автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.10, диссертация на тему:Моделирование системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайных ситуаций

Н(/Ъравах рукописи

Плотников Валерий Александрович

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЛИКВИДАЦИЕЙ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ (на примере Санкт-Петербурга)

05.13.10 — управление в социальных и экономических системах

ч

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург — 2013

005543775

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

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Иванов Александр Юрьевич

Официальные оппоненты: Моторыгин Юрий Дмитриевич,

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, профессор кафедры криминалистики и инженерно-технических экспертиз;

Бондар Александр Иванович, кандидат технических наук, доцент, Главное управление МЧС России по г. Санкт-Петербургу, заместитель начальника управления надзорной деятельности

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский

государственный политехнический университет

Защита состоится 26 сентября 2013 года в 14 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 205.003.02 при Санкт-Петербургском университете Государственной противопожарной службы МЧС России (196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, д. 149).

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

Автореферат разослан (¿^-августа 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 205.003.02 доктор технических наук, профессор

А.Ю. Иванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние годы в Российской Федерации складывается неблагоприятная обстановка в аспекте возникновения чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. При этом основную роль в ее ухудшении играют пожары, о чем ярко свидетельствуют статистические данные. В этих условиях эффективность операций по ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций зависит не только от количественного и качественного состава группировки сил и средств, но и от действий системы управления.

Из последних крупномасштабных чрезвычайных ситуаций можно привести наводнение в июле 2012 года в Краснодарском крае, где от наводнения только в Крымском районе пострадали более 24 тыс. чел., более 4 тыс. домов, 12 социальных объектов — школы, детские сады, два медицинских склада. Всего за период спасательных мероприятий в Краснодарском крае было спасено 872 человека, проведена эвакуация 2 912 человек. В зоне чрезвычайной ситуации была задействована группировка в 10 600 человек, 2 600 единиц техники и 10 летательных аппаратов.

Приведенные показатели свидетельствуют о том, что управление столь значительной группировкой на месте является особо сложной задачей, для решения которой требуется четкое взаимодействие министерств и ведомств Российской Федерации. Опыт ликвидации последствий наводнения показал, что система оперативного управления ликвидацией подобных чрезвычайных ситуаций требует совершенствования.

Условия и результаты деятельности МЧС России отражает статистика по чрезвычайным ситуациям и пожарам, в частности, обеспечивающая исследование количественной стороны массовых явлений и процессов.

На сегодняшний день показатели, приводимые в статистических данных, лишь констатируют факты. При этом управленческие решения принимаются с учетом ретроспективных данных за прошедшие годы, а не прогнозных оценок, сформированных с помощью моделей, что в целом не лучшим образом

отражается на безопасности того или иного региона.

Сложившаяся ситуация требует изучения существующей системы оперативного управления действиями подразделений МЧС России, всех этапов действия должностных лиц, технологии сбора и оценки статистических данных, моделирования системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации и формирования предложений по ее совершенствованию.

Следует отметить, что успех операций по предупреждению чрезвычайной ситуации и ликвидации ее последствий в значительной степени зависит от быстрого реагирования дежурных служб: Центра управления в кризисных ситуациях, оперативных дежурных, что, в свою очередь, связано со своевременностью поступившей информации.

В решение проблемы по моделированию системы оперативного управления ликвидацией последствий чрезвычайных ситуаций техногенного происхождения значительный вклад внесли ученые Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России: Артамонов B.C., Таранцев А.А, Моторыгин Ю.Д. Пелех М.Т., а также Брушлинский H.H., Малыгин И.Г., Абдурагимов A.A. и другие. Однако в настоящее время отсутствует научно-обоснованная технология моделирования системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайных ситуаций, которая способна на основе имеющихся статистических данных о плотности поступлении информации с места чрезвычайной ситуации и временных характеристиках процесса принятия решений осуществлять мероприятия по совершенствованию указанной системы. В связи с этим возникают существенные трудности в совершенствовании системы оперативного управления ликвидацией последствий чрезвычайных ситуаций. Все сказанное позволяет утверждать об актуальности темы диссертационного исследования.

Цель диссертационной работы состоит в повышении эффективности функционирования системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайных ситуаций за счет внедрения научно-обоснованного подхода к организации работы должностных лиц.

Научная задача, решаемая в диссертации, заключается в разработке моделей и методик, являющихся теоретической основой для совершенствования системы оперативного управления деятельностью подразделений, задействованных в ликвидации чрезвычайных ситуаций.

В рамках этой общей задачи в работе поставлен и решен ряд следующих частных научных задач:

- анализ системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайных ситуаций и статистики по пожарам и последствиям от них в Санкт-Петербурге;

- разработка моделей для определения зависимости показателей обстановки от наиболее существенных факторов;

- разработка методики построения моделей системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайных ситуаций для получения количественных значений основных показателей эффективности;

- разработка модели системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайных ситуаций;

- выработка предложений по совершенствованию системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайных ситуаций.

Объект исследования - система оперативного управления ликвидацией чрезвычайных ситуаций (на примере Санкт-Петербурга).

Предмет исследования - модели и методики оценки эффективности функционирования системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации.

Методы исследования. Решение общей и частных научных задач проводилось с использованием методов системного анализа, математического моделирования, линейной алгебры, теории вероятностей, математической статистики и теории массового обслуживания.

