автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Интегрированные системы и банк моделей для анализа отдаленных последствий радиационных аварий

РГ6 ОД - 1 ДО 1996

На правах рукописи

МАРТЫНЕНКО Елена Дмитриевна

ИНТЕГРИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ И БАНК МОДЕЛЕЙ ДЛЯ АНАЛИЗА ОТДАЛЕННЫХ ПОСЛЕДСТВИЙ РАДИАЦИОННЫХ АВАРИЙ

05.13.16 - Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (ядерная энергетика, защита окружающей среды и населения)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1995 г.

Работа выполнена в Институте проблем безопасного развития атомной энергетики Российской Академии Наук.

Научные руководители - доктор физ.-мат. наук

Большов Л.А.

кандидат физ.- мат. наук Каневский М.Ф.

Официальные оппоненты - доктор технических паук

Хохлов В.Ф.

- кандидат физ.-мат. наук Попков А.Г.

Ведущая организация - Радиевый институт им. В.Г. Хло-

шша.

Защита состоится "ЛЬ " ЛНЖ&М 199б"г. в часов

на заседании Диссертационного совета Д 200.43.01 при Институте проблем безопасного развития атомной энергетики РАН по адресу: 113191, Москва, Б.Тульская ул., 52.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИБРАЭ

РАН.

Ученый секретарь Диссертационного совета,

к. т. н. Калантаров В.Е.

Общая характеристика работы.

Настоящая работа посвящена проектированию и созданию интегрированных систем для поддержки принятия решений при анализе отдаленных последствий радиационных аварий. Такие интегрированные системы включают базы и банки данных, банки моделей, систему информационной поддержки и позволяют проводить экспертные и аналитические оценки в послеаварий-ный период при принятии решений. Создан банк базовых радиоэкологических компьютерных моделей. Проведен сравнительный анализ и тестирование созданных компьютерных моделей миграции радионуклидов в окружающей среде.

Актуальность проблемы.

Развитие атомной энергетики приводит к необходимости анализа воздействия атомных электростанций (АЭС) на окружающую среду.

В 1986 г. на Чернобыльской АЭС произошла крупнейшая за всю историю атомной энергетики авария — разрушение реакторного блока, выброс большого количества радионуклидов в атмосферу и загрязнение значительных территорий. Ранее аварии с выбросом радионуклидов в атмосферу были зарегистрированы в США и Великобритании.

Анализ последствий столь крупномасштабных аварий практически невозможно провести без компьютеризации исследований.

Полный цикл компьютерного анализа воздействия АЭС на окружающую среду условно можно разделить на три этапа:

1. Лоаварийное моделирование (вероятностный анализ безопасности).

2. Моделирование аварии в режиме реального времени.

3. Анализ последствий аварии, установление уровней вмешательства, противомеры и их эффективность, социально-экономические и психологические последствия, анализ баз данных измерений и др.

Необходимость компьютеризации исследования такого сложного технологического объекта, как атомные электростанции, в частности, анализа последствий аварий на АЭС, делает весьма актуальными использование и компьютерную реализацию существующих и разработку новых моделей миграции радионуклидов в природе, а также проектирование и наполнение баз и банков данных по загрязнению окружающей среды для разработки и внедрения интегрированных систем для поддержки принятия решений регулирующими и административными органами в послеаварийный период.

Цель работы.

1. Проектирование интегрированных систем для анализа экологических проблем и решения прикладных задач в области радиоэкологии. Создание прототипа интегрированной системы, включающей базы и банки данных, банк моделей и информационную систему для поддержки принятия решений при анализе отдаленных последствий радиционных аварий.

2. Создание банка базовых радиоэкологических компьютерных моделей.

3. Сравнительный анализ компьютерных моделей миграции радионуклидов в почве и пищевых цепях, а также их тестирование с использованием реальных данных.

4. Проектирование и создание генератора динамических камерных моделей, позволяющего обобщить компьютерную реализацию динамических моделей.

Научная новизна.

1. Разработан принцип организации архитектуры моделей интегрированных систем, включающих модельно-зависимые и модельно-независимые (внешние) базы данных.

2. Создана интегрированная среда для эффективной и быстрой компьютерной реализации динамических камерных моделей миграции радионуклидов в окружающей среде с учетом сезонной зависимости коэффициентов перехода между камерами.

Практическая значимость.

