЧС и ликвидации последствий позволяет решить указанные проблемы

Техногенное загрязнение окружающей среды и связанные с ним ЧС возникают в результате производственной деятельности человека. В окружающей среде происходят изменения, которые приводят экологические системы в катастрофическое состояние, при котором их нормальное функционирование невозможно. Биологическая самоорганизация и регуляция экосистем настолько сложна, что описать эти процессы системами дифференциальных уравнений практически невозможно. Исследования нарушенных экологических систем методами системного анализа путем разработки критериев и моделей описания и оценки эффективности встречаются достаточно редко.

К основным загрязняющим окружающую среду веществам относятся нефть и нефтепродукты, включая ПАУ, тяжёлые металлы. Скорость накопления нефтепродуктов, в результате техногенного загрязнения, в экосистемах опережает скорость их биодеградации естественным путем. Вопросам восстановления экосистем в последнее время уделяется много внимания, однако большинство научно-технических разработок сводятся к созданию ГИСов. В основу их положены методики прогнозирования последствий промышленных аварий, на базе имеющейся оперативной информации. Эти системы предназначены для оперативного принятия решений по использованию сил и средств для ликвидации ЧС. Для создания виртуального объекта в программу вводится вся имеющаяся техническая, организационная и технологическая информация об объекте. Эти модели прогнозируют поведение объекта в случае возможных ЧС. Вопросами восстановления природных объектов данные системы не занимаются.

В настоящее время отсутствует также теория и модели, описывающие поведение нефти в почвенно-грунтовой толще, которые могли бы стать основой разработки эффективной технологии по ликвидации нефтяных загрязнений.

Таким образом, важность разработки критериев и моделей описания поведения экосистем до возникновения ЧС а также после их ликвидации, и оптимизация принятия решений по улучшению экологической обстановки в районах с нефтяным загрязнением определяет актуальность диссертационной работы.

Решаемая в диссертации научно-техническая задача - разработка моделей описания поведения окружающей среды и оценки эффективности принятия решений при ЧС на объектах нефтегазового комплекса.

Целью диссертационной работы является совершенствование системы прогнозирования ситуаций и методов решения задач системного анализа при мониторинге чрезвычайных ситуаций на объектах нефтегазового комплекса.

Задачи исследования:

1. Формализация и постановка задачи взаимодействия человека с окружающей средой в районах с нефтяным загрязнением в рамках экологической сферы деятельности объектов нефтегазового комплекса.

2. Разработать модель оценки ЧС, связанных с разливами нефтепродуктов на основе перколяционных фрактальных процессов.

3. Разработать модель мониторинга возникновения и развития ЧС на основе теории конечных цепей Маркова.

4. Создать модель описания ситуаций и оптимизации принятия решений по улучшению экологической обстановки в районах с нефтяным загрязнением на основе стохастических марковских процессов.

Объекты исследования: Сложные природные и техногенные системы, включая почвенные покров и водные объекты, загрязненные нефтью и нефтепродуктами.

Предмет исследования: система оценки эффективности принятия решений при мониторинге чрезвычайных ситуаций на объектах нефтегазового комплекса

Методы исследования: системный анализ, теория конечных цепей Маркова, теория фрактальных процессов.

Научная новизна. Проведена формализация структуры системы взаимодействия человека с окружающей средой, позволяющая ставить задачи системного анализа и создавать модели поведения систем окружающей среды при мониторинге ЧС на объектах нефтегазового комплекса.

Предложена новая модель топологического описания возникновения и развития разливов нефтепродуктов в почвах, позволяющая с использованием математического аппарата фрактальной теории определять и сравнивать между собой зоны, пострадавшие при аварийном разливе нефтепродуктов, описывать физические закономерности процесса и численно рассчитывать порог перколяции для различных природных сред.

Использована теория конечных цепей Маркова для долгосрочного мониторинга возникновения и развития ЧС в районах с нефтяными загрязнениями.

Создана новая модель постановки и решения задач системного анализа в районах с нефтяным загрязнением на основе стохастических марковских процессов, позволяющая оценить степень экологической катастрофы и позволяющая выработать оптимальное решение для ее ликвидации.

Практическая значимость. Внедрение моделей поведения систем окружающей среды способствует совершенствованию мониторинга и прогнозирования процессов возникновения, развития и ликвидации последствий ЧС на объектах нефтегазового комплекса.

Разработанные модели оценки ЧС, описания ситуаций и выработки рекомендаций для принятия решений по улучшению экологической обстановки в районах с нефтяным загрязнением могут быть использованы при проведении наблюдений за количественными и качественными показателями состояния окружающей среды и для информационного обеспечения государства, юридических и физических лиц по вопросам состояния окружающей среды.

