автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Исследование и разработка компьютерных технологий поддержки принятия решений по снижению последствий воздействия цунами на береговую зону

АНДРЕЕВ Алексей Константинович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПО СНИЖЕНИЮ ПОСЛЕДСТВИЙ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЦУНАМИ НА БЕРЕГОВУЮ ЗОНУ

Специальность 05.13.11 - Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 2 МАЙ 2011

Москва-2011

4845403

Диссертация выполнена в Государственном учреждении «Научно-производственное объединение «Тайфун» Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды при Министерстве природных ресурсов и экологии Российской Федерации.

Научный руководитель доктор технических наук

Камаев Дмитрий Альфредович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Гливенко Елена Валерьевна

доктор технических наук, профессор Яцало Борис Иванович

Ведущая организация Институт проблем управления им. В. А. Трапезникова

Российской академии наук

Защита состоится <Д|» 2011 г. в 1*5 часов в ауд. 308 на заседании

диссертационного совета Д 212.200.14 при Российском государственном университете нефти и газа имени И.М. Губкина по адресу: 119991, ГСП-1, г. Москва, Ленинский проспект, д. 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина.

Автореферат разослан «21 » Диргл.^ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор С/ О А.В.Егоров

/// А. В.1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Явление цунами заключается в возникновении в океанах и морях длиннопериодных волн вследствие подводных землетрясений, извержений подводных или островных вулканов и оползней больших масс земных пород.

Цунами оказывают разрушительное воздействие на население и хозяйственную инфраструктуру в наиболее развитых и плотно заселенных частях суши, какими во многих странах являются участки морского побережья. Кроме того, развитие индустрии туризма приводит к тому, что прибрежные территории во многих странах превращаются в сплошную курортную зону, которую посещают десятки миллионов людей в год.

Цунами являются редкими событиями, но наносимый ими ущерб может быть очень большим, он усиливается полной внезапностью, быстротечностью, разрушениями н гибелью людей. Предотвращение или смягчение последствий цунами осложняется близостью очагов многих цунами к побережью, поэтому время прихода первой волны к берегу составляет не более 20-30 мин.

Для планирования и организации выполнения мер по обеспечению безопасности населения, хозяйственной деятельности и уменьшения возможного ущерба от цунами создаются специализированные службы предупреждения об угрозе цунами (СПЦ). Однако надежный анализ складывающейся ситуации осуществляется в условиях недостатка времени на основе математического моделирования, требующего вычислений значительного объема, и невозможен без применения современных компьютерных технологий.

С этой целью для СПЦ разрабатываются компьютерные системы, реализующие следующие задачи:

• осуществить анализ быстро меняющейся ситуации на основе прогноза и фактических данных;

• оценить степень угрозы возникновения цунами и масштаб вероятного воздействия цунами на защищаемую территорию;

• принять решение об объявлении тревоги цунами,

• принять решения по организации мер, обеспечивающих безопасность населения и уменьшение возможного ущерба от цунами, а также оценить их эффективность;

• принять решения в процессе ликвидации последствий воздействия цунами и осуществить контроль их реализации.

Решение перечисленных задач осуществляется, как правило, в условиях острого недостатка времени, неопределенности и недостаточности информации о складывающейся ситуации генерации и распространения волн цунами.

Таким образом, разработка компьютерных систем поддержки принятия решений при ликвидации последствий воздействия цунами на береговую зону является актуальной задачей, решение которой позволит резко повысить надежность и эффективность функционирования Российской системы предупреждения о цунами.

Цель работы. Повышение качества функционирования службы предупреждения о цунами на основе разработки и внедрения компьютерной технологии поддержки принятия решений при ликвидации последствий воздействия цунами на береговую зону.

Основные задачи диссертационной работы:

1. Исследование и разработка методов, алгоритмов и программных средств системы поддержки принятия решений в чрезвычайных ситуациях, связанных с возникновением цунами.

2. Создание на их основе компьютерной системы генерации и согласования решений, связанных с реализацией действий по обеспечению безопасности населения в прибрежных районах и уменьшению возможного ущерба от цунами.

3. Исследование на практике эффективности созданной компьютерной системы, а также эффективности заложенных в ней методов, алгоритмов и программ поддержки принятия решений.

Научная новизна работы заключается:

1. В исследовании и разработке теоретических и методических основ для построения компьютерных систем поддержки принятия согласованных решений в чрезвычайных ситуациях, связанных с воздействием воли цунами, позволяющих осуществлять функционально-структурное проектирование и тестирование процессов поддержки принятия согласованных решений;

2. В генерации возможных решений по порядку объявления тревоги цунами и её отмены на основе компьютерного моделирования и оперативно поступающей информации;

3. В оценке последствий воздействия волн цунами на население и инфраструктуру защищаемых пунктов;

4. В исследовании и разработке алгоритмов и программ, реализующих процесс поддержки принятия согласованных решений по обеспечению безопасности населения и хозяйственной деятельности в прибрежных районах и уменьшения возможного ущерба от цунами;

Достоверность научных положений, выводов и практических результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждена:

1. результатами практической проверки методов, алгоритмов и программного обеспечения на примере реальных событий цунами,

2. сопоставлением с результатами, полученными с помощью существующих аналитических решений и специально разработанных тестов на основе существующих методик,

3. корректным обоснованием и анализом, а также результатами использования разработанных в диссертации алгоритмических и программных методов и средств.

Теоретическая и научная значимость работы.

1. Исследованы и разработаны алгоритм и программное обеспечение для построения прогноза распространения волны цунами и генерации на его основе возможных действий по объявлению тревоги цунами.

2. Исследована и разработана интерактивная система обнаружения аномальных изменений уровня моря по данным автоматизированных постов.

3. Разработана экспертная процедура компьютерного прогнозирования последствий повреждения систем жизнеобеспечения при воздействия волн цунами на береговую зону.

Внедрение и реализация результатов работы.

На основе полученных результатов работы создана и внедрена автоматизированная информационно-управляющая система в Центрах цунами ГУ «Камчатское УГМС», ГУ «Сахалинское УГМС», ГУ «Приморское УГМС».

Защищаемые положения:

1. Разработка алгоритмов и систем программ генерации решений по объявлению тревоги цунами на основе данных о землетрясении и прогноза распространения волн цунами.

2. Разработка адаптивного алгоритма и программного обеспечения для непрерывного анализа поступающих данных об уровне моря с целью автоматического обнаружения волны цунами и оценки её характеристик.

3. Разработка алгоритмов и программ прогнозирования повреждений систем жизнеобеспечения при воздействии волн цунами на береговую зону на основе экспертных данных

4. Разработка компьютерной системы поддержки принятия решений по снижению последствий воздействия цунами на береговую зону.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались па:

1. Международной конференции «24-th International Tsunami Symposium, July 14-17 2009, Novosibirsk, Russia»;

2. II Международной конференции «Геоинформатика: технологии, научные проекты», г. Барнаул, 20 - 25 сентября 2010 г.

3. X научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций. Оценка рисков возникновения чрезвычайных ситуаций», Московская область, пос. Быково, 5-6 октября 2010 г.

Публикация работ. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 научных публикациях, в том числе в издания, рекомендованных ВАК, - 2 статьи.

Личный вклад автора. Во всех публикация автору принадлежит участие в постановках задач и интерпретации результатов.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, выводов и списка литературы. Работа изложена на 105 страницах машинописного текста, содержит 20 рисунков 17 таблиц. Список литературы содержит 32 источника.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, и формулируются основные положения и цели работы. Приводится общая характеристика работы.

Первая глава посвящена обзору использования компьютерных технологий для поддержки принятия решений по снижению последствий воздействия цунами на береговую зону. Анализируются состояние и тенденции развития компьютерных средств служб предупреждения о цунами стран тихоокеанского региона, а также современное состояние Российской службы предупреждения о цунами.

Во второй главе приводится исследование и разработка алгоритмов и процедур поддержки принятия решений при угрозе воздействия цунами на береговую зону.