Научная новизна диссертационной работы обеспечена следующим положениями:

- на основании анализа статистических данных получены уравнения регрессии для определения количества погибших и пострадавших на пожарах

людей и времени подачи первого ствола на тушение пожара, на основании чего показано, что применительно к Санкт-Петербургу основными значимыми факторами являются: общее количество пожаров, а также среднее время прибытия первого подразделения к месту пожара;

- сформировано представление системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации, включающей руководителя тушением пожара (РТП), начальника оперативного штаба пожаротушения (НШ), центр управления в кризисных ситуациях (ЦУКС), оперативного дежурного по Главному управлению по Санкт-Петербургу (ОД ГУ), оперативного дежурного по Северо-Западному региональному центру (ОД СЗРЦ) и начальника Главного управления (НГУ) в виде сети массового обслуживания (СеМО), что позволило разработать методику построения модели системы управления ликвидацией чрезвычайной ситуации для оценки количественных значений показателей;

- разработана методика построения модели системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации, учитывающая множество возможных состояний элементов указанной системы, характерных для ее функционирования в реальных условиях;

- на основе оценки количественных значений разработаны предложения по совершенствованию системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации организации обмена информации, заключающиеся введении регламента.

Теоретическая значимость работы состоит в разработке научно-методического аппарата для обоснования зависимости основных показателей деятельности подразделений МЧС России от значимых факторов и оценки количественных значений системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации.

Практическая значимость работы заключается:

- в оценке влияния на основные показатели деятельности МЧС России значимых факторов с последующей выработкой предложений по ее совершенствованию;

- в оценке количественных значений основных показателей и нахождения решений по совершенствованию системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации по разработанной методике моделирования с целью повышения ее эффективности;

-в возможности реализации в деятельности органов управления МЧС России разработанного математического аппарата.

Предложенные в диссертации модели и методики обеспечат повышение результативности функционирования системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации.

Достоверность изложенных в диссертации положений и выводов подтверждается использованием апробированных методов исследования и практическим внедрением результатов диссертационной работы.

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

- модели оценивания пожарной обстановки в г. Санкт-Петербурге;

- модели системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации;

- методика построения модели системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации с использованием теории массового обслуживания;

- предложения по совершенствованию системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации организации обмена информацией с целью повышения ее эффективности, заключающиеся введении регламента.

Апробация. Научные результаты, полученные в исследовании, докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры прикладной математики и информационных технологий Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России, а также на международной научно-практической конференции «Подготовка кадров в системе предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций» (Санкт-Петербург, октябрь 2011 г.) и VIII Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы обеспечения взрывобезопасности и противодействия терроризму» (Санкт-Петербург, апрель 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе две статьи в ведущих рецензируемых научных, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Реализация результатов исследования. Результаты диссертационного исследования внедрены в деятельность Главного управления МЧС России по Ленинградской области, отдельные теоретические положения диссертации используются в учебном процессе Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников. Общий объем работы 118 страниц, в том числе 31 рисунок и 40 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы выбор темы диссертации и ее актуальность, приведены основные атрибуты исследования, отражены научные результаты, выносимые на защиту, и их характеристика, а также указаны сведения об апробации и реализации результатов диссертационного исследования.

В первой главе «Анализ состояния вопроса в части пожарной безопасности Санкт-Петербурга» дана характеристика города, в частности, географическое расположение, климат, топливно-энергетические ресурсы, промышленная отрасль, сведения по возникновению чрезвычайных ситуаций.

В результате проведенного анализа статистических данных выявлено, что количество пожаров и гибель людей на них за рассматриваемый период уменьшается (рисунки 1 и 2), это связано с улучшением социальной обстановки в регионе.

Анализ деятельности подразделений МЧС России в Санкт-Петербурге позволил оценить временные характеристики их оперативной деятельности. Показано, что с увеличением времени следования подразделений к месту пожара, которое в настоящий момент остается довольно длительным (до 11 минут), увеличивается продолжительность подачи первого ствола, причем

следует ожидать дальнейшего увеличения этого времени ввиду роста загруженности дорожной сети.

100----------------------

_ ____у = 0,081х3 - 4,4443х2 + 32,233х + 296,61

Я2 = 0,8988

О —г- -,-V - ---Г--<——1-т-1-. ---1 Год

1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

Рисунок 2 - Динамика гибели людей на пожарах

В результате проведенного анализа можно сделать вывод, что пожарная обстановка в Санкт-Петербурге продолжает оставаться напряженной и оказывать значительное влияние на экономическую и социальную сферы жизни города и его жителей. Выявлены факторы значительно влияющие на обстановку с пожарами и борьбы с ними.

В свою очередь, анализ системы организации пожаротушения в Санкт-Петербурге показал, что пожаротушение организовано на всех уровнях (рисунок 3), что позволяет оперативно реагировать на любую чрезвычайную ситуацию.

Рисунок 3 - Схема организации пожаротушения в Санкт-Петербурге

Установлено, что исследование показателей оперативного реагирования подразделений МЧС России на чрезвычайные ситуации лучше проводить с помощью методов корреляционного и регрессионного анализов, которые позволяют выявить закономерности в больших массивах статистической информации об оперативной деятельности подразделений МЧС России и других экстренных служб жизнеобеспечения.

Сделан вывод о необходимости исследования моделей с помощью регрессионного анализа, а также о том, что в интересах моделирования оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации представляется актуальным проведение дальнейших исследований в части развития моделей на базе теории массового обслуживания для решения сформулированных научных задач.