1. Созданный банк радиоэкологических моделей может быть использован при проведении научных исследований, анализе риска, создании автоматизированных систем поддержки принятия решений, экологическом моделировании, анализе ущерба и оценке эффективности противомер, подготовке экспертов, проведении экспертиз и др.

2. Банк компьютерных моделей включен в европейский проект INTAS "Soil pollution: cartografy, risks, decision support systems", часть работы выполнена в рамках гранта Российского фонда фундаментальных исследований (грант К« 94-02-03832-а "Комплекс фундаментальных исследований по анализу последствий тяжелых аварий на АЭС для окружающей среды и человека").

3. Созданный генератор динамических камерных моделей позволяет значительно упростить и ускорить процесс компьютеризации динамических камерных моделей миграции радионуклидов в окружающей среде. Это важная проблема, поскольку многообразие процессов миграции радионуклидов и необходимость решения радиоэкологических задач различного уровня сложности приводит к использованию моделей с разным количеством камер и связей между ними, а это в свою очередь требует создания для каждой радиоэкологической модели своей компьютерной реализации, что является весьма трудоемкой задачей. С помощью генератора моделей практически реализована компьютерная модель "PCFARMLAND/GRAIN" — динамическая модель миграции радионуклидов в зерновых.

4. Прототип интегрированной системы, включающий разработанный банк моделей, внедрен и используется в Минис-

терстве Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий (а ранее в Государственном комитете Российской Федерации по социальной защите граждан и реабилитации территорий, пострадавших от Чернобыльской и других радиационных катастроф).

Апробация работы.

■Основные результаты диссертации докладывались на семинарах ИБРАЭ РАН, на международных конференциях "Геохимические пути миграции искусственных радионуклидов в биосфере" (Гомель, 1990) н "Ядернал энергия и безопасность человека" (4-ая Ежегодная Научно-Техническая конференция Ядерного Общества, Нижний Новгород, 1993), а также на Всероссийской конференции "Радиоэкологические, медицинские и социально-экономические последствия аварии на Чернобыльской АЭС. Реабилитация территорий и населения" (Голицыне, 1995).

Публикации.

Основные результаты диссертации опубликованы в 14 печатных работах.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

Содержание работы.

Во введении приведено обоснование актуальности темы исследования, изложены цель и краткое содержание работы, а также приведен краткий обзор публикаций по вопросам, близким к тематике настоящей работы.

Первая глава посвящена проблемам системного анализа воздействия атомных электростанций на окружающую среду и создания компьютерных интегрированных систем.

В §1 рассмотрены проблемы компьютерного анализа воздействия атомных электростанций на окружающую среду. Лля проведения анализа сложных радиоэкологических проектов необходимо создание модульных программных комплексов — интегрированных систем, реализованных на базе новых информационных технологий (базы и банки данных, банки моделей, географические информационные системы, экспертные системы и др.).

В §2 представлена концепция компьютерной интегрированной системы для анализа отдаленных последствий радиационных аварий. Основные элементы интегрированной системы — базы и банки данных данных, банк моделей, система информационной поддержки (рис. 1).

Рис. 1: Структура и основные блоки интегрированной системы.

Предложен принцип интеграции моделей, включенных в интегрированную систему, с помощью баз данных (рис. 2) — для каждой компьютерной модели как входные данные, так й результаты моделирования представляются в виде баз данных, что позволяет в зависимости от цели исследования и наличия исходной информации выбрать необходимую цепочку моделей, включить блок противомер между любыми звеньями этой цепочки, и сформировать блок результатов (также в виде базы данных).

Описан принцип организации архитектуры компьютерных моделей интегрированных систем, включающих модельно-зависимые и модельно-независимые (внешние) базы данных.

БД О (вход)

БД |

результаты |

Рис. 2: Основной принцип работы интегрированных систем.

В §3 представлен прототип интегрированной системы " ШТЭУБ" (рис. 3) для поддержки принятия решений при анализе отдаленных последствий радиационных аварий. В состав системы "ШТвУБ" включены:

• Банк моделей

- модель вертикальной миграция радионуклидов в почве,

- модель миграция радионуклидов в пищевых цепочках,

- модель внутреннего облучения, связанного с потреблением загрязненных радионуклидами продуктов.

• Базы данных

Рис. 3: Структура интегрированной системы "ШТБУБ".

- база данных, содержащая информацию по поверхностному загрязнению радионуклидами Брянской области.