При принятии решения об объявлении тревоги цунами в защищаемом пункте S, компьютерная система учитывает следующие факторы:

1) Тпм - время возникновения землетрясения;

2) 7^(0 - ожидаемое время добегания волны цунами до защищаемого пункта;

3) М - магнигуда произошедшего землетрясения;

4) Л/](/)<Л/*(>) - пороговые значения магнитуды землетрясения, отвечающие соответственно 1-ому и 2-ому уровням угрозы цунами;

5) Г'(1')<Г2(/) - времена реализации защитных мероприятий 1-уровня и 2-уровня

соответственно;

6) г, <,...,< /,„ - ожидаемые времена поступления данных наблюдений за уровнем моря от автоматизированных постов

И реализует следующий алгоритм:

• если магнитуда М подводного землетрясения, произошедшего в области О,, удовлетворяет условию М <Л/](г), то тревога цунами не объявляется (0-уровень угрозы);

• если магнитуда М подводного землетрясения, произошедшего в области С1';, удовлетворяет условию М) (/) < М < Л/? (/), то объявляется 1 -уровень угрозы цунами;

• если магнитуда М подводного землетрясешш, произошедшего в области П';, удовлетворяет условию М) (/) < М, то объявляется 2-уровень угрозы цунами.

Для реализации мероприятий, соответствующих 1-уровню и 2-уровню угрозы требуется, соответственно, время Т'(/)< Т2(/). Оценка этих времен осуществляется на этапе настройки системы на основе экспертной информации и в дальнейшем используется компьютерной системой. При настройке системы на основе программного моделирования, статистической обработки реальных событий и экспертных оценок по отношению к каждому защищаемому пункту 5,. вся область П возможного положения эпицентров подводных землетрясешш разбивается на зоны П = иП!,...иО,,((|. Для каждой зоны = 1,...,<:(/) устанавливаются пороговые значения магнитуды землетрясения М){1]<М](1).

При поступлении сигнала о сейсмическом событии с параметрами землетрясения от сейсмостанцни компьютерная система поддержки принятия решения в автоматическом режиме проводи? анализ параметров землетрясения: координат эпицешра, магнитуды, глубины гипоцентра, содержащихся в сигнале. Далбе, используя полученную оценку координат и магнитуды, она проводит расчет ожидаемых времен добегания и высот волн цунами для защищаемых пунктов Т,(0 и постов инструментальных наблюдений Трф.

Система формирует варианты решений дежурному океанологу по объявлению тревоги цунами в пункте Я, в соответствии со следующим правилом формирования вариантов 1). Если для защищаемого пункта Я, магнитуда землетрясения М превышает критическое значение магнитуды Л/? (/), т.е. М > Л/;"(/), то система рекомендует дежурному океанологу объявить в населенном пункте 5, уровень угрозы цунами в соответствии с таблицей 1.1

Таблица 1.1

Условие Уровень угрозы Комментарий

1-уровень Имеется время для оценки складывающейся обстановки по данным измерений уровня моря, поступивших от автоматизированных постов.

или Тм<{ч -0+ г'СО 2-уровень Не имеется времени для оценки складывающейся обстановки по данным измерений уровня моря, поступивших от автоматизированных постов.

2). Если для защищаемого пункта 5, магнитуда землетрясения М удовлетворяет условию М\(/) < М < М)(/), то система рекомендует дежурному океанологу объявить в населенном пункте 5, уровень угрозы цунами в соответствии с таблицей 1.2

Таблица 1.2

Условие Уровень угрозы Комментарий

или <(',-0 + ^(0 0-уровенъ Имеется время для оценки складывающейся обстановки по данным измерений уровня моря, поступивших от автоматизированных постов.

¡-уровень Не имеется времени для оценки складывающейся обстановки по данным измерений уровня моря, поступивших от автоматизированных постов.

3). Если для защищаемого пункта 5, магнитуда землетрясения M удовлетворяет условию Л/ < M'j(i), то система рекомендует дежурному океанологу объявить в населенном пункте 5,0-уровень угрозы цунами.

На основе магнитудно-географического критерия система последовательно перебирает все защищаемые пункты S, и определяет для каждого из них зону, в которую

попал эпицентр землетрясения - . Так как на основании экспертных оценок для каждой из зон в базе данных хранятся критические пороговые значения магнитуды, то, выбрав зону, система проводит сравнение магнитуды произошедшего землетрясения с критическими значениями h)/(i)<Mf(i).

Для каждого населенного S, пункта система выбирает ближайшие посты инструментальных наблюдений /У в пределах расстояния R, задаваемого на основе экспертных оценок на этапе настройки системы.

Далее формируется предварительный рекомендуемый уровень тревоги для каждого отдельного защищаемого пункта S, по следующей схеме:

• в случае если магнитуда произошедшего землетрясения меньше порога M/(i) система рекомендует не объявлять тревогу (тревога 0-уровня);

• при магшггуде землетрясения большей либо равной Mj(i), но меньшей M/(i) выбор предварительного уровня тревоги осуществляется на основе анализа времени доступного для принятия решения: если хотя бы для одного поста инструментальных наблюдений /У выполняется условие Ts(i)>Tp(k) + 1J (где 7V- время, требуемое для объявления тревоги, задается на основе экспертных оценок), то система рекомендует не объявлять в пункте S, тревогу (тревога 0-уровня), иначе - тревогу 1-уровня;

• аналогично при регистрации землетрясения с магнитудой большей либо равной Mf(i) и обнаружении поста инструментальных наблюдений, для которого выполняется условие Ts(i)>Tp(k) + Г (где 7г - время эвакуации населения, задается на основе экспертных оценок), система рекомендует объявить 1-уровень угрозы цунами, иначе - 2-уровень угрозы цунами.

Рассчитанные уровни тревоги для каждого защищаемого пункта отображаются специалисту службы цунами в виде диаграммы.

Одновременно система проводит непрерывный мониторинг данных, поступающих с постов инструментальных наблюдений за уровнем моря. В случае обнаружения прихода волны цунами хотя бы одним в одном пункте инструментальных наблюдений /У, во всех защищаемых пунктах S„ расстояние до которых не больше R, система автоматически

предлагает повысить уровень угрозы цунами с 0-уровня до 1-го и с 1-уровня до 2-го соответственно.

Для каждого уровня тревоги система генерирует последовательность рекомендуемых действий дежурного в соответствии с регламентом работы центра, а также пакет отправляемых телеграмм.

Последовательность рекомендуемых действий дежурного система генерирует в соответствии с «шаблоном действий», который создается в соответствии с регламентом действий для каждого отдельного центра СПЦ заранее, на этапе подготовки системы. Регламент может пересматриваться с учетом изменений обслуживаемой территории, накопленного опыта и т.д. В системе предусмотрен редактор шаблона действий, который в случае необходимости позволяет пользователю отражать изменения в регламенте действий.

В третьей главе излагается математическое обеспечение процедур обработки уровенных данных и процедур прогнозирования характеристик волн цунами, используемых в компьютерной системе.

При получении сообщения о сейсмическом событии, содержащем дату, время, географические координаты эпицентра землетрясения и его магнитуду, компьютерная система производит расчет времени добегания волн до защищаемых пунктов на основе модификации широко используемого «алгоритма Гюйгенса». Его существенной особенностью является использование дискретной батиметрической информации (распределения глубин), точность которой является определяющим фактором точности расчета. В системе разработана и реализована модификация «алгоритма Гюйгенса», позволяющая производить расчет времен добегания волн цунами в случае неодносвязной области распространения волн.

Процедура расчета максимальных высот волн цунами в пунктах побережья основана на интерполяции данных о высотах волн от виртуальных источников. Расчет высот волн от виртуальных источников производится заранее, на этапе подготовки системы.

Разработка эффективных методов автоматизированной обработки гидрофизических данных для обнаружения волн цунами, оценки по этим данным их характеристик и последующего прогнозирования степени опасности цунами для защищаемых пунктов является чрезвычайно актуальной задачей для повышения эффективности системы предупреждения о цунами (СПЦ), в частности, для снижения количества ложных тревог и пропусков цунами.