Во второй главе «Математическое моделирование зависимости показателей от влияющих на них факторов» выбраны методы моделирования, а также разработана методика оценивания оперативной обстановки на основе регрессионного анализа, состоящая из следующих шагов:

анализ статистических данных и выявление показателей оперативной обстановки, нуждающихся в улучшении; выявление данных, оказывающих значительное влияние на основные показатели оперативной обстановки; выбор вида анализа, как правило, предварительно по линии тренда (линейный, нелинейный, однофакторный, множественный и т.д.); построение регрессионной модели; проверка адекватности модели; вычисление расчетных значений, и сравнение с фактическими показателями; формирование предложений по совершенствованию оперативной обстановки.

Для нахождения зависимостей в регрессионном анализе использована линейная зависимость.

Допустим, что интересующий показатель У, линейно зависит от определенного фактора /. Также, на эту зависимость воздействует дополнительный случайный фактор 2.

Данная структура связи между этими величинами выглядит:

У = р0+р,1 + г, (1)

где /?„ и - неизвестные параметры модели (постоянные величины); / — известное и неслучайное значение предикторной переменной; 2- случайная величина, сопутствующая наблюдению. При нескольких реализаций (наблюдений) модели, формула (1) будет иметь вид:

/ = 1,2,...,«. (2) Необходимо заметить, что СВ {>;} взаимно независимы. Их значения формируются за счет суммы /?„+/?/,, на которую накладывается случайная составляющая Д имеющая характер или неучтенных факторов или случайных помех.

И так, зная оценки /?„' и Д", можно оценить значение зависимой переменной У, по формуле:

у^д'+д'/, (3)

соответствующий график называется графиком линейной регрессии.

Д' и р[ называются оценками метода наименьших квадратов, если они минимизируют сумму квадратов отклонений:

*0 = ру-У,')2 = ¿(У,-(Д,+ДО)2- (4)

Физический смысл этого критерия заключается в том, что он дает прямую у' = р'а + р^,относительно которой разброс точек (/,У) минимален.

С применением математического аппарата была проанализирована статистическая информация об обстановке с пожарами в Санкт-Петербурге и выявлены статистические закономерности, которые оказывают значительное влияние. В частности, установлено, на количество погибших людей на пожарах У* (чел.) в Санкт-Петербурге оказывает общее количество пожаров 5 (шт.), о чем свидетельствует полученная математическая модель:

У' = 1,83+ 0,04-5, 5б(40; 489). (5)

Как видно из выражения (5), количество погибших уменьшается с сокращением количества пожаров. Данный факт объясняет тенденцию уменьшения количества погибших на пожарах людей в Санкт-Петербурге (см. рисунок 2). График, характеризующий зависимость между количеством погибших и количеством пожаров представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 - График, характеризующий зависимость между количеством погибших и количеством пожаров, отвечающих доверительной вероятности у = 0,95

Также установлено, что общее количество пожаров 5 (шт.) также влияет на количество пострадавших людей на них У* (чел.). Математическая модель имеет вид:

7* = — 0,53+0,08■ 5, 5е(2;31). (6)

Соответствующий график представлен на рисунке 5.

Определен вид зависимости среднего времени затраченного на подачу первого ствола на тушение пожара 1под1ствода от среднего времени прибытия первого подразделения к месту пожара 1пр :

(под ! ство„а= 5,45+ 0,911пр, 1пр 6 (9,85; 18,77). (7)

Рисунок 5 - График, характеризующий зависимость между пострадавшими на пожарах и их количеством, отвечающих доверительной вероятности у = 0,95

График, характеризующий зависимость между средним временем, затраченным на подачу первого ствола на тушение пожара, и средним временем прибытия первого подразделения Государственной противопожарной службы МЧС России представлен на рисунке 6.

Сформулирован вывод о том, что методика моделирования оперативной обстановки с помощью регрессионного анализа позволяет на научной основе определить влияющие на нее факторы, и спрогнозировать оперативную обстановку с учетом этих факторов, а также выработать управленческие решения для каждого подразделения, дислоцирующегося на определенной территории, в соответствии со сложившейся на ней оперативной обстановкой.

1под.1 ствола

4 6 8 10 12 14 16

Рисунок 6 — График, характеризующий зависимость между средним временем подачи первого ствола и средним временем прибытия подразделений, отвечающих доверительной вероятности у = 0,95

В третьей главе «Моделирование системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации и ее совершенствование» изложены основы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуацией и специфика его моделирования применительно к Санкт-Петербургу, а также представлена система управления ликвидацией чрезвычайной ситуации, включающая ОД ГУ, нештатных начальников на месте пожара (РТП и НШ), ОД СЗРЦ, НГУ, ЦУКС (рисунок 7). Данная система показана в виде сети массового обслуживания (СеМО).

Показано, что анализируемая модель по своей сути является замкнутой СеМО. Замкнутые СеМО отличаются от незамкнутых — отсутствием внешних ИЗ (узел У0), в узлах Уь..., У и обращается постоянное число заявок М3, а матрица передач заявок от узла к узлу имеет вид:

2 =

<7.2 • ' <7ш

Я 2, 922 ' ' Чш

<?3. <?32 ' ■ Ьи

Ят 1т

Чии.

