автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математические модели управления поисково-спасательными подразделениями МЧС на внутренних водоемах

На правах рукописи

Перевалов Андрей Сергеевич

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ УПРАВЛЕНИЯ ПОИСКОВО-СПАСАТЕЛЬНЫМИ ПОДРАЗДЕЛЕНИЯМИ МЧС НА ВНУТРЕННИХ ВОДОЕМАХ

05.13.18 — математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

005537867

Санкт-Петербург - 2013

005537867

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургском университете Государственной противопожарной службы МЧС России

Научный руководитель Сугак Владимир Петрович, доктор военных наук,

кандидат технических наук, профессор

Официальные оппоненты Куватов Валерий Ильич, доктор технических наук,

профессор, заслуженный работник высшей школы РФ, ФГБУН Институт проблем транспорта им. Н.С. Соломенко РАН, лаборатория проблем организации транспортных систем, заведующий

Гвоздик Михаил Иванович, кандидат технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, кафедра прикладной математики и информационных технологий, профессор

Ведущая организация Военный институт (военно-морской) ФГКВОУ ВПО

Военный учебно-научный центр военно-морского флота «Военно-морская академия»

Защита состоится 31 октября 2013 г., в 12 часов, на заседании диссертационного совета Д205.003.04 при Санкт-Петербургском университете Государственной противопожарной службы МЧС России по адресу: 196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, дом 149.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России.

Автореферат разослан « » сентября 2013 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 205.003.04 кандидат военных наук, доцент

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Оказание помощи людям в чрезвычайной ситуации природного и техногенного характера, ведение работ по смягчению последствий ЧС являются целевой задачей (ЦЗ) поисково-спасательных подразделений (ПСП) МЧС России. В связи с этим следует отметить также и важность такого направления в деятельности подразделения, как осуществление спасательных операций на внутренних водоемах.

В настоящее время выделяются немалые средства на решение вопросов, связанных с анализом, прогнозированием и моделированием происшествий, аварий и чрезвычайных ситуаций. Опыт ликвидации чрезвычайных ситуаций при авариях на внутренних водоемах страны показывает, что как сам по себе процесс ликвидации, так и его прямые и косвенные последствия могут нанести существенный ущерб природному и индустриальному компонентам геосферы, судоходству.

Специфика проведения поисково-спасательных работ (ПСР) на акватории такова, что спасательное судно выезжает к месту происшествия непосредственно после поступления вызова. От оперативности прибытия спасателей зависят человеческие жизни, предотвращенный ущерб. К основным задачам, подлежащим решению при ликвидации ЧС на внутренних водоемах, относятся оценка эффективности проведения ПСР, а так же минимизация времени ликвидации ЧС.

При определении количества сил и средств ПСП для ликвидации происшествия на внутренних водоемах, требуется большое количество справочной информации, расчетных методов и моделей действий спасателей. Любой подход в математическом моделировании, будь то аналитический или имитационный, представляет комплексную и сложную задачу для исследователя. Понятие моделирование управления силами и средствами ПСП охватывает представление всех процессов связанных с ликвидацией происшествий на внутренних водоемах, включая определение места возникновения происшествия, плана проведения ПСР и расчет времени ликвидации ЧС для различных сценариев проведения ПСР.

Однако до настоящего времени основные положения и методы управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений МЧС разработаны недостаточно. Их разработка и внедрение в практику может стать основополагающим элементом при достижении целевой задачи. Кроме того, указанные вопросы касаются обоснования расходов бюджетных средств, определения величины страховых взносов и выплат при оценке ущерба от возможных аварий.

Таким образом, исходя из вышеизложенного, можно отметить, что разработка математических моделей управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений МЧС России на внутренних водоемах является актуальной задачей исследования.

Целью работы является совершенствование системы управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений МЧС при ликвидации последствий ЧС на внутренних водоемах.

Научная задача исследования - теоретическое обоснование методов и моделей управления силами и средствами ПСП в интересах сокращения времени ликвидации ЧС на внутренних водоемах и цикла управления.

Для достижения цели поставлены следующие частные задачи: 1. проанализировать чрезвычайные ситуации на внутренних водоемах России,

обосновать пути и способы своевременной ликвидации происшествий;

2. разработать математические модели управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений МЧС России на внутренних водоемах;

3. обосновать рекомендации по своевременной ликвидации ЧС на акватории внутренних водоемов.

Объект исследования - система управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений МЧС России.

Предмет исследования - математические модели и методы управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений МЧС России.

Научная новизна результатов диссертационного исследования заключается в:

- теоретическом обосновании приоритетных направлений развития ПСП в интересах эффективного выполнения ЦЗ при ЧС на акватории внутренних водоемов;

- использовании многомодельного подхода к обоснованию и выбору алгоритмов управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений МЧС на внутренних водоемах;

- обосновании перспективного распределения сил и средств по акватории. Практическая значимость полученных результатов определяется

необходимостью сокращения времени реагирования на происшествие для своевременной ликвидации ЧС на внутренних водоемах на основе совершенствования системы управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений. Разработанные модели и методы используются в учебном процессе Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России, практической деятельности УСЦ «Вытегра» МЧС России при несении дежурства.

Методы исследования: исследования операций, экспертных оценок, математической статистики, математического моделирования, принятия решений. Основные положения, выносимые на защиту:

1) теоретическое обоснование необходимости совершенствования системы управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений;

2) математические модели управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений МЧС России на внутренних водоемах;

3) комплекс программ обеспечения управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений МЧС России на внутренних водоемах.

Достоверность основных положений исследования обеспечена корректной постановкой задач и проведением исследования, применением системного подхода при анализе предметной области, использованием современных математических методов и моделей управления силами и средствами, расчётных методов, корректным использованием исходных данных и согласованностью полученных результатов с результатами работ других исследователей: B.C. Артамонов, М.И. Гвоздик, A.M. Жухлин, В.И. Зайков, В.И. Куватов, A.C. Поляков, В.П. Сугак, В.Ф. Сидорченко, Д.А. Скороходов и др.

Обоснованность научных результатов определяется аргументацией полученных моделей и основных выводов, доказательным и корректным использованием апробированных методов исследования.

Апробация работы. Научные результаты диссертационного исследования докладывались на международных и отраслевых научно-практических конференциях: — VI Всероссийская НПК «Проблемы обеспечения взрывобезопасности и противодействия терроризму». СПбУ ГПС МЧС России, PAP АН, 19-20.04.2011.

— X Международная НПК «Подготовка кадров в системе предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций».СПбУ ГПС, 17.10 2011.

— НПК «Молодые ученые о системе обеспечения безопасности в условиях природных и техногенных чрезвычайных ситуаций в первой половине XXI века». СПбУ ГПС МЧС России, 17.10.2011.

— IV Международная НПК «Обеспечение комплексной безопасности при освоении северных территорий». СПбУ ГПС МЧС России, РСС, 17.11.2011.

— II НПК «Совершенствование работы в области обеспечения пожарной безопасности людей на водных объектах». Вологодская область, УСЦ «Вытегра» МЧС России 2011 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 4 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях из перечня ВАК, 14 публикаций в материалах научных конференций, журналах и сборниках научных трудов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы и 4 приложений. Общий объем работы - 174 страницы, 53 рисунка и 14 таблиц.

II. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы выбор темы диссертации, ее актуальность, цели, задачи, объект и предмет исследования, научная новизна и положения, выносимые на защиту, а так же сведения об апробации и реализации результатов выполненного исследования.

В первой главе «Анализ и классификация способов повышения безопасности при чрезвычайной ситуации на внутренних водоемах» рассмотрена проблема успешной ликвидации происшествий на внутренних водоемах Россини обоснована необходимость совершенствования системы управления силами и средствами ПСП.

количество происшествий

600

Рисунок 1 - Зависимость количества происшествий на внутренних водоемах от

времени года

При обосновании возможных направлений своевременной ликвидации происшествий, определении видов ЧС на внутренней акватории, выявлении причин их возникновения было проведено статистическое исследование происшествий, зафиксированных в период с 2007 г. по 2012 г. на акваториях Северо-Западного федерального округа (СЗФО) и Российской Федерации. В целом, зависимость количества ЧС от времени года (и, как следствие, от гидрометеорологических

5

условий) представлена на рисунке 1 в виде коэффициента сезонности всех происшествий в СЗФО. Распределение гибели людей на воде в зависимости от обстоятельств, а также причины и виды аварийности с маломерными судами представлены на рисунках 2 и 3.

■ М* ужомляаноымо

тжгэслкммки

!РСЖ ТВАМИ

■ Нарушение нор" условии

«Опровдышие »Столкновение

■ Затопление |Удар|нма.1|

в Падениеледей за борт

■ Прочее

Рисунок 2 - Причины гибели людей при РисунокЗ - Виды аварийности

аварийности маломерных судов маломерных судов

Для определения основных путей и способов своевременной ликвидации происшествий на акватории Российской Федерации проведен обзор структуры организации службы и отмечены особенности проведения поисково-спасательных работ на внутренних водоемах зарубежных стран: Канада, США, Австралия (большинство самых крупных озер расположено на территории данных государств), Финляндия и Швеция (являются одними из самых безопасных стран в мире). Так, в США поисково-спасательная служба является полностью военным ведомством, осуществляющим все функции управления при проведении поисково-спасательных операций. В Канаде каждый элемент системы управления представляет собой определенное министерство, которое выполняет возложенные на него функции: мониторинг обстановки на акватории - муниципальные органы власти, частные организации; вырабатывает решения по управлению силами и средствами -министерство рыболовства и океанов Канады; проводит поисково-спасательные работы - канадская береговая охрана. Австралийская поисково-спасательная служба опирается на волонтерные организации. В Финляндии ежегодный расчет стандарта аварийно-спасательных служб определяет их численность и техническую обеспеченность соразмерно риску аварии в каждом регионе. В Швеции в зависимости от возникшей ситуации привлекается тот или иной орган власти: для поиска пропавших без вести - полиция, в случае авиакатастрофы - Шведская администрация гражданской авиации, для проведения остальных ПСР на акватории - Шведская морская администрация.

Отметив ключевые моменты организации поисково-спасательной службы рассмотренных государств, выделим направления развития ПСП в интересах решения ЦЗ на акватории Российской Федерации:

— совершенствование материально технической базы и определение требований к характеристикам спасательных судов для решения соответствующих задач при проведении ПСР (АО;

— совершенствование системы управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений для различных сценариев развития чрезвычайной ситуации на акватории (А2);

— разработка и осуществление мероприятий по поддержанию сил и средств ПСП в постоянной готовности к выполнению ПСР (А3).

Эффективность вышеперечисленных направлений развития ПСП определяется совокупностью показателей, включающих в себя три компонента: результативность, ресурсоемкость, оперативность. Декомпозиция критериев и альтернатив представлена в иерархической форме (Рисунок 4).

Обобщенный показатель повышения безопасности плавания на внутренних водоемах

Совершенствование

материально-технической базы

Совершенствование системы управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений

Г'

Разработка и осуществление мероприятий по поддержанию сил и средств ПСП в постоянной готовности к выполнению ПСР

Рисунок4 - Декомпозиция показателей и альтернатив

В силу затруднений, связанных с формализованным представлением и количественным расчетом значений показателей (отсутствие математических моделей, объективности при оценивании и др.), воспользовались субъективными суждениями экспертов, их предпочтением. Для получения результатов в ходе исследования в роли экспертов привлекались специалисты данного направления и сотрудники УСЦ «Вытегра» МЧС России.

Для иллюстрации декомпозиции сравнительных суждений построена матрица парных сравнений (Рисунок 5).

Выбор приоритетного направления развития ПСП в интересах своевременной ликвидации происшествий на акватории происходит на заключительном этапе метода анализа иерархий (МАИ). Глобальный приоритет для каждого направления представлен на рисунке 6.

- С й * К' 4

1 -

] { 9 ! I ё I 1 8 » 1 1 I [ 1 й 1 I 1 I I

, Лраисй |Х4гс"7грз£вэкт^й уш^аз 1 3 ? А, 5 3 5.6А85

^ Каг*ами1*Д прмомраяитеиЯ 1.3 1 ? 5 3 ММО ЗД593 С,1941

19 1.3 17 1« 1-7 17 0Д!99 0,0102

13 1? 1 5 19 1« 1-5 1« о.от

5 Ьт^тх м «гпгчгац«» 1Л 17 19 1« 1-5 1« сзз9е с.сзог

Ь4 1 5 7 1-3 5.!И7 с.шз

1.5 1.5 1-7 1 1? и с.ссвзти:» С.7Ш с,мм

13 }:3 1 3 А 1.7 1 в 6,621122222 1,С!84 0,063

1 3 1.3 35721 3.0023 с. .75!

.. В*«!« проедаю« ПС? 1.3 6 13 1.3 112 1.Т7И 0.1039

:г а«« 1С.?:? «ути

;з Иязи*е еегеком»тает »21

С.Э31-*

Рисунок 5 - Матрица парных сравнений

Прнор.крнтгрпев 0.23763 0,1941 0,01012 0,0134 0,02019 0,13427 0.04261003 0,06303 0,17879 0,10586119 Глеб. Приор

А, 0,13965 0,16342 0,06292 0,04803 0,05178 0,21849 0,11044908 0,21849 0,2834 0.296В6507 0,52784 0,53961 0,18397 0,19119 0,1514 0,71471 0,56659583 0,0668 0,62477 0,0856307 0,09656878

А, 0,33361467

А5 0,33252 0,29696 0,75311 0,76076 0,79633 0,0668 0,32295508 0,71471 0,09182 0,61750423 0,17952486

Рисунок 6 - Многокритериальное ранжирование направлений

Отношение глобальных приоритетов показывает величину предпочтения одного направления над другим, эффективность каждого из указанных направлений:

А, : А2 : А3 = 1 : 3,45 : 1,86 Таким образом, используя метод анализа иерархий, определили, что совершенствование системы управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений является приоритетным направлением развития ПСП в интересах своевременной ликвидации происшествий на акватории внутренних водоемов и выполнения целевой задачи.

Во второй главе «Разработка математических моделей управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений МЧС России на внутренних водоемах» в соответствии с задачами, поставленными в первой главе, определены и исследованы алгоритмы управления - планирования, оперативного управления, коррекции планов.