В оперативной работе автоматическое определение характеристик цунами необходимо для определения момента возникновения волны пунами в месте проведения

измерений, а также обнаружения факта прекращения регистрации волны цунами при отмене тревоги.

Впервые принципы автоматизированной обработки сигнала, поступающего от пункта уровенных наблюдений в реальном масштабе времени, были сформулированы в работах A.A. Поплавского, Л.Н. Поплавской и Е.А. Куликова. Основным недостатком предложенного ими подхода является невозможность его адаптации к месту установки поста измерений, в частности к частотно-избирательным свойствам акватории места установки измерителя, что приводит к ложным сигналам о возникновении цунами. Кроме того, обнаружение волны цунами происходит с запаздыванием.

В системе реализован разработанный автором адаптивный алгоритм обработки уровенных данных, который опирается на представление эволюции скорости изменения уровня моря за вычетом приливной составляющей в виде процесса авторегрессни со скользящими средними в остатках (АРСС (2,/)-модель): х; =aixi_l+a1xl_2+öj, где х-у -среднее за i-ю минуту значение скорости изменения уровня моря за вычетом приливной составляющей, я,, я, - параметры процесса, S, - «белый шум» с неизвестной дисперсией стI. Параметры процесса определяются по данным измерений уровня моря и результату вычисления приливной составляющей на основе статистических процедур оценивания, построенных по методу моментов.

После идентификации параметров модели вычисляются оценки остатков: д] = xt - (1{х,_х - ii-^x^-, Обработка остатков с целью обнаружения волны цунами осуществляется на основе алгоритма кумулятивных сумм. Обычно скорость изменения уровня моря, обусловленная приливной составляющей, не превышает 1-3 см/мин. Во время прохождения цунами изменения уровня носят более резкий характер. Для волн, представляющих реальную опасность, эта величина достигает 10 и более см/мин. Таким образом, в случае возникновения волн цунами среднее значение остатков изменяется: происходит «разладка» модели. При этом изменение среднего значения остатка может происходить как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения.

Применяемая в системе процедура обнаружения волны имеет следующий вид. Сначала вычисляются значения рекуррентных последовательностей:

g- -гк),где (y)*=max(0,.y), gi = 0, g,? = 0.

Где к > 0 - «допуск» на величину отклонения от среднего, причем последовательность g' вычисляется для обнаружения изменения среднего в сторону увеличения, а

последовательность - в сторону уменьшения. Время поступления волны оценивается для каждой последовательности g',g' по формуле =гшп{< > 1: ^ 2 л} В качестве результата берется оценка = тт\г*ипа1„пТ*илат1} Величины к> О к являются

пороговыми, и их значения устанавливаются при наладке системы.

Приведенная процедура идентификации волны цунами реализована в системе в виде следующего алгоритма. Параметром алгоритма, кроме перечисленных ранее пороговых значений Л и к, является также N - временной отрезок, в пределах которого используются, полученные оценки параметров модели а,,а2,&Ц.

Временная ось разбивается на интервалы Jl = {i:i = l + 1,...,/ + УУ}, / = 1,2,... Пусть / -текущий момент времени, причем ieJl. Для проверки появления волны цунами в записи уровня моря в момент времени / выполняются следующие действия:

1. поданным ] = 1-И + \,1-ЛГ + 2,...,/} оцениваются параметры модели а,,а2,6-~;

2. применяется правило подачи сигнала о разладке для момента времени I, причем при вычислении остатков используются оценки параметров модели, полученные на предыдущем шаге, и кумулятивные суммы вычисляются для ряда остатков

Периодическая переоценка параметров модели, выполняемая на шаге 1, позволяет подстраивать алгоритм обнаружения к изменению состояния уровня моря, обусловленному изменением погодных условий. Кроме того, значения параметров не являются универсальными, а зависят также от места установки измерителя уровня моря. Значение параметра N выбирается при наладке системы, рекомендованное значение N -60.

Определение момента прихода волны цунами позволяет оценить максимальную высоту пришедшей волны. Оценка максимальной высоты волны выполняется, начиная с момента вступления опасного сигнала (цунами). Выполняется расчет максимальной высоты уровня моря путем последовательного сравнения текущего значения уровня с рассчитанным максимумом.

Оценка периода волны цунами выполняется при помощи быстрого преобразования Фурье отрезка ряда хг Рассчитываются амплитуды каждой гармоники, и определяется период гармоники с максимальной амплитудой.

Четвертая глава посвящена изложению компьютерной процедуры прогнозирования повреждения систем жизнеобеспечения при воздействии волн цунами на береговую зону на основе экспертных данных.

Системы жизнеобеспечения представляют собой сложные структуры, поэтому комплексное прогнозирование их поведения в условиях чрезвычайной ситуации на основе аналитических моделей, как правило, невозможно из-за отсутствия адекватных моделей, охватывающих все виды систем жизнеобеспечения и учитывающие их взаимодействие. Альтернативным подходом к проблеме прогнозирования поведения систем жизнеобеспечения в условиях чрезвычайной ситуации является подход, опирающийся на реализацию компьютерных систем, способных согласовывать несовпадающие мнения экспертов и на основании этих данных оценивать последствия чрезвычайных ситуаций.

Система жизнеобеспечения населения рассматривается как совокупность взаимодействующих подсистем жизнеобеспечения (ПСЖ). Вследствие возникновения чрезвычайной ситуации каждая ПСЖ может подвергнуться неблагоприятным воздействиям, которые приведут к потере ряда функций. Неблагоприятные воздействия на ПСЖ могут иметь причиной, как само цунами, так и нарушение функционирования связанных с ней ПСЖ.

Компьютерная система прогнозирования (КСП) может использоваться для решения следующих задач:

1. прогнозирования состояния системы жизнеобеспечения в условиях чрезвычайной ситуации, вызванной воздействием волн цунами;

2. моделирования возможных состояний системы жизнеобеспечения, которые могут возникнуть в результате реализации гипотетических сценариев воздействия волн цунами.

Первая задача решается с помощью компьютерной системы в условиях чрезвычайной ситуации, вызванной воздействием волн цунами. Результаты решения используются для оперативной организации мероприятий по обеспечению безопасности населения и хозяйственной деятельности в прибрежных районах и уменьшению возможного ущерба от цунами.

Вторая задача возникает при составлении предварительных планов проведения работ по обеспечению безопасности населения и хозяйственной деятельности в прибрежных районах и уменьшению возможного ущерба от цунами. Использование КСП позволяет осуществить анализ возможных последствий воздействия волн цунами на систему жизнеобеспечения населения. Такой анализ позволяет выделить типичные сценарии воздействия цунами и последствий и осуществлять на их основе разработку предварительных планов.

На подготовительном этапе осуществляется формирование на основе экспертной информации исходных данных для выполнения процедур прогнозирования состояния

системы жизнеобеспечения, которые включают: схемы инфраструктуры подсистем жизнеобеспечения; информацию, характеризующую влияние элементов инфраструктуры; схемы технологических процессов подсистем жизнеобеспечения; множество возможных факторов воздействия на элементы инфраструктуры; таблицы весов факторов воздействия для элементов инфраструктуры; технологические параметры операций и соответствующие режимы функционирования; технологические характеристики операций и их зависимость от состояния элементов.

Объем используемых экспертных данных значителен и не может вводиться одним экспертом, так как требует специальных знаний, всей совокупностью которых отдельный эксперт может не обладать. Кроме того, введение большого объема данных одним экспертом может сопровождаться ошибками. По этим причинам в системе применяются процедуры группового экспертного оценивания и согласования экспертных оценок.

Результаты прогнозирования в значительной степени зависят от используемой экспертной информации. Для оценки влияния экспертных оценок на результаты прогнозирования, в КСП предусмотрена возможность варьирования вводимых экспертных данных. Оценка влияния экспертной информации на результаты прогнозирования осуществляется при настройке системы, а также при решении задач предварительного планирования.

