Разработка языка и методов моделирования организационно-экономических систем, функционирующих в условиях чрезвычайных ситуаций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.10, кандидат технических наук Копнин, Михаил Юрьевич

• Копнин, Михаил Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Копнин, Михаил Юрьевич

Введение.

Глава 1. Чрезвычайная ситуация как объект моделирования и управления.

1.1. Чрезвычайные ситуации и особенности организации работ по предупреждению и ликвидации их последствий.

Щ 1.2. Чрезвычайная ситуация как объект управления.

1.3. Принципы формирования и функционирования систем управления по предупреждению и ликвидации последствий ЧС.

1.4. Описание организационно-экономической модели развития ЧС и используемого аппарата моделирования.

Краткие выводы.

Глава 2. Разработка структуры и методов формирования модели ф1 возникновения, развития и ликвидации ЧС в регионе.

2.1. Общая структура модели.

2.2. Модели управления ликвидацией чрезвычайных ситуаций.

2.2.1. Обеспечение минимальных потерь защищаемых ресурсов.

2.2.2. Полная ликвидация или снижение до приемлемого уровня объема ПФ в кратчайшие сроки.

2.2.3. Полная ликвидация или снижение до приемлемого уровня интенсивности ПФ с минимальными затратами.

• 2.2.4. Недопущение возникновения в регионе поражающих факторов определенного вида в течение заданного периода времени при минимальных затратах.

2.2.5. Недопущение возникновения ПФ на определенных объектах в течение заданного периода времени при минимальных затратах.

2.3. Возможности декомпозиции предложенной модели.

Краткие выводы.

Глава 3. Структурно-технологический резерв и его использование для повышения устойчивости производственных систем.

3.1. Определение структурно-технологического резерва.

3.2. Определение характеристик структурнотехнологического резерва.

3.3. Методы учета взаимосвязи ЧС.

3.4. Методы выбора схем структурно-технологического резерва.

Краткие выводы.

Глава 4. Задачи оптимального распределения ресурсов при выполнении комплекса операций с учетом резервов различного типа.

4.1. Временные и обобщенные резервы на комплексе операций.

4.2. Природно-экологический резерв и возможности его использования.

4.3. Постановка задач оптимального распределения ресурсов при выполнении комплексов операций в условиях ЧС.

4.4. Методы решения задач оптимального распределения ресурсов.

Краткие выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 ситуаций; Методы 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 решения; с 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 ситуаций; разработаны модели возникновения и распространения поражающих факторов, воздействия поражающих факторов на защищаемые объекты, транспортной сети, управления ликвидацией чрезвычайных ситуаций с использованием имеющихся сил и средств; 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 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 станциях; при разработке систем управления экологической безопасностью на ряде объектов РФ; при 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 диссертации по теме «Управление в социальных и экономических системах», Копнин, Михаил Юрьевич

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 решения; Определены 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 станциях; при разработке систем управления экологической безопасностью на ряде объектов РФ; при выполнении научно-исследовательских работ по специальной тематике.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Копнин, Михаил Юрьевич, 2004 год

1. Малинецкий Г. Г., Потапов А. Б. Катастрофы и бедствия глазами нелинейной динамики // Знание-сила. 1998. N£ 3. С. 27-34.

2. Алексеев Н. А. Стихийные явления в природе: проявление, эффективность защиты. М.: Мысль, 1988.

3. Эре он Пасло. Век бифуркаций. Постижение изменяющегося мира // Путь. Международный философский журнал. 1995. №. 7. С. 3-129.

4. Моисеев Н. Н. Экология человечества глазами математика. М.: Наука, 1988.

5. Ковалевский Ю. Н. Стихийные бедствия и катастрофы. Рига: Зинатне, 1986.

6. Иванов С. А., Страхов В. Н., Шахраманьян М. А. О проекте федеральной целевой программы "Развитие Федеральной системы сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений" // ФССН (информационно-аналитический бюллетень), Т. 1. №. 2, 1994.

7. ГОСТ 322.0.02-94. Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Термины и определения основных понятий. М.: Изд-во стандартов, 1995.

8. Архипов а Н. И., Кульба В. В. Управление в чрезвычайных ситуациях. М.: РГГУ, 1994.

9. Порфирьев Б. Н. Организация управления в чрезвычайных ситуациях. М.: Знание, 1989.

10. Galliot F. The national strategies fot the prevention and response of industrial accidents: an overview // UNEP Industry and environment. 1988. No. 3. P. 25.

11. Одум Ю. Экология. M.: Мир, 1989.

12. Smets H. The cost of accidental pollution // UNEP Industry and environment. No. 4. P. 28-33, 1988.

13. Кузьмин И. И., Легасов В. А., Черноплеков Н. А. Влияние энергетики на климат // Изв. АН СССР. Энергетика и трансп. 1984. Т. 20. N2 11. с. 1098

14. Бабаев Н. С., Демин В. Ф., Ильин JI. А. и др. Ядерная энергетика, человек и окружающая среда / Под ред. акад. А. П. Александрова. Изд. второе, дополненное. М.: Энергоатомиздат, 1984.

15. Будыко М. И., Голицин Г. С., Кузьмин И. И. и др. Антропогенное изменение климата / Под ред. М. И. Будыко и Ю. А. Израэль. JL: Гидрометеоиздат, 1987.