Планирование является начальным этапом управления поисково-

спасательными подразделениями. Целью планирования является распределение сил и средств для проведения ПСР при ликвидации ЧС.

При определении направлений составления планов управления силами и средствами рассмотрены сценарии ликвидации происшествий с маломерными судами, со спасением утопающих, отмечены особенности цикла управления:

Т1 - сбор информации о состоянии акватории, силах и средствах ПСП, а также о выполняемых задачах;

т2- обработка информации и ее обновление в банке данных; т3 - решение расчетных задач и выработка вариантов управляющих решений по использованию сил и средств ПСП в интересах решения целевых задач;

т4 - принятие руководителем ликвидации ЧС решения, подготовленного на предыдущем этапе;

т5 - формирование команд и доведение распоряжений до сил и средств ПСП, исходя из утвержденного решения;

т6 - подготовка сил и средств ПСП к выполнению целевой задачи (сбор и выезд по тревоге команды спасателей на соответствующем спасательном судне);

т7 - следование команды спасателей на соответствующем спасательном судне к месту происшествия (МП);

т8 - проведение поисково-спасательных работ (ПСР).

Обеспечение эффективного решения ЦЗ, сокращение времени ликвидации происшествия на воде обеспечивается решением задачи о доставке спасателей к месту происшествия, которое состоит из трех этапов:

- разбиение региона на компактные зоны обслуживания;

- определение плана проведения поисково-спасательных работ;

- нахождение маршрута передвижения спасательных судов.

Решение первой подзадачи заключается в разработке модели размещения поисково-спасательных подразделений на защищаемой акватории: определение требуемого количества подразделений, места их дислокации, границ зон ответственности. Решение второй - в нахождении оптимального плана проведения поисково-спасательных работ из множества допустимых. Решение третьей - в построении моделей управления движением спасательных судов.

Разбиение региона на компактные зоны обслуживания

Из условий эффективности работы ПСП и экономической оправданности определяется такое количество ПСП к, что при размещении их по побережью акватории количество спасенных было бы максимальным при минимальном времени г следования команды спасателей к возможному месту происшествия:

Экономическая оправданность Э - отношение предотвращенного ущерба (У, руб.) к затраченным ресурсам (Б, руб.):

Э = |"1' <«>

Так как основное количество проводимых ПСР составляет спасение утопающих, то предотвращенный ущерб определяется следующей зависимостью:

У = У,-»С = У1Ы, (2)

№

где У/ - математическое ожидание ущерба на одно происшествие, руб./чел.; пс - количество людей, спасенных ПСП за год, чел.; g - количество мест происшествия; у- порядковый номер места происшествия;

9

п'с - количество спасенных ву-ом месте происшествия, чел. Количество спасенных ПСП за год должно быть не менее:

пс = и>± (3)

м

Количество спасенных для ]-го места происшествия (Рисунок 7) определяется зависимостью:

п'с=п'-¡Р^т 1{тв-тн), (4)

где п' - количество тонущих ву'-ом месте происшествия, чел.;

т„, тв- временные границы прибытия на место происшествия, [т„]=1; Р

вероятность успешной ликвидации происшествия:

Рс„=а-е'ь\ (5)

где а - коэффициент, характеризующий возможность объекта происшествия держаться на плаву; 1/Ъ - коэффициент, характеризующий быстродействие спасателей.

Граница минимальн! времени прибытия к месту происшествия

Береговая граница

Защищаемая акватория

Место происшествия

Граница максимального времени прибытия к месту происшествия

Рисунок 7 - Граница времени прибытия для]-гоместа происшествия

Граница зоны движения спасательного судна за время т

Рисунок 8 - Пересечение временных зон движения спасательных судов

10

Граница зоны ответственности

Для расчета количества ПСП на акватории и определения мест их дислокации используется метод целенаправленного перебора со следующими ограничениями:

1 количество подразделений для расчета принимается равным действительному количеству подразделений, расположенных на побережье акватории ± 2;

2 интервал расстановки подразделений по побережью акватории изменяется с шагом 1-5 км.

Для имеющегося расположения ПСП граница зоны ответственности подразделений - линия, полученная на пересечении зон равного времени прибытия ближайших подразделений (Рисунок 8).

Определение плана проведения поисково-спасательных работ с помощью теории игр Для успешного выполнения целевой задачи разрабатываются и принимаются планы проведения поисково-спасательных работ Хк, которые подразделяются на долгосрочные (сезонные Хкс, ежедневные Хке) и оперативные (по проведению ПСР Х'^прн возникновении ЧС, где г - вид происшествия, у - вариант действий сил и средств на развитие событий).

Поскольку условия выбора плана проведения ПСР зависят не от сознательно противодействующего противника, а от объективной действительности, которую в теории решений принято называть «природой», то при выборе плана проведения ПСР применялись методы принятия решений в «играх с природой». В зависимости от характера неопределенности, а точнее, от того, известны или нет вероятности состояний природы, использовался метод статистических решений и метод принятия решений в условиях неопределенности.

Основополагающим фактором при определении наилучшего с точки зрения ожидаемого предотвращенного ущерба плана проведения поисково-спасательных работ является время а^ прибытия спасателей к месту происшествия и ликвидации ЧС. Если для некоторой игры с природой (Таблица 1), задаваемой планами проведения ПСР А, стратегиям природы Я, соответствуют вероятности р], то лучшей стратегией ПСП будет та, которая обеспечивает ему минимальный средний выигрыш

- минимальное время ликвидации происшествия:

Л = (6)

Таблица 1 - Время ликвидации происшествия, мнн.

План проведения ПСР Ст ратегни природы мин.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

1 42 15 23 30 60 93 35 22 45 33 50 33,495

2 40 14 26 32 64 85 33 21 45 38 52 33,6

3 42 14 25 28 70 82 36 22 46 36 52 33,79

п 38 16 25 29 75 90 30 20 44 37 48 32,115

Вероятность возникновения ЧС 0,3 0,1 0,15 0,15 0,005 0,005 0,115 0,025 0,075 0,06 0,015

Неопределенность, связанную с отсутствием информации о вероятностях состоянии природы, называют «безнадежной». В таких случаях для определения наилучших решений используются критерии максимакса, Вальда, Сэвиджа, Гурвица. Нахождение маршрута передвижения спасательных судов

Ввиду того что на акватории имеется большое число мест вероятного

происшествия, а также возможных маршрутов передвижения спасательных судов, что сказывается на большой размерности задачи планирования, решение задачи о доставке сил и средств осуществляется в два этапа. На первом этапе решается задача разбиения акватории на компактные зоны обслуживания - задача кластеризации; на втором - определяются маршруты патрулирования (задача маршрутизации).

Для разбиения акватории на зоны патрулирования применен алгоритм раскраски графа, основанный на последовательном удалении вершин из графа, позволяющий получить разбиение на минимальное количество участков. В зависимости от географической привязки выбранных районов и характерных ЧС ставится ограничение на количество маршрутов патрулирования.