При использовании компьютерной системы в условиях возникшей чрезвычайной ситуации в систему вводятся данные о чрезвычайной ситуации - выполняется этап ЧС на рис.1. В режиме аварийного планирования, когда осуществляется анализ возможных состояний системы жизнеобеспечения населения вследствие воздействия волн цунами в систему вводятся гипотетические данные о чрезвычайной ситуации - выполняется этап А на(рис.1).

Рис. 1. Общая схема функционирования компьютерной системы

В компьютерной системе предусмотрено представление системы жизнеобеспечения в виде шести подсистем жизнеобеспечения, соединенных между собой средствами коммуникаций (кабели, газопроводы и т.п., которые рассматриваются как отдельные ПСЖ или включаются составной частью в соответствующие ПСЖ) и образующих систему

жизнеобеспечения населения в месте проживания (рис. 2).

Рис. 2. Пример схемы системы жизнеобеспечения

При оценке последствий воздействия волны цунами у каждой ПСЖ рассматривается её инфраструктура и процесс функционирования (технологический процесс). Элементы инфраструктуры - это материальные фрагменты ПСЖ, например здания, оборудование, инженерные сооружения и т.п. При этом считается, что элемент инфраструктуры может испытывать воздействие волны цунами, которое приводит к нарушению его функционирования. Кроме того, нарушение функционирования одного элемента инфраструктуры может быть причиной нарушение функционирования другого элементы инфраструктуры.

В КСП используется представление инфраструктуры в виде «схемы инфраструктуры», формируемой на основе экспертных знаний и представляющей собой ориентированный граф. Вершины в графе соответствуют некоторым блокам элементов инфраструктуры, а ребра - связям между блоками элементов. Наличие в графе ориентированного ребра, идущего из одной вершины в другую, означает, что повреждение в соответствующем первой вершине блоке элементов инфраструктуры вызывает повреждение в блоке элементов, соответствующем второй вершине. Действия экспертов в процессе формирования «схемы инфраструктуры» заключаются в объединении элементов инфраструктуры ПСЖ в блоки таким способом, чтобы полученная в результате схема инфраструктуры была отображением инфраструктуры в виде крупных блоков

Представление технологического процесса ПСЖ в КСП осуществляется в виде «схемы технологического процесса ПСЖ», которая является ориентированным ациклическим графом. Вершины графа соответствуют технологическим этапам (операциям), а ребра - связям между этапами. Ориентация ребер задает последовательность выполнения этапов. Схема технологического процесса формируется экспертами и строится так, чтобы полученная в результате схема была изображением технологического процесса ПСЖ в виде последовательности операций. Процедура прогнозирования состояния системы жизнеобеспечения выполняется в несколько этапов (рис. 3).

Рис. 3. Процедура прогнозирования состояния системы жизнеобеспечения

1. Формирование и оценка набора значимых факторов воздействия чрезвычайной ситуации на инфраструктуры отдельных подсистем жизнеобеспечения Множество факторов воздействия {o,,...,<t>s} представлено в компьютерной системе в виде списка, который формируется на основе экспертных знаний. Каждый фактор воздействия представлен в системе в виде набора (Ирй^.Р^лГ), где W: - зона воздействия; - максимальная глубина затопления от волны цунами, м; У^ -максимальная скорость течения воды в волне, м/с; t - температура воды в волне, град.; Т -время существования волны (продолжительность затопления), час.

Для описания повреждения элементов а инфраструктуры ПСЖ вводится величина d(a) - «степень повреждения элементаа », которая оценивается в лингвистической шкале, Точный смысл которой устанавливается экспертами отдельно для каждого элемента инфраструктуры.

Для каждого фактора воздействия Ф( и элемента а инфраструктуры ПСЖ в системе зафиксированы значения двух величин: d{a ,Ф,} <pt (л) - степени повреждения элемента инфраструктуры ПСЖ и веса воздействия фактора Ф, на элемент инфраструктуры соответственно. Значения степеней повреждения элементов инфраструктуры ПСЖ и весов воздействия факторов устанавливаются на основе технических характеристик элементов инфраструктуры или на основе знаний экспертов.

Процедура оценки набора значимых факторов воздействия чрезвычайной ситуации на инфраструктуры отдельных подсистем жизнеобеспечения выполняется следующим образом. По информации о процессе наката волны цунами на береговую зону, которая

получена на основе компьютерного моделирования или непосредственного наблюдения и представлена экспертам, компьютерная система определяет Е - множество элементов инфраструктуры ПСЖ, которые могут подвергнуться прямому воздействию волн цунами. Затем фактор Ф,, включается в множество значимых (в складывающейся ситуации) факторов, если существует элемент а е Н, для которого степень повреждения отлична от нуля ( </(й,Ф;)>1)

2. Оценка состояния инфраструктуры отдельных подсистем жизнеобеспечения в результате воздействия чрезвычайной ситуации

В компьютерной системе схема элементов инфраструктуры ПСЖ представляет собой ориентированный граф в котором вершины а, соответствуют

элементам инфраструктуры, а ребра - связям между элементами я,, я;. Наличие в графе ориентированного ребра /у, идущего из вершины а1 в вершину а/ означает, что повреждение элемента я, вызывает повреждение элемента а].

Для каждой пары элементов инфраструктуры соединенных ребрами, вводятся

функции влияния Ар(</(«,)) и йуД(/(я;)), имеющие следующий смысл. Если в графе инфраструктуры имеется ориентированное ребро я, -» а/, идущее из элемента я, в элемент лу, и элемент я,, имеет степень повреждения </(«, ), тогда элемент а) должен иметь степень повреждения равную Л4 (</(«,)). Аналогичный смысл имеет функция /л. ((/(я, )).

Степень повреждения для всей совокупности элементов инфраструктуры {«.} определяется как распределение величин {(/(я,), ] = 1,2,...} и вычисляется следующим образом.

Шаг№1

Компьютерная система определяет множество вершин графа ^{я, ¡,{/у)),

которые соответствуют элементам инфраструктуры, подвергшихся прямому воздействию волны цунами.

Шаг Иг 2

Для каждой вершины а из множества М(р) на основе моделирования наката волны

на береговую линию по формуле (I(я) = £ф((а)-г/(а,Ф,) система производит оценку

Ф!

значений г/(я), ае М(/■") - степени повреждения элементов инфраструктуры,

обусловленные воздействием волны цунами, где ф,(а) = <р((а)-\ ^<рр(а)

- приведенный

вес фактора Ф,, суммирование в обеих формулах производится по всему множеству значимых факторов. Шаг N9 3

Компьютерная система определяет подграф £(Л/(/-)) графа Р({а,},{///}), являющийся компонентой связности подмножества вершин М(Г), то есть содержащий вершины, соответствующие элементам инфраструктуры, повергшихся как прямому, так и вторичному воздействию волны цунами. Шаг № 4

Для каждой вершины аб/ЛЦЛ/у7)) компьютерная система устанавливает значение степени повреждения </(л)=0, так как эти элементы инфраструктуры не подвергались воздействию волны цунами. Шаг N9 5

Вычисляется множество 9? - возможных распределений степени повреждения {/1(а)),а £ 1.(М(/■')), удовлетворяющих условиям:

1 .если ребро е /.(Л/^)), то > АДс/(«,)); 2. если вершина а € то

Затем из множества 9? в качестве распределения степеней повреждения элементов инфраструктуры система выбирает распределение {¿„(я)}, а е Ь(м(р)), удовлетворяющее условию минимума:

= шт] | минимум вычисляется по множеству распределений 31 >

кКМ(Г» [ое/.(М(Р)) ]

Если распределений, удовлетворяющих условию минимуму, несколько, то все они предъявляются экспертам для выбора на основе процедуры согласования.