16. Бурдаков Н. Н., Кульба В. В., Назарета» В. М. Проблемы управления риском. Тезисы докладов I Международной конференции "Проблемы управления в чрезвычайных ситуациях". М.: ИПУ, 1992.

17. Архипова Н. И., Квасницкий В. Н., Кульба В. В. Проблемы управления риском. Мир информации, личность и общество. М.: МАИ, 1994.

18. Кульба В. В., Серегин А. С. Особенности управления в условиях чрезвычайных ситуаций. М.: РСПИ, 1991.

19. Порфирьев Б. Н. ФЕМА управляет ситуацией // НТР: проблемы и решения. N2 11 1987.

20. Моргачев В. Н. Формы и методы территориального управления в США и Канаде. М.: Экономика, 1987.

21. Закон Российской Федерации "О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера" // Гражданская защита. N2 1 1995.

22. Закон Российской Федерации "О гражданской обороне" // Гражданская защита. № 4. 1994.

23. Постановление Правительства РФ от 18.04.92 г. N2 261 "О создании Российской системы предупреждения и действий в чрезвычайных ситуациях". Сборник нормативных документов по вопросам ГКЧС России. М.: МЧС, 1993.

24. Цвиркун А. Д. Основы синтеза структуры сложных систем. М.: Наука, 1982.

25. Мамиконов А. Г., Цвиркун А. Д., Кульба В. В. Автоматизация проектирования АСУ. М.: Энергоиздат, 1981.

26. Штейн Б. Е., Штейн Н. Е. О задаче размещения компонентов сложных систем. Изв. АН СССР. Техн. кибернетика. 1970. № 1. С. 25-34.

27. Рапопорт В. С., Дулькин М. 3. Методы совершенствования организационных структур управления. М.: АНХ РФ, 1987.

28. Португал В. М., Семенов А. И., Кублинов В. К. Организационная структура оперативного управления производством. М.: Наука, 1986.

29. Цвиркун А. Д., Акинфиев В. К., Филиппов В. А. Имитационное моделирование в задачах синтеза структуры сложных систем. М.: Наука, 1985.

30. Бурков В. Н., Казиев Г. 3., Кузьмицкий А. А., Кульба В. В. Модели и методы выбора целевых программ // АиТ. 1994. № 4. С. 135-142.

31. Маршалл В. Основные опасности химических производств. М.: Мир, 1989.

32. Швецов А. Р. Использование сетей Петри при управлении силами и средствами в условиях чрезвычайных ситуаций. II Международная конференция "Проблемы управления в ЧС". М.: ИПУ РАН, 1994. С. 22.

33. Шостак В. Ф. Управление сложными технологическими комплексами в нештатных режимах работы на основе распознания образов в интеллектуальной системе. II Международная конференция "Проблемы управления в ЧС". М.: ИПУ РАН, 1994. С. 24.

34. Архипова Н. И., Казиев Г. 3. Задача эвакуации пострадавших из зоны чрезвычайных ситуаций. III Международная конференция "Проблемы управления в ЧС". М.: ИПУ РАН, 1995. С. 52.

35. Бобков С. И., Брушлинский Н. Н. Концепция механизма функционирования системы обеспечения противопожарной живучестипроизводственно-экономических систем и городов. III Международная конференция "Проблемы управления в ЧС". М.: ИПУ РАН, 1995. С. 103.

36. Семиков В. Л. Международная срочная экологическая помощь "INTERHELP". III Международная конференция "Проблемы управления в ЧС". М.: ИПУ РАН, 1995. С. 15.

37. Майника Э. Алгоритмы оптимизации на сетях и графах. М.: Мир, 1981.

38. Управление в чрезвычайных ситуациях: требования к руководящим органам. Обзор // Гражданская оборона, 1985.

39. Организация и ведение спасательных работ при стихийных бедствиях, авариях и катастрофах. М.: ВЦОК ГО, 1989.

40. Pelt.Hobal. Information System on natural hazards. Databases for global science. ISPRS. pp.475-479, 1994.

41. J.Ehralt At., F.Fisher, I.Hasemann, A.Lorens, J.Pasler-Sauer, D.Shule. RODOS, a real-time on-line decision support system for nuclear emergency management in Europe Radiation Protection Dosimetry. Vol.50, pp. 188-199, 1994.

42. Some H., Holo O. PPS-Public protection Systems. Proceedings for Oslo Conference on International aspects of Emergency Management and Environmental technology. Oslo, pp.343-348, 1995.

43. Konno R., Virtanen K. Accident modeling in risk assessment and emergency management and environmental technology. Oslo, Menbrain, 141-148,1995.

44. I.Sebastion, Koning H. Decision support Systems for industrial pollution control: methodology and results. Proceedings for Oslo Conference on International aspects of Emergency Management and Environmental technology. Oslo, Menbrain,pp.77-90, 1995.

45. Порфирьев Б.Н. ФЕМА управляет ситуацией // HTP: проблемы и решения. 1987.

46. Порфирьев Б.Н. Федеральная системы управления в чрезвычайных ситуациях в США. -ВИНИТИ. Вып.6. -М.:1990.

47. Закон Российской Федерации "О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера". -М.: Гражданская защита,№1,1995.

48. Закон Российской Федерации "О гражданской обороне". -М.: Гражданская защита,№4,1994.

49. Постановление Правительства РФ от 18.04.92 №261 "О создании Российской системы предупреждения и действий в чрезвычайных ситуациях ". -М.: Сборник нормативных документов по вопросам ГКЧС России, 1993.