На втором этапе решается задача нахождения оптимального (протяженность, время прибытия, количество спасательных судов) маршрута патрулирования - задача коммивояжера. В качестве метода для решения задачи выбора кратчайшего маршрута прибытия спасателей к месту происшествия применяется алгоритм Дейкстры. Для каждого участка маршрута патрулирования и, принимая вероятность возникновения происшествия !', в каждом участке Ц=1,п), общее время патрулирования Т (мин.) и коэффициент обеспеченности патрульных спасательных судов, определяется время Г/ (мин.) пребывания спасателей в каждом участке маршрута:

- Г'Л 4

1а,Лп -Т

№

1п

Ъа>

у

(7)

Оперативное управление состоит в обеспечении функционирования системы в соответствии с намеченным планом. Целью оперативного управления является реализация во времени составленного плана. Оперативное управление осуществляется за счет использования заранее выделенных резервных ресурсов и направлено на реализацию плана в условиях выхода из строя основных сил и средств Скд поисково-спасательного подразделения. Резерв включает в себя технику и оборудование, а также личный состав ПСП.

Расчет резерва техники и оборудования Скт проводится из следующего предположения. С одной стороны, время решения целевой задачи в условиях отсутствия возмущений определяется количеством привлекаемых сил и средств. С другой стороны, выделенный резерв будет расходоваться на нейтрализацию возникающих возмущений. В силу того что достижение целевой задачи должно выполняться при любых условиях возмущающих воздействий, значение величины резервных сил и средств ПСП, выделенных на их нейтрализацию, должно обеспечить максимум вероятности того, что случайное время решения ЦЗ будет не менее некоторого требуемого значения Ттр времени проведения ПСР:

= (В)

Предположив, что возмущающие воздействия определяются законом Пуассона, а расход сил и средств ПСП, находящихся на дежурстве, подчинен нормальному закону распределения, необходимое количество техники и оборудования, находящегося в резерве ПСП, определяется выражением:

СкТ = arg гпах

Скт

Ф

Сщ-т

аЛ

+ Ф

т

си-1 (яттр у 1=1

п

где ФО — функция Лапласа;

т - математическое ожидание С^д, [/и]=1; о -дисперсия Сцд, [сг]= 1;

Я - интенсивность поступления возмущений, [Я]=1.

Резерв спасателей С"п определяется из штатной численности подразделения Ы0 помноженный на коэффициент резерва г) (0<ц <1):

С'а=Ы0-(п-1), (10)

Коэффициент резерва рассчитывается с учетом фактической численности спасателей в подразделении ТУ,-, годового риска заболеваемости (23 и гибели <2г'.

N

Ч - „ „ ч, (11)

'^■о-ел-о-а-)' а=1-0-*. Г.

Яг

г

где г - число смертельных случаев, [г]=1;

<7з - суточная вероятность заболеваемости:

Ч, ="

365- —~

м м

(12)

(13)

(14)

где /г - число случаев заболеваемости в год, [й]=1;

с1- число дней болезни (утраты трудоспособности), [е/]= 1.

Коррекция плана заключается в составлении нового плана за счет перераспределения имеющихся сил и средств. Для постановки задач коррекции планов рассмотрены соответствующие сценарии.

Обстоятельства, вызывающие необходимость перераспределения работы сил и средств ПСП, распределяются на две группы: изменение организационно-технических условий выполнения ЦЗ и изменение содержания ЦЗ. При коррекции становятся существенными затраты времени на решение задачи коррекции и реализации откорректированного плана. При ограничениях по допустимому времени решения целевых задач это обстоятельство может привести к тому, что откорректированный план к моменту его реализации потеряет смысл. Для этого необходимая периодичность г (мин.) коррекции плана может быть выбрана из условия непревышения накопленной ошибки плана ц/(0 допустимой величины А (мин.) с заданной вероятностью р*. При этом периодичность коррекции плана определяется из соотношения:

^(г,Д) = р\ (15)

где - функция распределения величины у/(1).

Поскольку ошибку плана возможно представить как сумму большого числа сравнительно малых отклонений, вызванных действием не зависящих друг от друга возмущений, то на основании центральной предельной теоремы теории вероятностей считаем, что ошибка плана распределена по нормальному закону.

Воспользовавшись функцией распределения ошибки плана для нормального закона распределения выражение (15) примет следующий вид:

"I ■ ч>

о -Д?

-== \ е 1(Ь = 7р -1, (16)

V2л о

где <р=Хт— поступившие возмущения за период коррекции, [<р]= 1;

Я - интенсивность поступления возмущений, [Я]=1/мин.; т= р.Д - запас устойчивости плана, [т]= 1;

р - скорость ликвидации отклонений в плане, [/¿]=1/мин.

Для различных значений р* по номограмме рисунка 9 исходя из интенсивности возмущений, заданной вероятности ликвидации ЧС и показателя устойчивости плана, определяется периодичность коррекции плана.

Рисунок 9 - Номограмма периодичности коррекции планов

В процессе выполнения целевой задачи поисково-спасательным подразделением согласно разработанному оперативному плану ХЦ может возникнуть ситуация, когда либо накопившиеся возмущения велики, либо возникает непредвиденное развитие ЧС. Имеющиеся возможности реализации плана становятся недостаточными для компенсации указанных возмущений, для достижения ЦЗ. В этом случае необходимо осуществлять коррекцию оперативного плана (перепланирование) с целью перераспределения имеющихся сил и средств ПСП, для чего ставится соответствующая задача перепланирования. Решение, как правило, необходимо получить в кратчайшие сроки и с минимальными отклонениями от действующего плана, чтобы облегчить его реализацию.

В процессе выполнения целевой задачи ПСП в соответствии с планом Х'[ в каждый момент времени I е (Т0,ТЛ) оцениваются следующие параметры:

— состояние сил и средств поисково-спасательного подразделения С*;

- состояние комплекса поисково-спасательных работ К (Рисунок 10):

(17)

где Я, (/) — множество выполняемых согласно оперативному плану работ;

Л. (г) - множество отмененных работ оперативного плана;

Л„ (() - множество новых работ, не предусмотренных оперативным планом, но которые необходимо выполнить для достижения ЦЗ.

Отмененные работы освобождают требуемые для их выполнения силы и

14

средства и сокращают время ликвидации ЧС. Новые работы, в свою очередь, требуют задействования дополнительных ресурсов, выделяемых из резерва или находящихся в дежурной смене, но не привлеченных до этого к ликвидации ЧС. Каждая работа Л, требует временных затрат гя и ресурсов на ее выполнение.

Г

й

л.

щ

ад

К(1)

То

V

Яо(0

Рисунок 10 - Состояние комплекса проводимых ПСР оперативного плана

Суммарное время отклонения в результате появления новых работ и отмены запланированных составит:

-Тк ) (18)

1=1 1 ;=14

Необходимость коррекции оперативного плана может быть определена в момент времени I из условия непревышения суммарного отклонения плана допустимой величины А:

ТЯ>А, (19)

Эффективность принимаемого решения по новому скорректированному плану определяется точностью Р1 его разработки и вероятностью успешной ликвидации происшествия:

IV = Р,- Р =

1-е

(20)

/

где 1/\|/ —скорость коррекции, 1/с.

С одной стороны, чем больше времени отводится на коррекцию, тем меньше отклонение от действующего плана, с другой, - чем больше времени отводится на решение задачи коррекции, тем меньше остается времени на реализацию откорректированного плана (Рисунок 11).