3. Оценка нарушений в осуществлении технологических процессов отдельных подсистем жизнеобеспечения Схема технологического процесса ПСЖ представлена в компьютерной системе ориентированным ациклическим графом с({Л,} ив котором вершины А, соответствуют технологическим этапам (технологическим операциям), а ребра Р0 - связям между элементами , Л1. Наличие в графе ориентированного ребра Ри, идущего из

вершины А в вершину А] означает, что сначала выполняется технологический этап А,, а затем этап /1.. Вершины Вк соответствуют завершающим операциям внешних систем (по отношению к рассматриваемой ПСЖ). Ребро, идущее га В1 в А1 и называемое входным для рассматриваемой ПСЖ, символизирует, что на вход операции А1 поступает материал, являющийся результатом выполнения операции Вк. В свою очередь, ребро, идущее из А1 в Вк и называемое выходным для рассматриваемой ПСЖ, символизирует, что на вход операции Вк поступает материал, являющийся результатом выполнения операции А1. Каждому ориентированному ребру Р:1, идущему из вершины Л, в вершину А1, сопоставлен вектор значений технологических параметров Хц = (.с,'По отношению к операции Л, вектор Ху описывает характеристики результата её выполнения. По отношению к операции А] вектор Хи описывает характеристики поступающего материала в результате выполнения операции А1. Соответствие и X - —> X]к (где объединение выполняется по

ас

всем операциям, результаты выполнения которых попадают на вход операции /1у) моделирует преобразование материала в результате выполнения операции А,.

Для каждого ориентированного ребра /V, идущего из вершины А, в вершину А;, фиксируются - множества значений вектора технологических параметров Ху.

При этом множество 3° соответствует значениям параметров Л\, предусмотренных технологическим регламентом (нормачьный режим функхщонирования), множество 3^ соответствует существенным отклонениям значений параметров Хц от технологического регламента (аварийный режим функционирования). Если параметры Х:] принимают значенти из множества 3:, то это означает, что поступающий в результате выполнения операции А1 материал (вода, электрический ток, газ и т.д.) не может подаваться на вход операции А1 (разрыв связи между технологическими операциями А1 и А1). Аналогичные множества вводятся, соответственно, для входных и выходных ребер, рассматриваемой ПСЖ.

Следствием воздействия цунами на элементы инфраструктуры ПСЖ может быть снижение качества выполнения технологических операций. Для оценки величины

качества выполнения технологической операции в систему вводится лингвистическая шкала: «норма» - {?(/(,)= О, «отклонение» - 1, «остановка» 2

Пусть вершина А1 имеет входные стрелки '^ад; и выходные стрелки

Для каждого значения качества выполнения операции 2 вводится

отображение

^) = 0,1,/?(9) = 0,1,^ = 1,...Д-, -7 = 1...../,

которое называется технологической характеристикой операции А, и определяет параметры выходного материала в зависимости от параметров входного материала. Очеввдно, П, при любых а(/7),/> = 1,.

С целью моделирования воздействия волн цунами на качество функционирования рассматриваемой ПСЖ, которое выражается в величинах характеристик материала завершающих операций, для каждого элемента инфраструктуры а1 в систему вводится

матрица воздействий ((й)^)- Элемент (£>,, стоящий на пересечении столбца с номером у и строки с номером <5, равен качеству выполнения операции Аг при условии, что степень повреждения элемента инфраструктуры равна д-1:

повреждение отсутствет (5 = 1,</(а,) = 0) 0 ... О

среднее повреждение (6 = 2,</(а,.) = 1) {<Э,)\ ••• ({?,X —

полное разрушение (3 = 3,^(а()=2) (0, ), ... (£), ...

Таким образом, матрица воздействий имеет три строки, а число столбцов совпадает с числом технологических операций рассматриваемой ПСЖ.

Схема технологического процесса, технологические параметры операций и соответствующие режимы функционирования, технологические характеристики операций, матрицы воздействий элементов инфраструктуры вводятся в систему на этапе её настройки. Оценка нарушений в осуществлении технологических процессов отдельных подсистем жизнеобеспечения сводится к определению качества выполнения для каждой технологической операции.

Если на предшествующем этапе определено распределение степени повреждения ае Р элементов инфраструктуры, то на основе семейства матриц воздействий компьютерная система определяет для каждой технологической операции качество выполнения При этом, если на технологическую операцию оказывает влияние

несколько элементов инфраструктуры, то качество выполнения принимается равным

а 6 Ф.ылО }.

4. Оценка качества функционирования всей системы жизнеобеспечения

На основе полученной на предшествующих этапах оценки качества выполнения технологических операций (<2(л)}, Л е(?({Л,}и {Вк},{/? }) система оценивает значения параметров выходного материала для каждой подсистемы жизнеобеспечения.

Далее компьютерная система на основе значений параметров входного материала определяет значения параметров выходного материала для всей системы жизнеобеспечения населения при помощи полученных на предыдущем этапе оценок качества функционирования подсистем.

Результаты оценки значений параметров выходного материала для всей системы жизнеобеспечения предъявляются компьютерной системой экспертам для анализа, на основе которого эксперты делают заключение о состоянии системы жизнеобеспечения и принятии необходимых мер по снижению возможных последствий.

Проведение оценок и вычислений в КСП опирается на экспертную, техническую и технологическую информацию. При формировании необходимой экспертной информации применяются известные методы согласования экспертных оценок, основанные на понятии профиля и назначении весов экспертам. В компьютерной системе предусмотрены процедуры:

1. Формирование схемы инфраструктуры и схемы технологического процесса подсистемы жизнеобеспечения.

2. Формирование множества возможных факторов воздействия на блоки элементов инфраструктуры

3. Формирование таблиц степеней повреждения блоков элементов инфраструктуры и весов воздействий факторов.

4. Формирование функций влияния элементов инфраструктуры.

5. Выбор технологических параметров операций и режимов функционирования

6. Формирование технологических характеристик операций

7. Формирование матриц воздействий блоков элементов инфраструктуры на технологические операции

Все перечисленные процедуры строятся на похожих принципах и включают процедуры согласования экспертных оценок. Для примера рассмотрим процедуру «Выбор технологических параметров операций и режимов функционирования»

Выбор технологических параметров операций, представленных в схеме технологического процесса, осуществляется экспертами последовательно в порядке следования операций.

На первом этапе процедуры эксперты решают задачу выбора параметров для технологических операций. В соответствии с формальным представлением технологического процесса вектор значений технологических параметров должен быть сопоставлен каждому ориентированному ребру Р:1, идущему от операции Л! к операции А1.

Сначала компьютерная система предлагает экспертам указать как можно больше параметров, связанных с рассматриваемым ребром Рц. Все ответы экспертов система объединяет общий список.

Далее осуществляется ограничение числа параметров в соответствии с оценками их важности. Компьютерная система предлагает экспертам оценить каждый параметр по двум параметрам «абсолютная важность» и «относительная важность». Абсолютная важность оценивается по 5-баллыюй шкале.

Относительная важность оценивается по 100-баллыюй шкале. Параметры сравниваются экспертом между собой. Выбирается самый важный, по его мнению, параметр и ему присваивается балл 100. Остальные параметры сравниваются с самым важным параметром и для них выставляются баллы, имеющие смысл относительной оценки.

Далее система обрабатывает оценки экспертов и вычисляет для каждого параметра среднее значение (по всем экспертам) абсолютной и относительной важности. Затем из списка удаляются все параметры, которые имеют среднее значение абсолютной важности менее ЛВ5кр или среднее значение относительной важности менее Л£4Р • Значения величин 1 < Л&У < 5, 0 < ЯЕЬ < 100 устанавливаются при наладке системы.

В результате выполнения первого шага в компьютерной системе сформирован согласованный вектор параметров Ха.

На втором этапе процедуры эксперты решают задачу выбора 3(",3,'.,3,у, - множеств значений вектора параметров Х^ =(х'г...,х™<1')) (3°. - нормальный режим функционирования, - аварийный режим функционирования, 3\ - разрыв связи между технологическими операциями А, и А;).