Результаты работы используются в лабораториях экологического мониторинга для повышения эффективности и достоверности проведения мониторинга чрезвычайных ситуаций на объектах нефтегазового комплекса.

Основные положения работы используются в учебном процессе Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России при проведении занятий по дисциплине «Системы организационного управления» на кафедре ЭиМ.

Достоверность научных положений и выводов, изложенных в диссертации, подтверждается использованием современных методов системного анализа и теории вероятности.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Формализованная структура и постановки задачи системного анализа взаимодействия человека с окружающей средой в рамках экологической сферы деятельности объектов нефтегазового комплекса.

2. Модель оценки ЧС, связанных с разливами нефтепродуктов на основе перколяционных фрактальных процессов.

3. Модель мониторинга возникновения и развития ЧС на основе теории конечных цепей Маркова.

4. Модель описания ситуаций и оптимизации принятия решений по улучшению экологической обстановки в районах с нефтяным загрязнением на основе стохастических марковских цепей.

Апробация работы.

Основные научные результаты исследования докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры исследования и экспертизы пожаров СПб. Университета ГПС МЧС России, на научно-практической конференции «Сервис безопасности в России: опыт проблемы, перспективы» (СПб. 2008), на межкафедральном теоретическом семинаре по системным исследованиям (СПб. 2009)., на международной научно-практической конференции «Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация» (Минск, 2009).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав и выводов. Общий объем работы составляет 124 страниц печатного текста, содержит 11 рисунков, 7 таблиц. Список литературы включает 86 наименований.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Бардин, Игорь Владимирович

Выводы:

1. Проведена формализация структуры и поставлена задача системного анализа взаимодействия человека с окружающей средой, позволяющая создавать модели поведения систем окружающей среды на объектах нефтегазового комплекса.

2. Разработана модель топологического описания нефтяного загрязнения, позволяющая с использованием математического аппарата фрактальной теории определять и сравнивать между собой зоны пострадавшие при аварийном разливе нефтепродуктов.

3. Разработана модель возникновения и развития разливов нефтепродуктов с помощью теории перколяции, позволяющая описать физические закономерности процесса и численно рассчитать порог перколяции для различных природных сред.

4. Разработана описательная модель мониторинга возникновения и развития ЧС на основе теории конечных цепей Маркова.

5. Создана модель описания ситуаций и оптимизации принятия решений по улучшению экологической обстановки в районах с нефтяным загрязнением на основе стохастических марковских процессов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бардин, Игорь Владимирович, 2010 год

1. Таха X. Введение в исследование операций. Т. 1, 2. — М.: Мир,1985.

2. Теория выбора и принятия решений. — М.: Наука, 1982.

3. ГОСТ Р ИСО 14001-98 Системы управления окружающей средой. Требования и руководство по применению

4. Эрих В.Н Химия нефти и газа: Учебник. М.-Л.: Химия, 1966.

5. Хант Дж. Геохимия и геология нефти и газа. М.: Мир, 1982.

6. Лурье Ю.Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод. М.: Химия, 1984.

7. ИСО 14010 Руководящие указания по экологическому аудиту.

8. ИСО 14021 Экологические заявления в виде самодекларации.

9. Шарапов С.В., Моторыгин Ю.Д., Рубилов С.В. Экспериментальное изучение возможности возгорания систем почва-нефтепродукт при разливах нефти на объектах нефтегазового комплекса / Проблемы управления рисками в техносфере № 3-4 2008.

10. Шарапов С.В., Галишев М.А., Моторыгин Ю.Д. Экспертные исследования следов нефтепродуктов в окружающей среде при анализе чрезвычайных ситуаций / Проблемы управления рисками в техносфере № 3-4 2007.

11. Будыко М.И. Глобальная экология.- М.: «Мысль». 1977.- 327 с.

12. Рябов Б.Д. Химия нефти и газа: Учебник. М.: ГАНГ, 1998.

13. Мониторинг и прогнозирование: Термины и определения. ГОСТ Р 22.1.02-95.

14. Коцев Н. Справочник по газовой хроматографии./ Пер. с болг. А.П.Филиппова; под ред. В.Г. Березкина. М.: Мир, 1976.

15. Шеллард Э. Количественная хроматография на бумаге и в тонком слое./ Пер. с англ. М.П.Волынец; под ред. А.Н. Ермакова. М.: Мир, 1971.