(8)

Рисунок 7 - Схема взаимодействия участников ликвидации чрезвычайной ситуации, где ОД ГУ - оперативный дежурный по Главному управлению МЧС России; РТП — руководитель тушением пожара; НШ - начальник оперативного

штаба пожаротушения; ОД СЗРЦ - оперативный дежурный по СевероЗападному региональному центру; НГУ - начальник Главного управления МЧС России; ЦУКС - Центр управления в кризисных ситуациях

Замкнутая СеМО, как и незамкнутая, имеет параметры, обусловливаемые параметрами образующих ее узлов-СМО, числом узлов (У, матрицей передач и величиной М3, и характеристики, также обусловливаемые характеристиками узлов. Однако прямое вычисление значений характеристик более сложный и трудоемкий процесс, чем для незамкнутых СеМО.

Будем полагать, что замкнутая СеМО может пребывать в состояниях ¿>ь ..., 5'с число которых С конечно, обусловливаемых состояниями ее узлов У\,..., Уи. Тогда, имея матрицу С, определяющую порядок работы конкретной замкнутой СеМО, число обращающихся заявок А/3, и параметры узлов, можно найти вероятности состояний р\,...,рс, а по ним - характеристики сети X.

При исследовании системы управления ликвидацией чрезвычайной ситуации принято допущение о пуассоновском потоке поступающих заявок, т.е. интервалы времени между поступлением заявок имеют экспоненциальное распределение с параметрами (частотами) для незамкнутых и замкнутых СеМО соответственно X и V. При этом длительности обслуживания заявок также имеют экспоненциальное распределение с параметром /л. Показано, что

переходные процессы в СеМО имеют следующие особенности. Во-первых, они довольно кратковременны, и с допустимой точностью можно считать, что время достижения установившихся значений вероятностей состояний не намного превышает величину тах{ Л"1). Во-вторых, отсутствуют «броски» или «провалы» вероятностей, т.е. при переходе из одного установившегося значения к другому вероятности состояний не выходят за границы этих значений. Поэтому при определении вероятностей состояний в работе считалось, что процессы приняли установившиеся значения.

На основе обозначенных критериев и ограничений разработана методика построения модели системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации, которая состоит из: задания параметрических значений сети массового обслуживания; определения возможных состояний СеМО; построения графа переходов, для получения впоследствии систем уравнений относительно потока заявок и вероятностей состояний; анализа имеющихся данных, для получения параметров потока заявок (плотности поступления заявок); решения полученной системы уравнений относительно вероятностей состояний, для получения количественных значений вероятностей; составления и решения уравнений, на основе которых определяются основные характеристики системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайных ситуаций (вероятностные значения состояний), в которой то или иное должностное лицо находится: в свободном состоянии — выполняет свои обязанности, связанные со служебной деятельностью, в ожидании — ожидает освобождения того или иного должностного лица, или обменивается информацией с другим должностным лицом — не может выполнять свои служебные обязанности; разработки предложений по совершенствованию системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайных ситуаций на основе полученных значений.

Показано, что обмен информацией между должностными лицами при чрезвычайной ситуации не регламентирован. Поток заявок Л зависит от обстановки на месте чрезвычайной ситуации, а также от опыта и профессионализма участников операции по его ликвидации. Определяя порядок обмена информацией между участниками по ликвидации

чрезвычайных ситуаций, можно определить наилучшее решение, при котором, участники операции по ликвидации чрезвычайной ситуации должны как можно меньше времени расходовать на обмен информацией и, как следствие, больше времени уделять выполнению служебных обязанностей (принимать управленческие решения), связанных с ликвидацией чрезвычайной ситуации (руководить подчиненными, проводить разведку, вести спасательные работы, обеспечивать работу тыловых служб и т.д.).

Из анализа практики ликвидации чрезвычайных ситуаций в Санкт-Петербурге выявлено, что критическим значением для должностных лиц, задействованных в ликвидации чрезвычайной ситуации, является их пятидесятипроцентная занятность обменом информацией, т.к. при этом они должны не только обобщать поступающую информацию и/или передавать ее, но также принимать управленческие решения и отдавать распоряжения.

В случае, когда порядок обмена информацией между звеньями СеМО не регламентирован, количество состояний СеМО возрастает и достигает нескольких сотен. Это приводит к большой загруженности каналов обслуживания, и в результате приводит к тому, что участники операции по ликвидации чрезвычайной ситуации не могут связываться между собой, т.е. будут находиться в ожидании, или получат отказ в обслуживании. Данное обстоятельство может отрицательно повлиять на исход ликвидации чрезвычайной ситуации, т.к. лица принимающие решения должны в полной мере владеть оперативной обстановкой, а значит к ним должно поступать значительное количество информации, которую они должны переработать и выдать управленческие решения.

На основании графа переходов получена система алгебраических уравнений для СеМО, которая решена методом Гаусса), сущность которого состоит в том, что посредством последовательных исключений неизвестных данная система превращается в ступенчатую систему, равносильную данной. При практическом решении системы линейных уравнений методом Гаусса удобнее приводить к ступенчатому виду не саму систему уравнений, а расширенную матрицу этой системы, выполняя элементарные преобразования над ее строками.

Ввиду большого объема, система уравнений в автореферате приведена только для варианта, который является решением по совершенствованию системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайных ситуаций. Для решения использовались статистические данные входящего потока заявок А„ характерные для Санкт-Петербурга, которые были получены в результате анализа диспетчерских журналов, документации оперативных дежурных и аудио записей переговоров.

Оценка системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации показала, что ОД ГУ 53% времени будет находиться в занятом состоянии, и по 35 и 12 процентов времени соответственно в свободном состоянии, либо и ожидании того или иного абонента, с которым необходимо связаться. Это означает, что время, затрачиваемое на переговоры ОД ГУ, превышает критическое значение — 50%.