XV

I т

Рисунок 11- Эффективность скорректированного плана

Максимальная эффективность скорректированного плана будет достигнута через х после начала коррекции:

(21)

\\. + Ьч/)'

Анализируя состояние комплекса поисково-спасательных работ Р в процессе выполнения оперативного плана, можно сделать заключение о необходимости его коррекции в момент времени С е(Т0,Тл). При этом одновременно ставится задача выполнения ряда новых работ, которые первоначально проводить не планировалось.

В целях сокращения времени ликвидации ЧС, а также принятия соответствующего метода управления обоснована целесообразность автоматизированного управления силами и средствами ПСП и приняты модели оценивания ее эффективности. Исследования показали, что автоматизированное решение задачи управления силами и средствами имеет смысл в том случае, если в результате автоматизации длительность цикла управления станет меньше, чем сумма цикла неавтоматизированного управления и 0,65-й части среднего времени р, необходимого для замены сил и средств:

г„ <г„ +0,65/7, (22)

В третьей главе «Практическая реализация разработанных моделей управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений МЧС России на внутренних водоемах на примере акватории Онежского озера»

представлен комплекс программ обеспечения управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений МЧС России на внутренних водоемах.

Для решения третьей задачи для Онежского озера были приняты статданные о количестве и местах аварий на акватории (Рисунок 12, 13); максимальное время прибытия по акватории в зоне ответственности составляет 2,5 часа. Составлены блок-схемы алгоритмов и разработаны программы в среде Visual Studio 2010.

Рисунок 12 - Судовые маршруты и места Рисунок 13 - Зоны вероятного

происшествий с судами возникновения происшествия «человек

тонет»

Принимая С=20000000 руб. (гипотетические затраты на содержание ПСП в год), а У=1000000 руб., определяем, что, исходя из экономической целесообразности, количество спасенных подразделением должно быть не менее 20 человек.

Учитывая количество выездов в отмеченные на рисунке 11 участки, распределим 130 происшествий (среднегодовое количество происшествий на акватории Онежского озера) по ним (Таблица 2).

Таблица 2 - Распределение количества происшествий по участкам их вероятного

возникновения __

Количество происшествий на участке

2 3 5 7 8 9 10

№ участка 4, 5, 6, 7, 8, 10, 25 9, 13, 15, 18,20, 24 21 2, 14, 16 И, 17, 22 12, 23 1,3, 19

Рисунок 14 - Размещение ПСП по акватории Онежского озера

Изменяя количество ПСП и их расположение по побережью акватории определили, что оптимальным будет 4 подразделения с размещением, представленным на рисунке 14.

действующее расположение подразделений

расположение подразделений

граница зон ответственности

расчетная граница зон ответственности при действующем расположении подразделений

Следует отметить, что при расчетном расположении подразделений время прибытия к месту происшествия не превышает 1 часа, а вероятность спасения составит 64,5%.

Для имеющегося расположения подразделений (Рисунок 14) определили границы зон ответственности; время прибытия к месту происшествия составляет до 1,5 ч.

Поскольку площадь акватории Онежского озера достаточно велика для определения оптимальных планов проведения ПСР в каждой ее точке, то для дальнейших расчетов ограничились зоной ответственности УСЦ «Вытегра» МЧС России.

Для разбиения зоны ответственности на участки защищаемую акваторию расположили в системе координат на положительных полуосях и, пронумеровав места происшествий и наиболее вероятного пребывания защищаемого объекта,

17

задали им координаты. Положив время движения спасательного судна по маршруту патрулирования 20 минут, получили следующее разбиение зоны защиты на участки (Рисунок 15).

Количество возникновения происшествий максимально в участках 3, 7 и составляют 34 и 20 соответственно. Учитывая места наиболее вероятного пребывания защищаемого объекта и места происшествий на участках 3 и 7, используя составленный алгоритм решения задачи коммивояжера, определили для них следующие маршруты патрулирования, изображенные на рисунке 15.

Для определения плана проведения ПСР имеющуюся зону ответственности разбили на квадраты размерностью 5x5 км. (Рисунок 16). Данное решение обусловлено тем, что при скорости спасательного судна 60 км/ч вероятность спасения в квадрате не будет менее 1. Пронумеровали ячейки по горизонтали от 1 до 20, по вертикали - от А до Н. Так, ближайшие квадраты к ПСО УСЦ «Вытегра» соответствуют номерам М13, М14 и Н14.

Рисунок 15 - Разбиение зоны ответственности ПСО УСЦ «Вытегра» на участки

патрулирования

Для каждого квадрата создается информационная база данных, в которой, учитывая вероятностные состояния природы, используя методы принятия решений в играх с природой в условиях риска, определили оптимальный план проведения ПСР. Так, к примеру, для квадрата Б19 на период с 08.07.13 по 14.07.13 принимаем следующие планы проведения ПСР с соответствующим временем ликвидации происшествий, отмеченные на рисунке 17.

В соответствии с теорией принятия решений в условиях риска наилучшим планом проведения ПСР в квадрате Б19 с 08.07.13 по 14.07.13 считаются стратегии ПСП А3 и Аь которые обеспечивают минимальное время ликвидации происшествия -63,82 и 64,2 мин. соответственно. Приоритетным принимается план А3, однако в случае отказа или невозможности выполнения запланированного плана есть возможность автоматически, без дополнительных временных затрат и расчетов, принять план с приоритетом 2.

Рисунок 16 - Разбиение зоны ответственности ПСО УСЦ Вытегра на квадраты

Sä Выбор ll.ldlld проведения ПСР

Введите количество стратегий 5

^еадитв ИЛШСПниСТЧ BVS-viiMUBR»««! ll^.^tBBL-iPlM ВввДКГЙ.ЧСе*« ГфОИСЫВСТВиа

| Справка J

Рисунок 17 - Ожидаемое время ликвидации происшествия

П10 ПЛ Прмссмгвт

m П2

Верояпюсть пронс. 0.5 0.10

Пепельное СС 57 ВС СС неблкиегепьмэг 83

Автомойи/ь от ЛСО

Далее могут быть приняты следующие решения:

а) принять резерв личного состава в количестве 5 человек, резерв спасательных

судов - 0;

б) проведение коррекции планов каждые двое суток;

Таким образом, представленные в работе модели позволяют совершенствовать систему управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений МЧС на внутренних водоемах, оценивать основные характеристики ПСП и формулировать соответствующие рекомендации, что, в свою очередь, позволит оперативно решать вопросы высылки спасательных судов к местам происшествий в целях сокращения времени ликвидации ЧС на акватории.

В заключении представлены итоги работы, перечислены полученные научные и практические результаты, приведены сведения о внедрении и практическом использовании полученных результатов.

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Анализ основных направлений совершенствования ПСП в интересах эффективного решения ЦЗ проведен на основе статистических данных, что обеспечивает универсальность проведенной работы, позволяющая определить перспективные направления дальнейших исследований в данной области.

2. Разработаны математические модели управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений на внутренних водоемах, позволяющие получить объективные данные об объекте исследования, адаптивные ко всем внутренним водоемам.