На первом шаге компьютерная система предлагает экспертам для каждой компоненты хЦ вектора указать критические значения /,~(х£)< 1~(х?)< такие, что:

• множество {д| ,г<лг>/,+(г,у)} соответствует разрыву связи между технологическими операциями Л, и ;

• множество (х:у) < * < (х{!)|и {х| ¡¿(х?)<х<[{{хЦ)\соответствует аварийному режиму функционирования;;

• множество {^1„(х?)<х<1^(х~)\ соответствует нормальному режиму функционирования.

На втором шаге компьютерная система, обрабатывает ответы экспертов: в качестве (хЦ)< (хЦ)< !*(х({)< / *(хЦ)- согласованных критических значений компоненты -принимаются результаты усреднения по всем ответам, т.е. если эксперт Э{р),р =

указал значения КАХ»)<'<>,№)< 11Р{Х?/)<К,Р{Х*)' т0

р

В результате для компоненты х~ вектора Х~ в системе будут сформированы согласованные критические значения, определяющие режимы функционирования.

На третьем шаге компьютерная система строит искомые множества по

следующему правилу:

У ="%{№)<*

Щ = {Хц | существует ¡3, для которого х? е х< /,"" (г*)}и {х| х > /,' (.х*)}|, В заключении приведены основные результаты работы:

1. Исследована и разработана компьютерная система поддержки принятия решений по объявлению тревоги цунами, обеспечивающая:

• отображение и контроль поступающих сообщений и оперативных данных;

• проведение расчетов с целью прогнозирования высот и времен прихода волн цунами в защищаемые пункты, отображение и контроль результатов расчетов;

• автоматический выбор схемы оповещения по данным о подводном землетрясении и результатам расчетов;

• автоматическую генерацию последовательности действий дежурного океанолога в соответствии со схемой оповещения и действующим регламентом;

• непрерывный анализ поступающих от автоматизированных постов данных об уровне моря и проведение расчетов с целью обнаружения возникновения волны цунами и оценки ей основных параметров: времени прихода, амплитуды первой волны, периода;

• прогнозирование последствий воздействия волны цунами на прибрежную территорию по данным о подводном землетрясении;

• отображение пространственно распределенных данных на картографической основе;

• формирование и автоматическую передачу в каналы связи всех выходных сигналов и сообщений по регламенту работы в соответствии со схемами оповещения;

• автоматическое протоколирование всех этапов обработки событий.

2. Разработан адаптируемый к месту установки автоматизированного поста измерений уровня моря алгоритм и программное обеспечение для непрерывного анализа поступающих данных об уровне моря с целью автоматического обнаружения волны цунами и оценки её характеристик: времени прихода волны, высоты и длины волны.

3. Разработаны алгоритмы и программы прогнозирования повреждения систем жизнеобеспечения при воздействии волн цунами на береговую зону.

4. Исследована на практике эффективность созданной компьютерной системы, а также эффективность заложенных в ней методов и алгоритмов поддержки принятия решений.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. А.КЛндреев, Д.А.Камаев, ЭЛ.Трахтенгерц «Экспертное прогнозирование последствий повреждения систем жизнеобеспечения», электронный журнал «Управление Большими системами», 2009. вып. 25. С. 243-293. httr)://w>v>v.mathnet.ru/nhn/archive.nhttnl?wshow=naper&irnid=iibs&nanerid=ll& option lang=rus.

2. А.К.Андреев «Компьютерная поддержка принятия решений при угрозе цунами", Журнал "Информационные технологии», 2010. №11. С. 60 - 65.

3. Андреев А.К., Бородин Р.В., Крылова А.В., Камаев Д.А. «Автоматизированная информационно-управляющая система Центра предупреждения о цунами», - труды ИЭМ, 2010. Т.З.С. 87-107.

4. Andreev A., Borodin R., Kamaev D., Chubarov L., Gusiakov V. Automated informationmanagement tsunami warning system,- proceedings of "24-th International Tsunami Symposium", July 14-17 2009, Novosibirsk, Russia.

5. Андреев A.K., Бейзель C.A., Гусяков B.K., Зыскин И.А., Камаев Д.А., Кузьминых И.П., Чубаров Л.Б., Шокин Ю.И. «Алгоритмическое и программное обеспечение Российской автоматизированной информационно-управляющей системы предупреждения о цунами, - тезисы докладов «II Международной конференции «Геоинформатика: технологии, научные проекты»

6. Шершаков В.М., Кузьминых И.П., Камаев Д.А., Зыскин И.А., Андреев А.К. «Мониторинг гидрофизической обстановки в системе предупреждения о цунами», -тезисы докладов конференции «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций. Оценка рисков возникновения чрезвычайных ситуаций»

Заказ 911 Тираж 100 Объём 1 п.л. Формат 60x846 Печать офсетная

Отпечатано в МП «Обнинская типография» 249035 Калужская обл., г. Обнинск, ул. Комарова, 6

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. КОМПЬЮТЕРНАЯ СИСТЕМА ПОДДЕРЖКА ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПРИ УГРОЗЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЦУНАМИ НА БЕРЕГОВУЮ ЗОНУ.

1.1. Структура и задачи служб предупреждения о цунами.

1.2. Назначение компьютерных технологий поддержки принятия решений при угрозе воздействия цунами на береговую зону.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. ПРОЦЕДУРА ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПРИ УГРОЗЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЦУНАМИ НА БЕРЕГОВУЮ ЗОНУ.

2.1. Схема компьютерной процедуры поддержки принятия решений.

2.2. Организация пользовательского интерфейса системы.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПРИ УГРОЗЕ ЦУНАМИ.

3.1. Расчет времен добегания волн цунами.

3.2. Расчет высот волн в защищаемых пунктах.

3.3. Предвычисление приливов.

3.4. Выделение и идентификация волн цунами.

3.5. Применение разработанных методов и программных средств в Автоматизированной информационно-управляющей системе Центра предупреждения о цунами.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРТНОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОСЛЕДСТВИЙ ПОВРЕЖДЕНИЯ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ВОЛН ЦУНАМИ.

4.1 Задача прогнозирования состояния системы жизнеобеспечения.

4.2 Описание этапов процедуры прогнозирования состояния системы жизнеобеспечения.

4.2.1 Формирование и оценка набора значимых факторов воздействия чрезвычайной ситуации на инфраструктуры отдельных подсистем жизнеобеспечения.

4.2.2 Оценка состояния инфраструктуры отдельных подсистем жизнеобеспечения в результате воздействия чрезвычайной ситуации.

4.2.3 Оценка нарушений в осуществлении технологических процессов отдельных подсистем жизнеобеспечения.

4.2.4. Оценка качества функционирования всей системы жизнеобеспечения.

4.3 Процедуры определения исходных данных для прогнозирования системы жизнеобеспечения при воздействии цунами.

4.3.1. Формирование схемы инфраструктуры и схемы технологического процесса подсистемы жизнеобеспечения.

4.3.2. Формирование множества возможных факторов воздействия на блоки элементов инфраструктуры.

4.3.3. Формирование таблиц степеней повреждения блоков элементов инфраструктуры и весов воздействий факторов.

4.3.4. Формирование функций влияния элементов инфраструктуры.

4.3.5. Формирование множества значимых факторов воздействия на элементы инфраструктуры.

4.3.6. Выбор технологических параметров операций и режимов функционирования.

4.3.7. Формирование технологических характеристик операций.

4.3.8. Формирование матриц воздействий блоков элементов инфраструктуры на технологические операции.

Выводы по главе 4.

Явление цунами заключается в возникновении в океанах и морях длиннопериодных волн вследствие подводных землетрясений, извержений подводных или островных вулканов и оползней больших масс земных пород.

Цунами оказывают разрушительное воздействие на население и хозяйственную инфраструктуру в наиболее развитых и плотно заселенных частях суши, какими во многих странах являются участки морского побережья, характеризующиеся высоким риском техногенных катастроф. Кроме того, развитие индустрии туризма приводит к тому, что прибрежные территории во многих странах превращаются в сплошную курортную зону, которую посещают десятки миллионов людей в год.