Для совершенствования системы предлагается ввести регламент на обмен информацией, который позволяет упорядочить связи в СеМО.

Для начала была предложена следующая модель, а именно ОД СЗРЦ связывается только с ОД ГУ; в свою очередь ОД ГУ может связываться со всеми участниками; НГУ связывается только с ОД ГУ и ЦУКС; ОД ГУ, ЦУКС, РТП и НШ связываются между собой. Но оценка данной системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации показала, что ОД ГУ 66 % времени будет находиться в занятом состоянии, что на 13 % больше первоначального показателя (до введения регламента). Однако количество переговоров уменьшилось, что в свою очередь привело к увеличению свободного времени ОД СЗРЦ и НГУ. Наряду с возрастанием занятости ОД ГУ, увеличилось время занятости ЦУКС, РТП и НШ, что может негативно отразиться на исходе ликвидации последствий ЧС, то есть СеМО по-прежнему пребывает в критическом состоянии.

Для улучшения полученной СеМО, предложена следующая схема, показанная на рисунке 8, а именно: ОД СЗРЦ связывается только с ОД ГУ; ОД ГУ связывается только с ОД СЗРЦ, НГУ и ЦУКС; НГУ связывается только с ОД ГУ и ЦУКС; ЦУКС, РТП и НШ связываются между собой.

Рисунок 8 - Схема взаимодействия между участниками ликвидации чрезвычайной ситуации при введении регламента

В результате получена замкнутая нестационарная СеМО, состоящая из 32 состояний. Граф переходов представлен на рисунке 9. Получена система уравнений, которая имеет вид:

0 = ЛцР|- (1г\+Лп+Л2А)Р2+Лб2Рб+Мо2РЮ О = ХгъРт- ЛюРз О = Л24Р2- ЛаР*

о = Я,5Р,+Д45Р4- (Я51 + Л56+Д57+Л58)Р5+ЛП5Р,1+А165Р16

о = Я56/75- Д62Рб о = Л57ру- Л79р7

О = Я58Рт- ЬмРх

о = ^19/?1+Лз9/,3+^79/77~ (Я91+Я9Щ+Я91! +Я912+^913+^91 ] 1ЧР17+Я249/*24+Я299^29

О = Я] 02/710

0 = Я91 Л] 15^1 ] 0 = Л9]2Р9-Л|215/>]2 О = Я913Р9- ^ 1323/713 О = Я914Р9— Я ] 4 ] 5/7 [ 4

О = (Я151+Я1516+Я|517+Я15]8+Я15,9)р15+Я2515;725+^3015/730

/ 0 = Я|5]^7]5- Я]65Р|6 А 0 = Я,517Р15-Я|79Р17 О = Я15 ] 8^715~ Я1823/718

О = Я1519Р15- Я1928Р19

О = Я120Р1- (Я2СГ Я202; I Я2(]22)Р274'Я?Г,2(;Я26+Я^ 120РЗ О = ^202\Р2<Г~ Я212ЗР21 О = Я2022Р20- Я2228Р22

О = Я123/71+Я]323Р13+Я1823/'18+Я2|23/'21- (Я231+Я2324+Я2325+Я2326+Я2327)/>23+''3223/>32 О = Я2324Р23- Я249/?24 О = Я2325Р23"~ Я2515Р25

О = Я2326Р23- Я2620/>26

О = Я2327Р23- Я2728/727

О = Я 128^7]+Я|428/7|4+Я]928/719+Я2228/722^2728/727" (^28 ] +^2829+^2830+^2831 +^283г)/728 О = Я2829Р28" Я299/729 О = ¿2НМР2К Я3015/?3() О = Я2831Р28- Я3120/731

V 0 = ^28

32Р28- Я3223/732

Полученные вероятностные значения состояний отображены в таблице 1.

Рисунок 9 - Граф

переходов СеМО

(32 состояния)

Таблица 1 - Вероятностные значения состояний

Должностное лицо Свободен, р„ Ожидает, рож Занят, р3

ОД ГУ 0,45 0,08 0,47

ОД СЗРЦ 0,83 0,06 0,12

НГУ 0,57 0,21 0,22

ЦУКС 0,17 0,17 0,66

РТП 0,6 0,16 0,24

НШ 0,59 0,15 0,27

В результате определено, что ОД ГУ занят переговорами 47% времени, что меньше критического значения. Исходя из того, что введен регламент обмена информацией между участниками операции по ликвидации чрезвычайной ситуации, ОД ГУ может выполнять свои обязанности в полном объеме, то есть последний вариант является решением по совершенствованию системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайных ситуаций.

На основании полученных результатов сделан вывод о целесообразности регламентации обмена информацией между участниками, задействованных на ликвидацию чрезвычайной ситуации. Исключение из этого возможно при возникновении экстренной необходимости, что позволит некоторому участнику устанавливать связь с любым другим участником.

Разработанная методика позволяет выявить состояния, в которых система находилась, и на основе полученных результатов сделать выводы, например, дать оценку системе (сети) или оценить работу ОД ГУ, ЦУКС и других участников ликвидации чрезвычайной ситуации, и выработать предложения для совершенствования их работы.

При использовании данной методики можно представить модели системы (сети) массового обслуживания, когда при ликвидации чрезвычайной ситуации задействовано большое количество участников.

Данную методику можно применять: для других структур оперативного реагирования, например, при работе штаба по ликвидации чрезвычайной ситуации; в учебном процессе, при проведении интерактивных занятий (деловых игр) или при проведении занятий с руководящим составом подразделений МЧС России; при анализе сложных чрезвычайных ситуаций,

когда необходимо выработать предложения по совершенствованию оперативного управления по ликвидации аналогичных чрезвычайных ситуаций.