3. Создан комплекс компьютерных программ обеспечения управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений МЧС России на внутренних водоемах. Для получения управляющих решений необходимо достаточное количество статистической информации о местах происшествий и характере проводимых поисково-спасательных работ.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

а) Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных в перечне ВАК Министерства образования и

науки РФ:

1. Перевалов, A.C. Обоснование направлений обеспечения безопасности при чрезвычайной ситуации на акватории внутренних водоемов [Текст] / A.C. Перевалов, В.В. Попов, В.П. Сугак // Научно-аналитический журнал «Проблемы управления рисками в техносфере». - 2011. - № 4 (0,6/0,2 п.л.).

2. Перевалов, A.C. Обоснование показателей качества целенаправленных процессов повышения безопасности акватории внутренних водоемов [Текст] / A.C. Перевалов, В.П. Сугак // Научно-аналитический журнал «Проблемы управления рисками в техносфере». -2012. -№ 4 (0,6/0,3 п.л.).

3. Перевалов, A.C. Многокритериальный выбор системы защиты информации информационной подсистемы управления силами и средствами МЧС России [Электронный ресурс] / A.C. Перевалов, В.П. Сугак // Научный электронный журнал «Вестник Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России», vestnik.igps.ru. -2013.-№ 1.(0,6/0,3).

4. Перевалов, A.C. Об организации поисково-спасательной службы зарубежных стран [Текст] / A.C. Перевалов, Н.Ю. Едуш // Научно-технический журнал «Вопросы оборонной техники». - 2013. - № 5-6 (0,95/0,6 п.л.).

б) Публикации в международных, всероссийских, региональных и ведомственных научных журналах и изданиях:

5. Перевалов, A.C. Средства оповещения в условиях террористических угроз на внутреннем водном транспорте [Текст] / A.C. Перевалов, A.B. Максимов, В.П. Сугак и др. // Проблемы обеспечения взрывобезопасности и противодействия терроризму: всеросс. сб. науч. тр. - СПб.: Изд-во Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России, 2011 (0,5/0,2 п.л.).

6. Перевалов, A.C. Обеспечение устойчивого функционирования системы безопасности при ЧС на акваториях внутренних водоемов [Текст] / A.C. Перевалов // Проблемы устойчивого функционирования стран и регионов в условиях кризисов и катастроф современной цивилизации: межд. сб. науч. тр. - М.: Изд-во всероссийского научно-исследовательского института по проблемам ГОиЧС, 2012 (0,2 п.л.).

7. Перевалов, A.C. Повышение безопасности человека на воде за счет создания системы управления силами и средствами поисково-спасательных формирований [Текст] / A.C. Перевалов, В.П. Сугак II Проблемы обеспечения взрывобезопасности и противодействия терроризму: всеросс. сб. науч. тр. - СПб.: Изд-во Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России, 2011 (0,4/0,25п.л.).

8. Перевалов, A.C. Управление силами и средствами МЧС России на внутренней акватории [Текст] / A.C. Перевалов // Актуальные проблемы обеспечения безопасности в Российской Федерации: всеросс. сб. науч. тр. - Екатеринбург: Изд-во Уральского института ГПС МЧС России, 2012 (0,3 п.л.).

9. Перевалов, A.C. Повышение безопасности на внутреннем водном транспорте путём создания единой системы оповещения на акватории Онежского озера [Текст] / A.C. Перевалов, A.B. Иванов, А.В Максимов // Обеспечение безопасности на водных объектах: сб. науч. работ. - Вытегра: Изд-во УСЦ «Вытегра» МЧС России, 2011 (0,5/0,25 п.л.).

10. Перевалов, A.C. Некоторые подходы к организации работы поисково-спасательных подразделений на водных объектах [Текст] / A.C. Перевалов, И.В. Трифонов, И.С. Демченко // Обеспечение безопасности на водных объектах: сб. науч. работ. - Вытегра: Изд-во УСЦ «Вытегра» МЧС России, 2011 (0,5/0,2 п.л.).

11. Перевалов, A.C. Определение направлений повышения безопасности при ЧС на воде первой половине 21 века [Текст] / A.C. Перевалов, О.Г. Бадин, С.М. Арапханов // Молодые ученые о системе обеспечения безопасности в условиях природных и техногенных чрезвычайных ситуаций в первой половине XXI века: сб. науч. работ. - СПб.: Изд-во Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России, 2011 (0,3/0,15п. л.).

12. Перевалов, A.C. Совершенствование системы обеспечения безопасности людей на водных объектах как элемента развития инфраструктуры водного туризма [Текст] / A.C. Перевалов, В.П. Сугак // Перспективы развития туризма на водном транспорте. Проблемы и возможности: межд. сб. науч. тр. - СПб.: Изд-во Санкт-Петербургского государственного морского технического университета, 2011 (0,7/0,5 п.л.).

13. Перевалов, A.C. Мониторинг защищаемой акватории, как элемент совершенствования системы обеспечения безопасности людей на водных объектах [Текст] / A.C. Перевалов, С.М. Арапханов // Проблемы обеспечения взрывобезопасности и противодействия терроризму: всеросс. сб. науч. тр. - СПб.: Изд-во Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России, 2012 (0,3/0,15 п.л.).

14. Перевалов, A.C. Об особенностях организации патрулирования спасательными судами МЧС на внутренних акваториях [Текст] / A.C. Перевалов, В.П. Сугак // Обеспечение безопасности на водных объектах: сб. науч. работ. - Вытегра: Изд-во УСЦ «Вытегра» МЧС России, 2012 (0,6/0,4 п.л.).

15. Перевалов, A.C. Применение теории игр для обоснования оптимального плана проведения поисково-спасательных работ [Текст] / A.C. Перевалов // Проблемы обеспечения взрывобезопасности и противодействия терроризму: всеросс. сб. науч. тр. - СПб.: Изд-во Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России, 2013 (0,8 п.л.).

16. Перевалов, A.C. Сценарии управления силами и средствами поисково-спасательных формирований МЧС России на внутренних акваториях [Текст] / A.C. Перевалов, В.П. Сугак // Природные и техногенные риски (физико-математические и прикладные аспекты). - 2013. - №1 (0,8/0,5 п.л.).

17. Перевалов, А.С О выборе методов управления силами и средствам поисково-спасательных формирований МЧС России [Текст] / A.C. Перевалов // Автоматизированные системы управления экологической и пожарной безопасностью объектов: межвуз. сб. науч. тр. - Иваново.: Изд-во Ивановского института ГПС МЧС России, 2013 (0,3 п.л.).

18. Перевалов, A.C. О выборе критериев эффективности при обосновании приоритетного направления повышения безопасности на акватории внутренних водоемов [Текст] / A.C. Перевалов, A.B. Собкалов // Системный анализ: сб. науч. работ. - СПб.: Изд-во Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России, 2013 (0,5/0,35п.л.).

Подписано в печать 26.09.13 Формат 60x84 ш6

Печать цифровая Объём 1,0 пл. Тираж 100 экз.