16. Богословский Ю.Н., Анваер Б.И., Вигдергауз М.С. Хроматографи-ческие постоянные в газовой хроматографии. Углеводороды и кислородосо-держащие соединения: Справочник. М.: Издательство стандартов, 1978.

17. Методические рекомендации по исследованию состава нефтей и конденсатов/М. ВНИГНИ, 1985.

18. Янсон Э.Ю. Теоретические основы аналитической химии: Учебник для вузов. 2-е изд., доп. и перераб. М.: Высшая школа, 1987.

19. Дженнингс В., Рапп А. Подготовка образцов для газохроматогра-фического анализа / Пер.с англ. Н.В. Людвиг; Под ред. В.Г. Березкина. М.: Мир, 1986.

20. Паперно Т.Я., Поздняков В.П., Смирнова А.А. и др. Физико-химические методы исследования в органической и биологической химии: Учебное пособие. М.: Просвещение, 1977.

21. Абрютина Н.Н., Абушаева В.В., Арефьев О.А. и др. Современные методы исследования нефтей: Справочно-методическое пособие/ Под ред. А.И. Богословского, М.Б. Темянко и др. JL: Недра, 1984.

22. Оболенцев Р.Д. Физические константы углеводородов жидких топ-лив и масел: 2-е издание. M.-JL: Гостоптехиздат, 1953.

23. Хаустов А.П., Редина М.М. Охрана окружающей среды при добыче нефти. М.: Дело, 2006. 552 с

24. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: ФМ, 1963.

25. Товарные нефтепродукты, свойства и применение. Справочник. 2-е изд., доп. и перераб./Под ред. В.М. Школьникова. М.: Химия, 1978.

26. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник, кн.1./ Под ред. А.Н. Баратова, А .Я. Корольченко. М.: Химия, 1990.

27. В. С. Звонов. А.И. Жмакин. A.M. Гришин. Математические моделирование лесных пожаров, новые способы борьбы с ними. Новосибирск 1992г-407с.

28. Нефтепродукты свойства, качество, применение. Справочник/ Под ред. Б.В. Лосикова. М.: Химия,1966.

29. Микрюков В.Ю. Безопасность жизнедеятельности: Учебник. М.,2005.

30. Мак-Нейер Г., Бонелли Э. Введение в газовую хроматографию/ Пер. с англ. И.А. Ревельского; Под ред. А.А. Жуковицкого. М.: Мир,1970.

31. Супина В. Насадочные колонки в газовой хроматографии/ Пер. с англ. В.Г. Березкина. М.: Мир, 1977.

32. Руденко Б.А. Капиллярная хроматография. М.: Наука, 1978.

33. Федеральный закон об охране окружающей среды. № 7-ФЗ от 10.01.2002.

34. О лицензировании деятельности в области гидрометеорологии и смежных с ней областях, а также выполнения работ по активному воздействию на гидрометеорологические и геофизические процессы и явления. Пост. Прав. РФ N 497 от 13.08.2006.

35. Другов Ю.С. Березкин В.Г. Газохроматографический анализ загрязненного воздуха. М.: Химия, 1981.

36. Федеральный закон о гидрометеорологической службе. № 113-Ф3 от 19.07.98 (в редакции на 03.06.2005)

37. Федеральный закон об охране окружающей среды № 7 ФЗ от 10.01.2002

38. Основы криминалистической экспертизы материалов, веществ и изделий: Учебное пособие/ Под ред. В.Г. Савенко. М.: 1993.

39. Химия: Справочник/ Пер. с немец. В.А. Молочко, С.В. Крынкиной. М.: Химия, 1989.

40. Серов Г.П., Серов С.Г. Техногенная и экологическая безопасность в практике деятельности предприятий. -М.: Ось-89, 2007. -512 с.

41. Контроль химических и биологических параметров окружающей среды / Под ред. JI.K. Исаева. СПб.: Крисмас+, 1998. 896 с.

42. Критерии оценки экологической обстановки территорий для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия. М., 1992.

43. Махлис Ф.А., Федюкин Д.Л. Терминологический справочник по резине: Справочное изд. М.: Химия, 1989.

44. Карякин А.В., Грибовская И.Ф. Методы оптической спектроскопии и люминесценции в анализе природных и сточных вод. М.: Химия, 1987.

45. Школьников В.М. Топлива, смазочные материалы, технические жидкости. Ассортимент и применение: Справочное издание. М.: Химия 1989.

46. Бутрименко Г.Г., Галяшин В.Н., Камаев А.В. и др. Комплексное криминалистическое исследование трансмиссионных масел для автотранспортных средств: Учебное пособие. М., 1989.