В заключении подведены итоги работы. Перечисляются полученные научные результаты, приводятся сведения о внедрении и практическом использовании полученных результатов, а также значимость для теории и практики. Сформулированы возможные направления дальнейших исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ системы управления ликвидацией чрезвычайной ситуации, статистических данных по пожарам и последствий от них. Анализ статистики показал необходимость совершенствования процессов управления ликвидацией чрезвычайной ситуации.

2. Построены математические модели применительно к числу пожаров и среднего времени прибытия к месту пожара и показано, что в Санкт-Петербурге при увеличении числа пожаров на единицу количество погибших на них в среднем увеличивается на 0,04 человека, а количество пострадавших людей на 0,08 человека; уменьшение среднего времени прибытия первых пожарных подразделений к месту пожара на одну минуту приведет к уменьшению среднего времени подачи первого ствола на 0,91 мин.

3. Определена методика и построена математическая модель системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации, включающая оперативного дежурного по Главному управлению МЧС России по Санкт-Петербургу, руководителя тушения пожара, начальника оперативного штаба пожаротушения, оперативного дежурного по региональному центру, начальника Главного управления МЧС России по Санкт-Петербургу, центр управления в кризисных ситуациях, представленной в виде СеМО, что позволило получить количественные значения основных показателей системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации.

4. На основе количественных значений основных показателей системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации определено

решение по совершенствованию данной системы, которая заключается во введении регламента по обмену информацией.

Основные работы, опубликованные по теме диссертации

Издания по Перечню ВАК

1. Артамонов A.C., Плотников В.А., Симонова М.А. Совершенствование системы управления ликвидацией чрезвычайной ситуации. // Проблемы управления рисками в техносфере.-2012. -№4(24). (1,1/0,5 пл.).

2. Артамонов A.C., Плотников В.А., Симонова М.А. Обработка статистических данных, характеризующих оперативную обстановку в Санкт-Петербурге. // Вестник Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России (электронный вариант СМИ). - 2012. - № 4. (1,0/0,4 пл.).

Другие издания

3. Иванов А.Ю., Пелех М.Т., Плотников В.А. «Методы исследования количественной стороны массовых явлений и процессов». // Материалы международной научно-практической конференция «Подготовка кадров в системе предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций», Санкт-Петербург, 2011. (0,25/0,1 пл.).

4. Плотников В.А. Представление процессов управления чрезвычайными ситуациями с использованием теории массового обслуживания. // Надзорная деятельность и судебная экспертиза в системе безопасности. — Санкт-Петербург, 2012.-№2.(1,0 пл.).

5. Иванов А.Ю., Плотников В.А. «Проблемы в совершенствовании системы оперативного управления ликвидацией последствий чрезвычайных ситуаций». // Материалы VIII Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы обеспечения взрывобезопасности и противодействия терроризму», Санкт-Петербург, 2013. (0,3/0,2 пл.).

Подписано в печать 12.07.2013 г. Формат 60x84 7,6 Печать цифровая_Объем 1,0 пл._Тираж 100 экз.

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

МЧС России Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы

04°01364753 На правах рукописи

Я 1\ .

Плотников Валерий Александрович

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЛИКВИДАЦИЕЙ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ (на примере Санкт-Петербурга)

05.13.10 - управление в социальных и экономических системах

(технические науки)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Иванов Александр Юрьевич

Санкт - Петербург - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список сокращений..................................................................................................3

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

1 Анализ состояния вопроса в части пожарной безопасности города Санкт-Петербург......................................................................................................10

1.1 Характеристика города Санкт-Петербург...............................................10

1.2 Обстановка с пожарами в России и Санкт-Петербурге.........................17

1.3 Организация пожаротушения в Санкт-Петербурге...............................31

1.4 Основные направления исследований в части повышения эффективности управления борьбы с пожарами и ликвидации ЧС.................35

Выводы...................................................................................................................38

2 Математическое моделирование зависимости показателей от влияющих на них факторов..................................................................................39

2.1 Методы моделирования зависимости показателей от факторов, влияющих на них...................................................................................................40

2.2 Моделирование зависимости основных показателей............................47

Выводы...................................................................................................................58

3 Моделирование системы управления ликвидации чрезвычайной ситуации и ее совершенствование........................................................................60

3.1 Особенности моделирования системы управления ликвидации чрезвычайной ситуации........................................................................................60

3.2 Методика моделирования системы управления ликвидацией чрезвычайных ситуаций с помощью теории массового обслуживания и нахождение наилучших решений по ее совершенствованию...........................66

Выводы.................................................................................................................104

Заключение.............................................................................................................106

Список используемой литературы.....................................................................108

Список сокращений

гпс Государственная противопожарная служба

ЕДДС единая дежурно-диспетчерская служба

ИЗ источник заявок

ко канал обслуживания

НГУ начальник Главного управления

нш начальник оперативного штаба пожаротушения

ОД ГУ оперативный дежурный по Главному управлению

ОД СЗРЦ оперативный дежурный по региональному центру

по пожарная охрана

РТП руководитель тушением пожара

св случайная величина

СеМО сеть массового обслуживания

СиС силы и средства

смо система массового обслуживания

тмо теория массового обслуживания

ЦППС цетральный пункт пожарной связи

ЦУКС центр управления в кризисных ситуациях

ЦУС центр управления силами

чс чрезвычайная ситуация

Введение

Актуальность темы. В последние годы в Российской Федерации складывается неблагоприятная обстановка в аспекте возникновения чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. При этом основную роль в ее ухудшении играют пожары, о чем ярко свидетельствуют статистические данные. В этих условиях эффективность операций по ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций зависит не только от количественного и качественного состава группировки сил и средств, но и от действий системы управления.