Цунами являются редкими событиями, но наносимый ими ущерб усиливается полной внезапностью, быстротечностью, разрушениями и высокой вероятностью фатальных исходов среди людей. Предотвращение или смягчение последствий от этого стихийного бедствия осложняется близостью очагов многих цунами к побережью, при этом время прихода первой волны к берегу составляет не более 20-30 мин.

Для планирования и организации выполнения мер по обеспечению безопасности населения, хозяйственной деятельности и уменьшения возможного ущерба от цунами создаются специализированные службы предупреждения об угрозе цунами (СПЦ). В условиях чрезвычайной ситуации, возникшей при угрозе цунами, СПЦ на основе поступающих оперативных, прогностических и экспертных данных необходимо решить следующие задачи:

• осуществить анализ быстро меняющейся ситуации на основе прогноза и фактических данных;

• оценить степень угрозы возникновения цунами и масштаб вероятного воздействия цунами на защищаемую территорию;

• принять решение об объявлении тревоги цунами,

• принять решения по организации мер, обеспечивающих безопасность населения и уменьшение возможного ущерба от цунами, а также оценить их эффективность;

• принять решения в процессе ликвидации последствий воздействия цунами и осуществить контроль их реализации.

Решение перечисленных задач осуществляется, как правило, в условиях острого недостатка времени, неопределенности и недостаточности информации о складывающейся ситуации генерации и распространения волн цунами. Надежный анализ складывающейся ситуации осуществляется на основе математического моделирования, требующего вычислений значительного объема, и невозможен без применения современных компьютерных технологий.

Определение опасности возникновения цунами в результате подводного землетрясения опирается на магнитудно-географический критерий, который заключается в разбиении акватории Тихого океана на отдельные области и сопоставлении каждой из этих областей порогового значения магнитуды. В случае попадания эпицентра землетрясения в определенную область в акватории Тихого океана и превышении порогового значения магнитуды, должна объявляться тревога об угрозе цунами. Разбиение акватории Тихого океана на области и определение пороговых значений магнитуд осуществляется отдельно для каждого Центра предупреждения о цунами.

Далее определяются (на основе магнитудно-географического критерия) пункты, для которых существует опасность цунами. По результатам расчета времен подхода волн цунами до пунктов побережья формируется график подачи сообщений об угрозе цунами.

При наличии резерва времени, ведется непрерывный анализ поступающей информации с сети измерений уровня моря. Данные измерений уровня моря позволяют определить, как сам факт возникновения волны, так и её основные параметры: оценку времени прихода, амплитуду первой волны и другие.

Наличие инструментальных наблюдений за уровнем моря позволяет подтвердить или отменить тревожное сообщение, переданное в соответствующий пункт, до которого волна цунами должна дойти позже.

При этом отмена угрозы цунами производится по данным сети измерений уровня моря. Состояние угрозы цунами отменяется, если в течение нормативного времени после прихода волны цунами ни в одном пункте измерений не зафиксирован факт прихода волны цунами.

Постоянное дежурство при функционировании СПЦ возложено на дежурного океанолога - специалиста службы цунами, ответственного за обработку поступающей оперативной информации и выдачу предупреждений и сигналов тревоги.

Цель работы. Повышение качества функционирования службы предупреждения о цунами на основе разработки и внедрения компьютерной технологии поддержки принятия решений при ликвидации последствий воздействия цунами на береговую зону.

Основные задачи диссертационной работы:

1. Исследование и разработка методов, алгоритмов и программных средств системы поддержки принятия решений в чрезвычайных ситуациях, связанных с возникновением цунами.

2. Создание на их основе компьютерной системы генерации и согласования решений, связанных с реализацией действий по обеспечению безопасности населения в прибрежных районах и уменьшению возможного ущерба от цунами.

3. Исследование на практике эффективности созданной компьютерной системы, а также эффективности заложенных в ней методов, алгоритмов и программ поддержки принятия решений.

При этом основная научно-техническая задача заключается в модернизации российской системы предупреждения о цунами (СПЦ) в рамках Федеральной целевой программы «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в РФ до 2010 года». Решение данной задачи обеспечивается за счет теоретического обобщения и исследования проблем и прикладных задач поддержки принятия решений в области обеспечения безопасности населения и хозяйственной деятельности в прибрежных районах и уменьшения возможного ущерба от цунами, стоящих перед органами государственной исполнительной власти различного уровня.

Методы исследования. Проведенные теоретические и прикладные исследования базируются на методах системного анализа, теории графов, методах математической статистики, методах оптимизации систем, методах теории выбора и многокритериальной оптимизации.

Научная новизна работы заключается:

1. В исследовании и разработке теоретических и методических основ для построения компьютерных систем поддержки принятия согласованных решений в чрезвычайных ситуациях, связанных с воздействием волн цунами, позволяющих осуществлять функционально-структурное проектирование и тестирование процессов поддержки принятия согласованных решений;

2. В генерации возможных решений по порядку объявления тревоги цунами и её отмены на основе компьютерного моделирования и оперативно поступающей информации;

3. В оценке последствий воздействия волн цунами на население и инфраструктуру защищаемых пунктов;

4. В исследовании и разработке алгоритмов и программ, реализующих процесс поддержки принятия согласованных решений по обеспечению безопасности населения и хозяйственной деятельности в прибрежных районах и уменьшению возможного ущерба от цунами;

Достоверность научных положений, выводов и практических результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждена:

1. результатами практической проверки методов, алгоритмов и программного обеспечения на примере реальных событий цунами,

2. сопоставлением с результатами, полученными с помощью существующих аналитических решений и специально разработанных тестов на основе существующих методик,

3. корректным обоснованием и анализом, а также результатами использования разработанных в диссертации алгоритмических и программных методов и средств.

Внедрение и реализация результатов работы. Разработанные методы, алгоритмы и программные средства поддержки принятия решений вошли в состав математического и программного обеспечения автоматизированной информационно-управляющей системы (АИСПЦ), которая является компьютерной системой поддержки принятия решений в условиях чрезвычайной ситуации, вызванной цунами. На основе полученных результатов работы создана и внедрена автоматизированная информационно-управляющая система в Центрах цунами ГУ «Камчатское УГМС», ГУ «Сахалинское УГМС», ГУ «Приморское УГМС».

Публикации и апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международных и всероссийских конференциях, в том числе:

1. на Международной конференции «24-th International Tsunami Symposium,

July 14-17» г. Новосибирск, 2009;

2. на II Международной конференции «Геоинформатика: технологии, научные проекты», г. Барнаул, 20 - 25 сентября 2010;

3. на X научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций. Оценка рисков возникновения чрезвычайных ситуаций», Московская область, пос. Быково, 5-6 октября 2010.

Основные результаты диссертации опубликованы в 6 научных публикациях в виде научных статей и тезисов докладов, в том числе в издания, рекомендованных ВАК, - 2 статьи.

Условия выполнения работы.

Работа выполнена в Государственном учреждении «Научно-производственное объединение «Тайфун» Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды при Министерстве природных ресурсов и экологии Российской Федерации в рамках Федеральной целевой программы «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в РФ до 2010 года».

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю доктору технических наук Д.А. Камаеву за предоставленные материалы и помощь в работе.

Выводы по главе 4

Разработанная система прогнозирования состояния системы жизнеобеспечения может использоваться для решения следующих задач:

1. прогнозирования состояния системы жизнеобеспечения в условиях чрезвычайной ситуации, вызванной воздействием волн цунами;

2. моделирования возможных состояний системы жизнеобеспечения, которые могут возникнуть в результате реализации гипотетических сценариев воздействия волн цунами.

Использование системы для осуществления экспертного прогнозирования последствий повреждения систем жизнеобеспечения при воздействии волн цунами позволяет осуществить учет различных точек зрения при формировании вариантов прогноза и обеспечивает его выработку практически в реальном масштабе времени.