47. Временная типовая методика определения экономической эффективности осуществления природоохранных мероприятий и оценки ущерба, причиняемому народному хозяйству загрязнением окружающей среды. -М., 1986

48. А.И. Орлов Теория принятия решений Учебное пособие. М.: Издательство "Март", 2004.

49. Музалевский А.А. Идентификация источника загрязнения акваторий нефтепродуктами. //Экологическая химия. 1997, т.6, вып.З. С.172-176.

50. Bentz А.Р. Oil spill identification. Anal. Chem. 1970. V. 48. p. 454A470A.

51. Геккелер К. Экштайн X. Аналитические и препаративные лабораторные методы: Справочное издание/Пер. с немец. М.: Химия, 1994.

52. Сох G. Compartment fire modeling. Combustion Fundamentals offire. ISBNO-12-194230. Academic Press, 1995. 520 p

53. Системный анализ проблемы пожарной безопасности народного хозяйства. Под ред. Н.Н. Брушлинского. М.: Стройиздат, 1988.-С. 413.

54. Шуп Т. Решение инженерных задач на ЭВМ: практическое руководство. Пер. с англ.- М.: Мир. 1982.-238 с.57. Вставить по управлению.

55. Sourveying for arson on-site. "Fire", 1985, 78, N 962. Suppl: "Fire Oferseas" 1985, Aug, 40 (англ) цитир., РЖПож, 1A222, 1986.

56. Analizer detects accelerants "Int. Fire Chief' 1985, 51, № 8, 54 (англ.)цитир., РЖПож. 3A178, 1986.

57. Drager Gasspurhogger das "Minilabor" Zum Erkenen und Messen von Gasen und Dampfen "Brandlilfe" 1987, 34, N 7, 214 (нем) цитир., РЖПож IIA205, 1987.

58. Перегуд Е.А. Санитарно-химический контроль воздушной среды: Справочник. JI.: Химия, 1978.

59. Эфрос A.JI. «Физика и геометрия беспорядка» М: изд. «Наука», 1982.-265с.

60. Тарасевич Ю.Ю. «Перколяция: теория, приложения, алгоритмы»: Учебное пособие М: УРСС 2002. - 112с.

61. Essam J.W., «Percolation theory» 1980.-№7.

62. Stauffer D., A.Aharany. Intradauction to percolation theory London: Taylor and Francic, 1992. - 400.

63. Grimmet. Percolation New York, 1989.-245.

64. Shante V.K.S, Kirkpatrik.S (1971), Anintroduction to percolation theory. Adv. Phys., 20, 325-357.

65. Feder J.: 1988 Fractals, Plenum Press, New York (переведен на русский язык) М: Мир 1991.

66. ГОСТ 26640-85. Земли. Термины и определения

67. Докучаев В.В. К учению о зонах природы.- СПб., 1899

68. Докучаев В.В. К учению о зонах природы.- СПб., 1899

69. Фомин Г.С., Фомина А.Г. Почва. Контроль качества и экологической безопасности по международным стандартам. Справочник. М.: Протектор, 2001. 304 с.

70. Бардин И.В., Моторыгин Ю.Д., Шарапов С.В., Кононов С.И. Пожароопасное состояние почвенного покрова на объектах нефтегазового комплекса: прогнозирование и предотвращение угрозы возникновения чрезвычайных ситуаций/Пожарная безопасность № 1, 2010

71. Кемени Д., Снелл Д. Конечные цепи Маркова. — М.: Наука, 1970.

72. Де Гроот М. Оптимальные статистические решения. — М.: Мир,1974

73. Чжун-Кай-Лай. Однородные цепи Маркова. —М.: Мир, 1964.

74. Роббинс Г., Сигмунд Д., Чао И. Теория оптимальных правил остановки. — М.: Наука, 1977

75. Бродский Е.С. Системный подход к идентификации органических соединений в сложных смесях загрязнителей окружающей среды //Журнал аналитической химии. 2002, т. 57, № 6. С. 585-591.

76. Энциклопедия судебной экспертизы /Под ред. Т.В. Аверьяновой, Е.Р. Российской. -М.: «Юристъ», 1999. -552 с.

77. Резник Г.М. Внутреннее убеждение при оценке результатов. -М.1977.

78. Федеральный закон об охране окружающей среды № 7 ФЗ от 10.01.2002.

79. Об организации и осуществлении государственного мониторинга окружающей среды (государственного экологического мониторинга). Пост. Прав. РФ. № 177 от 31.03.2003.

80. ГОСТ Р 22.1.01-95 Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Мониторинг и прогнозирование. Основные положения.