Из последних крупномасштабных чрезвычайных ситуаций можно привести наводнение в июле 2012 года в Краснодарском крае, где от наводнения только в Крымском районе пострадали более 24 тыс. чел., более 4 тыс. домов, 12 социальных объектов - школы, детские сады, два медицинских склада. Всего за период спасательных мероприятий в Краснодарском крае было спасено 872 человека, проведена эвакуация 2 912 человек. В зоне чрезвычайной ситуации была задействована группировка в 10 600 человек, 2 600 единиц техники и 10 летательных аппаратов.

Приведенные показатели свидетельствуют о том, что управление столь значительной группировкой на месте является особо сложной задачей, для решения которой требуется четкое взаимодействие министерств и ведомств Российской Федерации. Опыт ликвидации последствий наводнения показал, что система оперативного управления ликвидацией подобных чрезвычайных ситуаций требует совершенствования.

Условия и результаты деятельности МЧС России отражает статистика по чрезвычайным ситуациям и пожарам, в частности, обеспечивающая исследование количественной стороны массовых явлений и процессов.

На сегодняшний день показатели, приводимые в статистических данных, лишь констатируют факты. При этом управленческие решения принимаются с учетом ретроспективных данных за прошедшие годы, а не прогнозных оценок,

сформированных с помощью моделей, что в целом не лучшим образом отражается на безопасности того или иного региона.

Сложившаяся ситуация требует изучения существующей системы оперативного управления действиями подразделений МЧС России, всех этапов действия должностных лиц, технологии сбора и оценки статистических данных, моделирования системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации и формирования предложений по ее совершенствованию.

Следует отметить, что успех операций по предупреждению чрезвычайной ситуации и ликвидации ее последствий в значительной степени зависит от быстрого реагирования дежурных служб: Центра управления в кризисных ситуациях, оперативных дежурных, что, в свою очередь, связано со своевременностью поступившей информации.

В решение проблемы по моделированию системы оперативного управления ликвидацией последствий чрезвычайных ситуаций техногенного происхождения значительный вклад внесли ученые Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России: Артамонов B.C., Таранцев А.А, Моторыгин Ю.Д. Пелех М.Т., а также Брушлинский H.H., Малыгин И.Г., Абдурагимов A.A. и другие. Однако в настоящее время отсутствует научно-обоснованная технология моделирования системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайных ситуаций, которая способна на основе имеющихся статистических данных о плотности поступлении информации с места чрезвычайной ситуации и временных характеристиках процесса принятия решений осуществлять мероприятия по совершенствованию указанной системы. В связи с этим возникают существенные трудности в совершенствовании системы оперативного управления ликвидацией последствий чрезвычайных ситуаций. Все сказанное позволяет утверждать об актуальности темы диссертационного исследования.

Цель диссертационной работы состоит в повышении эффективности функционирования системы оперативного управления ликвидацией

чрезвычайных ситуаций за счет внедрения научно-обоснованного подхода к организации работы должностных лиц.

Научная задача, решаемая в диссертации, заключается в разработке моделей и методик, являющихся теоретической основой для совершенствования системы оперативного управления деятельностью подразделений, задействованных в ликвидации чрезвычайных ситуаций.

В рамках этой общей задачи в работе поставлен и решен ряд следующих частных научных задач:

- анализ системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайных ситуаций и статистики по пожарам и последствиям от них в Санкт-Петербурге;

- разработка моделей для определения зависимости показателей обстановки от наиболее существенных факторов;

- разработка методики построения моделей системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайных ситуаций для получения количественных значений основных показателей эффективности;

- разработка модели системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайных ситуаций;

- выработка предложений по совершенствованию системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайных ситуаций.

Объект исследования — система оперативного управления ликвидацией чрезвычайных ситуаций (на примере Санкт-Петербурга).

Предмет исследования - модели и методики оценки эффективности функционирования системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации.

Методы исследования. Решение общей и частных научных задач проводилось с использованием методов системного анализа, математического моделирования, линейной алгебры, теории вероятностей, математической статистики и теории массового обслуживания.

Научная новизна диссертационной работы обеспечена следующим положениями:

- на основании анализа статистических данных получены уравнения регрессии для определения количества погибших и пострадавших на пожарах людей и времени подачи первого ствола на тушение пожара, на основании чего показано, что применительно к Санкт-Петербургу основными значимыми факторами являются: общее количество пожаров, а также среднее время прибытия первого подразделения к месту пожара;

- сформировано представление системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации, включающей руководителя тушением пожара (РТП), начальника оперативного штаба пожаротушения (НШ), центр управления в кризисных ситуациях (ЦУКС), оперативного дежурного по Главному управлению по Санкт-Петербургу (ОД ГУ), оперативного дежурного по Северо-Западному региональному центру (ОД СЗРЦ) и начальника Главного управления (НГУ) в виде сети массового обслуживания (СеМО), что позволило разработать методику построения модели системы управления ликвидацией чрезвычайной ситуации для оценки количественных значений показателей;

- разработана методика построения модели системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации, учитывающая множество возможных состояний элементов указанной системы, характерных для ее функционирования в реальных условиях;

- на основе оценки количественных значений разработаны предложения по совершенствованию системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации организации обмена информации, заключающиеся введении регламента.