• Система информационной поддержки

— глоссарий терминов по радиационной безопасности,

— глоссарий терминов по информатике,

- глоссарий терминов пользователя,

— электронная энциклопедия по вредным радиоактивным веществам,

- электронная энциклопедия по химическому загрязнению почв.

В §4 описана интегрированная система "15_ГСЕШ", предназначенная для моделирования миграции радионуклидов в наземной и водной пищевых цепях и расчета доз внутреннего облучения человека, связанного с потреблением загрязненных радионуклидами продуктов и воды. Компьютерная среда "18_ГС1Ш"

спроектирована таким образом, что она состоит из трех независимых модулей —

• "пищевые цепи",

• "рацион",

• "дозы".

Обмен информацией между модулями осуществляется с помощью баз данных. Модульная структура позволяет создать три компьютерных реализации:

в модель миграции в пищевых цепях "MODJFC" (модуль "пищевые цепи");

в модель расчета доз внутреннего облучения человека "RAT/DOS" (объединение модулей "рацион" и "дозы");

в собственно интегрированная система "IS-FCRD" — "пищевые цепи - рацион - дозы" — для расчета доз внутреннего облучения человека в результате постоянных выпадений радионуклидов из атмосферы или орошения сельхозугодий водой, загрязненной радионуклидами (объединение всех трех модулей).

Вторая глава посвящена созданию банка базовых радиоэкологических компьютерных моделей.

§1 посвящен проблеме выбора базовых радиоэкологических моделей для создания банка моделей, необходимого для реализации интегрированных систем.

В §2 описана компьютерная модель "RSOIL" — это пятика-мерная модель миграции радионуклидов в почве в результате фильтрации атмосферных осадков вглубь почвы и подтока влаги к поверхности, связанного с испарением. Компьютерная реализация позволяет рассчитывать активность в камерах модели не только в интерактивном режиме работы (расчет активности в одной точке), но и в пакетном режиме, необходимом для обработки баз данных по радиоактивному загрязнению больших территорий, содержащих информацию о поверхностном загрязнения в тысячах населенных пунктов. Результаты расчета в пакетном режиме представляются в виде расширенных баз данных,

формируемых пользователем. Результаты расчета могут быть отображены на картах.

В §3 описана компьютерная модель " RAMIS", в этой модели предполагается, что ведущими механизмами миграции радионуклидов в почве являются конвективный перенос и диффузия, и для расчета вертикальных профилей миграции используется уравнение конвективной диффузии. Как и в модели " RSOIL" реализованы интерактивный и пакетный режимы работы модели.

В §4 описаны компьютерные модели "VFCHAIN" и "MAG-MOD", предназначенные для моделирования миграции радионуклидов в наземной и водной пищевых цепях. В компьютерных моделях развиты идеи стационарной камерной модели Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), разрабо-таной для случаев постоянных выпадений радионуклидов из атмосферы и орошения почвы загрязненной радионуклидами водой в предположении, что установилось равновесное распределение радионуклидов между камерами модели. В компьютерные модели "VFCHAIN" и "MAGMOD", кроме сценариев, связанных с постоянными выпадениями и орошением, включен сценарий аварийного выпадения, применимый, когда выпадения из атмосферы прекратились, и листовой путь загрязнения растений стал несущественным — при этом происходит загрязненение растений только по корневому пути через загрязненную радионуклидами почву. Компьютерные модели позволяют рассчитывать концентрацию радионуклидов в прикорневой зоне почвы, листовых и нелистовых овощах, зерновых, пастбищной траве, молоке и мясе, а также в пресноводных и морских продуктах. Модель "MAGMOD" позволяет работать в интерактивном режиме, модель "VFCHAIN" — как в интерактивном, так и в пакетном.

В §5 описана компьютерная модель "RAT/DOS", предназначенная для расчета доз внутреннего облучения человека, связанного с потреблением загрязненных радионуклидами продуктов и воды. Компьютерная модель создана на основе двух модулей интегрированной системы "IS-FCRD" — "рацион" и "дозы". Такая модель применима в тех случаях, когда экспериментально измерены концентрации радионуклидов в продуктах питания и нет необходимости проводить расчет по первому модулю — "пищевым цепям". Моделирование внутреннего облучения про-

водится для четырех возрастных групп: младенцы (0-1 год), дети (1-11 лет), подростки (11-17 лет), взрослые.

Третья глава посвящена проектированию и разработке генератора динамических камерных моделей "БУМОСЕК" —интегрированной среды для компьютерной реализации динамических камерных моделей с коэффициентами перехода, имеющими сезонную зависимость.