При выработке решений по разработке мер, направленных на обеспечение безопасности населения и хозяйственной деятельности в прибрежных районах и уменьшение возможного ущерба от цунами, результаты экспертного прогнозирования поведения систем жизнеобеспечения позволяют обнаружить неприемлемые и ошибочные решения, а также вводить в соответствии со складывающейся обстановкой необходимые коррективы в составленные ранее планы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Исследована и разработана компьютерная система поддержки принятия решений по объявлению тревоги цунами, обеспечивающая:

• отображение и контроль поступающих сообщений и оперативных данных;

• проведение расчетов с целью прогнозирования высот и времен прихода волн цунами в защищаемые пункты, отображение и контроль результатов расчетов;

• автоматический выбор схемы оповещения по данным о подводном землетрясении и результатам расчетов;

• автоматическую генерацию последовательности действий дежурного океанолога в соответствии со схемой оповещения и действующим регламентом;

• непрерывный анализ поступающих от автоматизированных постов данных об уровне моря и проведение расчетов с целью обнаружения возникновения волны цунами и оценки её основных параметров: времени прихода, амплитуды первой волны, периода;

• прогнозирование последствий воздействия волны цунами на прибрежную территорию по данным о подводном землетрясении;

• отображение пространственно распределенных данных на картографической основе;

• формирование и автоматическую передачу в каналы связи всех выходных сигналов и сообщений по регламенту работы в соответствии со схемами оповещения;

• автоматическое протоколирование всех этапов обработки событий.

2. Разработан адаптируемый к месту установки автоматизированного поста измерений уровня моря алгоритм и программное обеспечение для непрерывного анализа поступающих данных об уровне моря с целью автоматического обнаружения волны цунами и оценки её характеристик: времени прихода волны, высоты и длины волны.

3. Разработаны алгоритмы и программы прогнозирования повреждения систем жизнеобеспечения при воздействии волн цунами на береговую зону.

4. Исследована на практике эффективность созданной компьютерной системы, а также эффективность заложенных в ней методов и алгоритмов поддержки принятия решений.

1. Автоматизированная система моделирования цунами // Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВНЦ АН СССР. 1986. - 4 с.

2. Алексеев A.C., Гусяков В.К., Чубаров Л.Б., Шокин Ю.И. Численное исследование генерации и распространения цунами при реальной топографии дна. Линейная модель // В кн.: Изучение цунами в открытом океане. Москва: Наука.-1978.-С. 5-20.

3. Бокс Дж., Дженкинс Г. Анализ временных рядов. Прогноз и управление. -М.: Мир, 1974, вып. 1,2

4. Бухтеев В.Г., Клещева Г.П., Плинк Н.Л. и др. Некоторые вопросы численного моделирования цунами // В кн.: Распространение и набегание на берег волн цунами. Москва: Наука. - 1981. - С. 132-138.

5. Бухтеев В.Г, Плинк Н.Л. Использование математических моделей в целях прогнозирования изменения параметров цунами при реальном рельефе дна // В кн.: Исследование и освоение Мирового океана. Ленинград: ЛГМИ - ЛПИ. -1980.-Вып. 71.-С. 93-100

6. Бухтеев В.Г, Плинк Н.Л. Численное моделирование реального случая цунами // В кн.: Изучение цунами в открытом океане. Москва: Наука. - 1978. - С. 33-42.

7. Войт С.С. Длинные волны и приливы. Итоги науки и техники // В кн.: Океанология. Москва: ВИНИТИ. - 1973. - Том 2. - С. 46-49.

8. Гасанов А.З, Рыжов И.В, Чеботарев С.С. Экономические последствия чрезвычайных ситуаций и методические подходы к оценке социально -экономического ущерба. Учебное пособие, Академия гражданской защиты, Новогорск- 1999.

9. Гусяков В.К. О связи волны цунами с параметрами очага подводного землетрясения // В кн.: Математические проблемы геофизики. — Новосибирск: ВЦ СО АН СССР. 1974. - Вып. 5. - С. 118-140.

10. Грошев Е.Б., Марчук Ан.Г., Чубаров Л.Б. Распространение волн цунами от источников, расположенных близко к берегу // Исследования цунами. — Москва: 1986. -№ 1.-С. 94-101.

11. Гусяков В.К., Венценосцева Е.Ю., Глускина Т.Е. Развитие и современное состояние систем предупреждения о цунами на Тихом океане (обзор) // Обнинск: 1988.-41 с.

12. Гусяков В.К., Осипова A.B. База данных о землетрясениях и цунами Курило-Камчатского региона // Препринт. — Новосибирск: ВЦ СО АН СССР. -1992.-№976.

13. Гусяков В.К., Чубаров Л.Б. Численное моделирование возбуждения и распространения цунами в прибрежной зоне // Физика Земли. 1987. -N11.-С.53-64.

14. Единая межведомственная методика оценки ущерба от чрезвычайных ситуаций техногенного, природного и террористического характера, а также классификация и учет чрезвычайных ситуаций. -М.: МЧС России, 2001.

15. Ириков В.И., Тренев В.Н. Распределенные системы принятия решений. М. Наука. 1999.

16. Карев В.Ю., Симонов К.В., Чубаров Л.Б., Шокин Ю.И. Вычислительный эксперимент в проблеме цунами: детальное цунамирайонирование Тихоокеанского побережья Камчатки // Исследование цунами. Москва: Наука. -1990.-Вып. 4.-С. 64-84.

17. Карев В.Ю., Судаков А.Н., Чубаров Л.Б. Методы расчета карт изохрон // В кн.: Методы интерпретации экспериментальных данных и численные расчеты. Красноярск: КрасГУ. - 1987. - С. 75-81.

18. Куликов Е.А.: Измерение уровня океана и прогноза цунами, Метеорология и гидрология, 1990, № 6, с. 61-68

19. Никифоров И.В. Последовательное обнаружение изменения свойств временных рядов. М.: Наука, 1983

20. Отчёт по проекту 4.2. ГНТП «Безопасность» «Разработка научно-методических основ организации и технологии ведения аварийно-спасательных PI других неотложных работ при катастрофических затоплениях». М.: ВНИИ ГО ЧС, 1995.-255с.

21. Отчет о НИР «Развитие региональных и специальных компонент ЕСИМО» (проект 8, книга 2). Обнинск, ЦКБ ГМП, 2004

22. Подъяпольский Г.С. Возбуждение длинной гравитационной волны в океане сейсмическим источником в коре // Изв. АН СССР. Физика Земли. -1968. -№ 1.-С. 7-24.

23. Подъяпольский Г.С. О связи волны цунами с порождающим ее погребным источником //В кн.: Проблема цунами. — Москва: Наука. 1968. - С. 51-62.

24. Поплавский A.A., Куликов Е.А., Поплавская JI.H.: Методы и алгоритмы автоматизированного прогноза цунами. М: Наука, 1988

25. Трахтенгерц Э.А. Компьютерная поддержка принятия решений. М: СИНТЕГ, 1998, 376 с.

26. Трахтенгерц Э.А. Методы генерации, оценки и согласования решений в распределенных системах поддержки принятия решений // АиТ, 1995. №4, с.3-52.

27. Трахтенгерц Э.А. Компьютерная поддержка принятия согласованных групповых решений // Информационные технологии. 2002. №3. Приложение к журналу.

28. Шапот М. Интеллектуальный анализ данных в системах поддержки принятия решений // Открытые системы №1, 1998, с. 30-35.

29. Шокин Ю.И., Чубаров Л.Б., Марчук А.Г., Симонов К.В. Вычислительный эксперимент в проблеме цунами // Новосибирск: Наука, СО, 1989. — 168 с.

30. Юдицкий С.А. Сценарный подход к моделированию поведения бизнес-систем. Серия «Управление организационными системами». М.:СИНТЕГ, 2001, 112 с.

31. Schölte J.G. Over het VerbandtussenZeegolvenMicroseismen // Ned. Acad. Wetenshap. gewoneVergader, Afdeel, Natuurk: 1943. - Vol. 52. - P. 669- 676.

32. Tsunami Detection Algorithm, 2004 http://nctr.pmel.noaa.gov/tdadocumentation.html.