Теоретическая значимость работы состоит в разработке научно-методического аппарата для обоснования зависимости основных показателей деятельности подразделений МЧС России от значимых факторов и оценки количественных значений системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации.

Практическая значимость работы заключается:

- в оценке влияния на основные показатели деятельности МЧС России

значимых факторов с последующей выработкой предложений по ее совершенствованию;

- в оценке количественных значений основных показателей и нахождения решений по совершенствованию системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации по разработанной методике моделирования с целью повышения ее эффективности;

-в возможности реализации в деятельности органов управления МЧС России разработанного математического аппарата.

Предложенные в диссертации модели и методики обеспечат повышение результативности функционирования системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации.

Достоверность изложенных в диссертации положений и выводов подтверждается использованием апробированных методов исследования и практическим внедрением результатов диссертационной работы.

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

- модели оценивания пожарной обстановки в г. Санкт-Петербурге;

- модели системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации;

- методика построения модели системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации с использованием теории массового обслуживания;

- предложения по совершенствованию системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации организации обмена информацией с целью повышения ее эффективности, заключающиеся введении регламента.

Апробация. Научные результаты, полученные в исследовании, докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры прикладной математики и информационных технологий Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России, а также на международной научно-практической конференции «Подготовка кадров в системе предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций» (Санкт-Петербург, октябрь 2011 г.) и VIII

Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы обеспечения взрывобезопасности и противодействия терроризму» (Санкт-Петербург, апрель 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе две статьи в ведущих рецензируемых научных, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Реализация результатов исследования. Результаты диссертационного исследования внедрены в деятельность Главного управления МЧС России по Ленинградской области, отдельные теоретические положения диссертации используются в учебном процессе Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников. Общий объем работы 118 страниц, в том числе 31 рисунок и 40 таблиц.

1 Анализ состояния вопроса в части пожарной безопасности города Санкт-Петербург

1.1 Характеристика города Санкт-Петербург

Город Санкт-Петербург - важнейший научный, промышленный центр и транспортный узел северо-запада России, к которому подходят 12 железнодорожных и 5 автомобильных магистралей. Город занимает территорию 1439 кв. км и делится на 19 административных районов, в которых 111 муниципальных образований.

На территории города расположено 38 химически опасных, более 100 взрыво- и пожароопасных объектов экономики, проложено 1282 км газопроводов среднего и высокого давления, которые имеют 88 точек пересечения с автомобильными и железнодорожными магистралями. На расстоянии 50 км. От линии жилой застройки Санкт-Петербурга расположена Ленинградская атомная электростанция.

Для Санкт-Петербурга характерны такие стихийные бедствия, как наводнения, ураганы и снежные заносы.

География и климат Санкт-Петербурга. 60° Северной широты.

31° Восточной долготы (Пулковский меридиан).

Санкт-Петербург расположен на Северо-Западе России в дельте реки Невы на берегу Финского залива. Город расположен на 44 островах, которые образует река Нева и 90 других рек и каналов. Соседние страны: Швеция, Норвегия, Финляндия, Эстония, Латвия, Литва, Польша, Германия, Дания (регион Балтийского моря). Близлежащие регионы России: Ленинградская, Новгородская, Вологодская, Псковская, Калининградская области и Республика Карелия. Санкт-Петербург - крупнейший город мира, расположенный в столь северных широтах. Город занимает выгодное положение на морских путях и наземных магистралях (12 радиусов железных дорог и 11 автомобильных

дорог). Это европейские ворота России, ее стратегический центр, наиболее приближенный к странам Европейского сообщества.

Погодные условия. Среднегодовая температура 5,2 °С. Средняя температура июля 17,7 °С. Средняя температура января -6,5 °С.

Природно-экономические ресурсы

Водные ресурсы - пресные поверхностные воды и подземные воды. Поверхностные пресные воды сосредоточены в водосборе водной системы «Ладожское озеро - река Нева - Невская губа - Финский залив». На территории города и в его окрестностях имеются месторождения песчано-гравийных материалов, гальки, песков, глин, песчаников, суглинков, а также торфа (запасы составляют около 17,5 млрд. куб. м торфа сырца, или около 2 млрд. т воздушносухого торфа).

Климат.

Территория города и его окрестностей находится под воздействием морских (атлантических) и континентальных воздушных масс умеренных широт, частых вхождений арктического воздуха и активной циклонической деятельности. В результате взаимодействия всех климатообразующих факторов формируется климат, близкий к морскому, с умеренно теплым влажным летом и довольно продолжительной умеренно холодной зимой. Среднегодовая температура в городе составляет 4,2 °С, а период с положительной температурой воздуха - 222 дня. В среднем за год в Санкт-Петербурге бывает ясных и безоблачных дней - 31, пасмурных - 172, туманных - 57, полуясных с переменной облачностью - 105. Положительная температура воздуха устанавливается с 3 апреля по 11 ноября, за это время (222 дня) в среднем бывает 126 дождливых дней (без учета кратковременных дождей). В холодный же период (143 дня) в среднем 61 день с повторными осадками (снег, град, иней). Всего же осадков выпадает сравнительно немного: 650-700 мм в год, однако недостаток солнечного тепла и облачность приводят к медленному

испарению влаги и высокой насыщенности ею атмосферн