В §1 представлен генератор динамических камерных моделей "БУМСЮЕК". Описана архитектура динамических камерных моделей, которые могут быть созданы с помощью генератора "БУМОСЕК". Предложено представить динамическую камерную модель как совокупность трех элементов (рис. 4) —

1. структуры модели,

2. совокупности сезонов,

3. матрицы коэффициентов перехода.

Рис. 4: Архитектура генератора динамических камерных моделей. Необходимо отметить, что

• структура модели состоит из необходимого пользователю количества перенумерованных камер (каждая камера может иметь название),

• сезоном назван максимальный интервал времени, в течение которого все коэффициенты перехода между камерами не зависят от времени,

• сезонная зависимость коэффициентов перехода моделируется кусочно-постоянной функцией.

Генератор "БУМСЮЕГ'Г позволяет осуществить:

1. Формирование динамической камерной модели.

• Создание структуры камерной модели.

• Формирование файла сезонов.

• Формирование файла коэффициентов перехода, имеющих сезонную зависимость.

2. Создание архива динамических камерных моделей.

3. Решение жесткой системы линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами.

В §2 представлена динамическая модель миграции радионуклидов в зерне "РСЕАНМЬАНВ/СНАШ", как пример компьютерной модели, которая может быть создана с помощью генератора "БУМОСЕИ". Такая модель необходима для расчета концентрации радионуклидов в урожае после аварийного выброса радионуклидов, когда мы имеем дело с неравновесной ситуацией и обычные стационарные модели неприменимы.

Четвертая глава посвящена тестированию и оценке созданных компьютерных моделей, анализу этих моделей на неопределенность/чувствительность.

В §1 исследованы компьютерные модели миграции радионуклидов в почве "КБСЛЬ" и "НАМШ". Для модели "11801Ь" получены аналитические решения системы дифференциальных уравнений миграции для случаев аварийного выброса и постоянных выпадений радионуклидов, проведены тестовые расчеты. Приведены результаты анализа компьютерных моделей на неопределенность/чувствительность, а также результаты их тестирования с использованием реальных данных. Получено хорошее

Рис. 5: Компьютерная модель "RAMIS": сравнение результатов моделирования и измерений для Cs-137.

соответствие расчетных и экспериментальных профилей миграции радионуклидов (рис. 5).

В §2 представлены результаты сравнительного анализа компьютерных моделей "MAGMOD", "VFCHAIN" и "MODJC". Разница в результатах прогнозов связана с различием используемых в моделях параметров. Проведено сравнение результатов моделирования концентрации радионуклидов в зерне (модель "PCFARMLAND/GRAIN") с экспериментальными данными, получено хорошее соответствие результатов моделирования и измерений (рис. 6).

В §3 представлены результаты численных экспериментов, проведенных с помощью созданных компьютерных моделей.

Основные результаты диссертации:

• Разработаны принципы создания интегрированной системы — компьютерной интегрированной среды для поддерж-

0.0001-}-i--------i-i--

0 10 20 30 40 . 50 CO 7D CO CO 100 Враг» [йекду xsaptwA N сСср.урсэкг.1, сут.

Рис. в: Компьютерная модель "PCFARMLAND/GRAIN": сравнение результатов моделирования я измерений.

ки принятия решений при анализе отдаленных последствий радиционных аварий. На основе современных информационных технологий создан прототип интегрированной системы, включающий базы и банки данных, банк базовых радиоэкологических моделей, систему информационной поддержки.

• Разработан принцип организации архитектуры моделей интегрированных систем, включающих модельно-зависимые и модельно-независимые (внешние) базы данных.

• Создан банк базовых компьютерных моделей миграции радионуклидов в почве и пищевых цепях, проведен анализ моделей на неопределенность/чувствительность, а также их тестирование и оценка с использованием реальных данных.

• Спроектирован и реализован генератор динамических камерных моделей — интегрированная среда для компьютер-

ной реализации динамических камерных моделей миграции радионуклидов в окружающей среде с учетом сезонной зависимости коэффициентов перехода между камерами.

Список публикаций по теме .диссертации.

1. М.Ф.Каневский, Е.Д. Мартыненко, С.Ю. Чернов. Разработка прикладных математических программ для анализа последствий аварий на АЭС и их влияния на окружающюю среду и человека. Сборник "Проблемы безопасного развития атомной энергетики" М., Наука, 1990, с. 52-58.