Отпечатано в Санкт-Петербургском университете ГПС МЧС России 196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, д.149

ФГБОУВПО

Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы МЧС России

На правах рукописи

04201364339 Перевалов Андрей Сергеевич

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ УПРАВЛЕНИЯ ПОИСКОВО-СПАСАТЕЛЬНЫМИ ПОДРАЗДЕЛЕНИЯМИ МЧС НА ВНУТРЕННИХ

ВОДОЕМАХ

05.13.18 - математическое моделирование, численные методы и комплексы

программ

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор военных наук, кандидат технических наук, профессор Су га к Владимир Петрович

Санкт-Петербург - 2013

Оглавление

Введение........................................................................................ 4

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ И КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ЧРЕЗВЫЧАЙНОЙ СИТУАЦИИ НА ВНУТРЕННИХ ВОДОЕМАХ................................................................................. 8

1.1 Анализ факторов возникновения чрезвычайной ситуации на внутренних водоемах................................................................................ 8

1.2 Обзор поисково-спасательный службы зарубежных стран в части организации и проведения поисково-спасательных работ на внутренних водоемах.................................................................................. 18

1.3 Пути и способы своевременной ликвидации происшествий на внутренних водоемах.......................................................................... 20

1.4 Обоснование необходимости совершенствования системы управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений методом анализа иерархий..................................................................... 26

1.5 Сущность, цели и задачи управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений МЧС России на внутренних водоемах..... 37

1.6 Обоснование цели и постановка задачи диссертационного исследования....................................................................................... 39

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ УПРАВЛЕНИЯ СИЛАМИ И СРЕДСТВАМИ ПОИСКОВО-СПАСАТЕЛЬНЫХ ПОДРАЗДЕЛЕНИЙ МЧС РОССИИ НА ВНУТРЕННИХ ВОДОЕМАХ........ 40

2.1 Анализ алгоритмов управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений МЧС России на внутренних водоемах..... 40

2.2 Математические модели планирования.......................................... 42

2.2.1 Математическая модель выбора оптимального плана проведения поисково-спасательных работ......................................................... 42

2.2.2 Математические модели размещения поисково-спасательных подразделений на внутренних водоемах.................................................. 48

2.2.3 Математические модели управления движением спасательных судов... 57

2.3 Математические модели оперативного управления.......................... 67

2.3.1 Математическая модель расчета резерва техники и оборудования.... 67

2.3.2 Математическая модель расчета резерва личного состава................ 70

2.4 Математические модели коррекции планов..................................... 72

2.4.1 Математическая модель определения периодичности коррекции долгосрочных планов..................................................................... 72

2.4.2 Математическая модель определения числа коррекций оперативного планов.................................................................................... 76

2.5 Модель оценивания эффективности управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений МЧС России......................... 79

2.6 Целесообразность автоматизации управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений МЧС России............................ 84

ГЛАВА 3 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МОДЕЛЕЙ УПРАВЛЕНИЯ СИЛАМИ И СРЕДСТВАМИ ПОИСКОВО-СПАСАТЕЛЬНЫХ ПОДРАЗДЕЛЕНИЙ МЧС РОССИИ НА ВНУТРЕННИХ ВОДОЕМАХ, НА ПРИМЕРЕ АКВАТОРИИ ОНЕЖСКОГО ОЗЕРА........... 85

3.1 Основные исходные данные, используемые в разработанных математических моделях управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений МЧС России для акватории Онежского озера...................................................................................... 85

3.2 Полученные числовые результаты на основе применения разработанных математических моделей управления поисково-спасательными подразделениями МЧС на примере акватории Онежского озера......... 93

3.3 Практические рекомендации по результатам расчетов...................... 111

Заключение..................................................................................... 112

Список сокращений и условных обозначений.......................................... 113

Список литературы........................................................................... 114

Приложения.................................................................................... 127

ВВЕДЕНИЕ

Оказание помощи людям в чрезвычайной ситуации природного и техногенного характера, ведение работ по смягчению последствий ЧС являются целевой задачей (ЦЗ) поисково-спасательных подразделений (ПСП) МЧС России. В связи с этим следует отметить также и важность такого направления в деятельности подразделения, как осуществление спасательных операций на внутренних водоемах.

В настоящее время выделяются немалые средства на решение вопросов, связанных с анализом, прогнозированием и моделированием происшествий, аварий и чрезвычайных ситуаций. Опыт ликвидации чрезвычайных ситуаций при авариях на внутренних водоемах страны показывает, что как сам по себе процесс ликвидации, так и его прямые и косвенные последствия могут нанести существенный ущерб природному и индустриальному компонентам геосферы, судоходству.

Специфика проведения поисково-спасательных работ (ПСР) на акватории такова, что спасательное судно выезжает к месту происшествия непосредственно после поступления вызова. От оперативности прибытия спасателей зависят человеческие жизни, предотвращенный ущерб. К основным задачам, подлежащим решению для повышения безопасности людей на внутренних водоемах, относятся оценка эффективности проведения ПСР, а так же минимизация времени ликвидации ЧС.

При определении количества сил и средств ПСП для ликвидации происшествия на внутренних водоемах, требуется большое количество справочной информации, расчетных методов и моделей действий спасателей. Любой подход в математическом моделировании, будь то аналитический или имитационный, представляет комплексную и сложную задачу для исследователя. Понятие моделирование управления силами и средствами ПСФ охватывает представление всех процессов связанных с ликвидацией происшествий на внутренних водоемах,

%

включая определение места возникновения происшествия, плана проведения ПСР и расчет времени ликвидации ЧС для различных сценариев проведения ПСР.

Однако до настоящего времени основные положения и методы управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений МЧС разработаны недостаточно. Их разработка и внедрение в практику может стать основополагающим элементом при достижении целевой задачи. Кроме того, указанные вопросы касаются обоснования расходов бюджетных средств, определения величины страховых взносов и выплат при оценке ущерба от возможных аварий.

Таким образом, исходя из вышеизложенного, можно отметить, что разработка математических моделей управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений МЧС России на внутренних водоемах является актуальной задачей исследования.

Целью работы является совершенствование системы управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений МЧС при ликвидации ЧС на внутренних водоемах.

Научная задача исследования - теоретическое обоснование методов и моделей управления силами и средствами ПСП в интересах сокращения цикла управления и времени ликвидации ЧС на внутренних водоемах. Для достижения цели поставлены следующие частные задачи:

1. проанализировать чрезвычайные ситуации на внутренних водоемах России, обосновать пути и способы своевременной ликвидации происшествий;

2. разработать математические модели управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений МЧС России на внутренних водоемах;

3. обосновать рекомендации по своевременной ликвидации ЧС на акватории внутренних водоемов.

Объект исследования - система управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений МЧС России.

Предмет исследования - математические модели и методы управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений МЧС России. Научная новизна результатов диссертационного исследования заключается в:

- теоретическом обосновании приоритетных направлений развития ПСП в интересах эффективного выполнения ЦЗ при ЧС на акватории внутренних водоемов;

- использовании многомодельного подхода к обоснованию и выбору алгоритмов управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений МЧС на внутренних водоемах;

- обосновании перспективного распределения сил и средств по акватории. Практическая значимость полученных результатов определяется

необходимостью сокращения времени реагирования на происшествие для повышения безопасности плавания на внутренних водоемах на основе совершенствования системы управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений. Разработанные модели и методы используются в учебном процессе Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России, практической деятельности УСЦ «Вытегра» МЧС России при несении дежурства и в профильных организациях.