2. Н.В. Ананьева, Р.В. Арцтюняи, Л.А. Большое, В.А. Воробьев, М.Ф.Каневский, И.Е. Краюшкин, Е.Д. Мартыненко, С.Ю. Чернов. Компьютерные модели для анализа миграции радионуклидов в окружающей среде. Т.д. конференции "Геохимические пути миграции искусственных радионуклидов в биосфере", Гомель, 1990, с. 118.

3. В.А. Воробьев, М.Ф.Каневский, И.Е. Краюшкин, Е.Д. Мартыненко. Модели пищевых цепочек: анализ и компьютерное моделирование. Препринт 18. М.: ИБРАЭ АН СССР, 1991, 48 с.

4. М.Ф.Каневский, И.Е. Краюшкин, H.A.Коптелова, Е.Д. Мартыненко, В.А. Воробьев, С.Ю. Чернов, Е.Савельева-Трофимова. Разработка прикладных интегрированных систем в радиоэкологии. Сборник "Проблемы безопасного развития атомной энергетики" М., Наука, 1993, с. 165-195.

5. Е.Д. Мартыненко, М.Ф.Каневский, C.JI. Гаврилов, С.К.Ста-ринин. Анализ и верификация моделей миграции радионуклидов в почве. Тезисы докладов 4-ой Ежегодной Научно-Технической конференции Ядерного Общества "Ядерная энергия и безопасность человека", Нижний Новгород, 1993, ч.1, с. 83-84.

6. М.Ф.Каневский, H.A. Коптелова, Е.Д.Мартыненко. Компьютерная реализация динамической модели миграции радионуклидов в пищевых цепочках FARMLAND: 1. PC FARMLAND/GRAIN. Препринт NSI-22-93. М.: ИБРАЭ РАН, 1993, 56 с.

7. М.Ф.Каневский, H.A. Коптелова, Е.Д. Мартыненко. "DY-MOGEN" — генератор динамических камерных моделей. Препринт NSI-2-94. М.: ИБРАЭ РАН, 1994, 24 с.

8. М.Ф.Каневский, И.Е. Краюшкин, Е.Д. Мартыненко, Е.В.Ев-стратов, Е.В. Амдрессом. Компьютерная модель "ПОЧВА" (RSOIL). Препринт NSI-06-94. М.: ИБРАЭ РАН, 1994, 39 с.

9. М.Ф.Каневский, H.A. Коптелова, С.Ф.Крылов, Е.Д. Mapты-ненко, 10.И. Медведь. Компьютерная модель " РАЦИОН-ДОЗЫ" (RAT/DOS). Препринт NSI-09-94. М.: ИБРАЭ РАН, 1994, 35 с.

10. Е.В. Евстратов, М.Ф.Каневский, И.Е.Краюшкин, С.Ф. Крылов, Е.Д. Мартыненко. Компьютерная модель " MAGMOD". Препринт NSI-10-94. М.: ИБРАЭ РАН, 1994, 41 с.

11. М.Ф. Каневский, H.A. Коптелова, Е.Д. Мартыненко, Е.В. Евстратов, Ю.И. Медведь. Компьютерная модель "RAMIS". Моделирование вертикальной миграции радионуклидов в почве. Препринт NSI-12-94. М.: ИБРАЭ РАН, 1994, 16 с.

12. Е.В. Андрессон, Р.В. Арутюнян, Е.В. Еастрвтов, М.Ф.Каневский, Е.Д. Мартыненко, Ю.И. Медведь. Современные динамические модели миграции радионуклидов в пищевых цепочках. Препринт NSI-27-94. М.: ИБРАЭ РАН, 1994, 45 с.

13. Е.В. Андрессон, Р.В. Арутюнян, М.Ф. Каневский, H.A. Коптелова, И.Е. Краюшкин, С.Ф.Крылов, Е.Д. Мартыненко. Тестирование компьютерных моделей миграции радионуклидов в пищевых цепочках "VFCHAIN", "MAGMOD" и "FC-NRC". Препринт NSI-28-94. М.: ИБРАЭ РАН, 1994, 40 с.

14. Е.В. Андрессон, Р.В. Арутюнян, М.Ф.Каневский, H.A. Коптелова, Е.Д. Мартыненко. Тестирование компьютерных моделей миграции радионуклидов в почве: "RSOIL" и "RAMIS". Препринт NSI-29-94. М.: ИБРАЭ РАН, 1994, 20 с.