Методы исследования: исследования операций, экспертных оценок, математической статистики, математического моделирования, принятия решений. Основные положения, выносимые на защиту:

1. теоретическое обоснование необходимости совершенствования системы управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений;

2. математические модели управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений МЧС России на внутренних водоемах;

3. комплекс программ обеспечения управления силами и средствами поисково-спасательных подразделений МЧС России на внутренних водоемах.

Достоверность основных положений исследования обеспечена корректной постановкой задач и проведением исследования, применением системного подхода при анализе предметной области, использованием современных математических методов и моделей управления силами и средствами, расчётных методов, корректным использованием исходных данных и согласованностью полученных результатов с результатами работ других исследователей:

B.C. Артамонов, М.И. Гвоздик, A.M. Жухлин, В.И. Зайков, В.И. Куватов, A.C. Поляков, В.П. Сугак, В.Ф. Сидорченко, Д.А. Скороходов, и др.

Обоснованность научных результатов определяется аргументацией полученных моделей и основных выводов, доказательным и корректным использованием апробированных методов исследования.

Апробация работы. Научные результаты диссертационного исследования докладывались на международных и отраслевых научно-практических конференциях:

— VI Всероссийская НПК «Проблемы обеспечения взрывобезопасности и противодействия терроризму». СПбУ ГПС МЧС России, PAP АН, 19-20.04.2011.

— X Международная НПК «Подготовка кадров в системе предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций». СПбУ ГПС, 17.10 2011.

— НПК «Молодые ученые о системе обеспечения безопасности в условиях природных и техногенных чрезвычайных ситуаций в первой половине XXI века». СПбУ ГПС МЧС России, 17.10.2011.

— IV Международная НПК «Обеспечение комплексной безопасности при освоении северных территорий». СПбУ ГПС МЧС России, РСС, 17.11.2011.

— II НПК «Совершенствование работы в области обеспечения пожарной безопасности людей на водных объектах» Вологодская область, УСЦ «Вытегра» МЧС России 2011 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 4 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях из перечня ВАК, 14 публикаций в материалах научных конференций, журналах и сборниках научных трудов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы и 4 приложений. Общий объем работы - 174 страниц, 53 рисунка и 14 таблиц.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ И КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ЧРЕЗВЫЧАЙНОЙ СИТУАЦИИ НА ВНУТРЕННИХ

ВОДОЕМАХ

1.1 Анализ факторов возникновения чрезвычайной ситуации на внутренних

водоемах

Оказание помощи людям в чрезвычайной ситуации природного и техногенного характера (далее - ЧС, либо происшествие), ведение работ по смягчению последствий ЧС является целевой задачей п оисково-спасательных формирования (ПСФ) МЧС России [1,2].

Поисково-спасательные формирования осуществляют свою деятельность под руководством МЧС России через региональные центры по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий и во взаимодействии с органами, специально уполномоченными решать задачи гражданской обороны, задачи по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций, в составе или при органах исполнительной власти субъектов Российской Федерации и органах местного самоуправления.

В состав ПСФ, входят органы управления, поисково-спасательные отряды (ПСО) и подразделения обеспечения (ПСП), в дальнейшем под ПСП или «подразделением» будем понимать любое из этих подразделений.

Основными задачами ПСП являются:

- поддержание в постоянной готовности органов управления, сил и средств поисково-спасательных подразделений к выполнению задач по предназначению;

- контроль за готовностью обслуживаемых объектов и территорий к проведению на них работ по ликвидации чрезвычайных ситуаций;

- организация и проведение поисково-спасательных работ (ПСР) в чрезвычайных ситуациях природного и техногенного характера.

Для того, чтобы поддерживать силы и средства (СиС) ПСП в постоянной готовности к выполнению своих функциональных задач в зоне ЧС, необходимо

составить перечень видов происшествий на акватории, выявить причины их возникновения, определить характер основных проводимых работ по ликвидации ЧС.

Для определения видов ЧС на внутренней акватории, выявления причин их возникновения и обоснования возможных направлений обеспечения безопасности, проведено статистическое исследование [3]. На первом этапе - этапе массового статистического наблюдения [4], с помощью документального способа получены данные о всех ЧС, произошедших в период с 2007 по 2013 года на акваториях Северо-Западного федерального округа (СЗФО) и Российской Федерации (информационные донесения за период с 2007 по 2012 г.) [5-9]. В соответствии с целями исследования были определены группы признаков, которые позволили из всего первичного статистического материала выделить основные виды ЧС, причины их возникновения, последствия и проводимые при этом ПСР для ликвидации последствий ЧС (Таблица 1).

Таблица 1 - Основные виды, причины и последствия ЧС

№ п/п Виды ЧС Причины Последствия ЧС ПСР

1 Человек тонет При купании, падении за борт, несоблюдение мер безопасности Утонул человек Поиск и спасение утопающего. По дво дно-технические (водолазные) работы

2 Травмы у пассажиров, заболевания Сильный удар волны, столкновение с другим объектом, обострение болезни Травмы у пассажиров, осложнение здоровья, летальный исход Оказание медицинской помощи пострадавшим (в объеме первой медицинской помощи). Эвакуация пострадавших

3 Загрязнение или угроза загрязнения От перевозимого груза либо собственными горючесмазочными материалами (ГСМ) Потеря груза, загрязнение или угроза загрязнения Работы по инженерной и организационной подготовке участков спасательных работ и рабочих мест в зоне ЧС (установка техники, боновых загражде-

нпй, освещение рабочих

мест).

Работы по подъему зато-

нувших объектов, техни-

ки и имущества.

4 Наводнение, Подъёма уровня во- Урон здоровью Эвакуация людей

подтопление ды (из-за дождей, та- людей или их ги-

яния снегов) бель. материаль-

ный ущерб

5 Пожар на Перегрев двигателя Человек за бор- Проведение работ, свя-

судне (машинное отделе- том, человек уго- занных с тушением пожа-

ние), короткое замы- нул, погиб при ров.

кание (грузовой от- пожаре. Эвакуация пострадавших

сек), неосторожное Потеря остойчи- и материальных ценно-

обращение с огнем вости судна, за- стей.

(каюта), от молнии топление судна.

6 Затопление Корпус судна дал Человек за бор- Поддержание на плаву

судна течь, потеря остой- том, человек уто- аварийных объектов.

чивости при смеще- нул. Аварийные судоподъем-

нии груза, высокая Потеря груза, за- ные работы и работы по

волна, нарушение грязнение или подъему затонувших объ-

норм пассажировме- угроза загрязне- ектов, техники и имуще-

стимости, специаль- ния. ства.

но экипажем Подводно-технические

работы.

Оказание медицинской

помощи пострадавшим.

7 Столкновение Большая скорость, Травмы у пасса- Оказание медицинской

судна плохая видимость жиров, человек за помощи пострадавшим.

бортом, человек Подводно-технические

утонул. работы.

Пробой корпуса Поддержание судна на

судна, затопление плаву, передача на них

судна, потеря гру- коммуникаций и грузов.

за. загрязнение или угроза загрязнения. Буксировка.

8 Посадка на мель Незнание рельефа дна, снос при сильном ветре, выход на берег при большой скор