автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Оперативное управление процессом ликвидации быстропротекающих чрезвычайных ситуаций на основе динамических моделей

На правах рукописи

ББЖАЕВА Оксана Яковлевна

ОПЕРАТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ЛИКВИДАЦИИ БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ НА ОСНОВЕ ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 2004

Работа выполнена на кафедре технической кибернетики Уфимского государственного авиационного технического университета

Научный руководитель

Заслуж. деятель науки и техники РБ и РФ д-р техн. наук, проф. ИЛЬЯСОВ Барый Галеевич

Научный консультант:

канд. техн. наук

ЯМ АЛОВ Ильдар Уралович

Официальные оппоненты- д-р техн. наук, проф

ПАВЛОВ Сергей Владимирович

канд. техн. Наук

КУЛИКОВ Олег Михайлович

Ведущее предприятие: Научно-исследовательский институт

безопасности жизнедеятельности РБ

Защита диссертации сос гоится декабря 2004 г. в. часов на

заседании диссертационного совета Д-212 288.03 Уфимского государственного авиационного технического университета по адресу: 450000, г.Уфа, ул.К.Маркса, 12.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета

Автореферат разослан « 1$у> ноября 2004 г

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн. наук, проф.

Миронов В.В.

шьч&я

ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Своевременная ликвидация крупномасштабных и локальных чрезвычайных ситуаций (ЧС) является одной из центральных проблем нашей цивилизации. Ежегодно во всем мире происходит огромное количество ЧС различной физической природы техногенные ЧС, природные катаклизмы При этом частота этих ЧС возрастает с ростом темпа производственной деятельности человека. Во многих источниках литературы приводятся данные об увеличении как количества ЧС, так и количества пострадавших и погибших людей в этих ситуациях, а также причиненного материального ущерба По данным ЮНЕСКО, наибольший ущерб человечеству приносят природные катаклизмы и стихийные бедствия в виде землетрясений и наводнений

ЧС сопровождается не только материальными, но и людскими потерями, поэтому в условиях ЧС очень важно быстро и правильно принять решение по ликвидации ЧС и ее последствий Процесс принятия решений по ликвидации ЧС характеризуется недостатком времени, неполнотой и плохим качеством представления информации, необходимой для принятия решений.

В силу вышеизложенного, создание систем оперативного управления и ликвидации ЧС являемся весьма актуальной проблемой Вопросам разработки данною класса систем посвящены работы многих отечественных и зарубежных исследователей, работы В.В Кульбы, М.А Шахраманьяна, С К Шойгу, Н И Архиповой, Р 3. Хамитова, В Г Крымскою, В.И. Васильева, И,У.Ямалова, В Н. Ефанова, X Кукамото, В Маршалла, Э. Хенли, Г Сейвера, Ф.Лисса и др Вопросам разработки систем поддержки принятия решений при управлении в критических ситуациях посвящены работы профессоров И Ю. Юсупова, П.И Юсуповой, В В Миронова, Б Г Ильясова, Ю М Гусева, Л Р Черняховской Вопросам разработки геоинформационных моделей раз-вишя ЧС природного и техногенного характера посвящены работы профессоров С В Павлова, В Е Гвоздева. Вопросам построения многоуровневых иерархических систем в ЧС посвящены работы профессоров В И Васильева и Л .Б. Уразбахтиной.

Однако вопросам динамического моделирования процессов оперативного управления ликвидацией ЧС уделено недостаточное внимание, что в конечном итоге снижает эффективность данных систем и как следствие снижает научную обоснованность принимаемых решений по ликвидации ЧС

Задача анализа поведения управляемых сложных систем в условиях неопределенности, характерных для ЧС, относится к категории трудноформа-лизуемых задач А поэтому одним из основных методов исследования является метод моделирования Моделирование как средство описания и исследования, в силу своей универсальности и высокой эффективности, является широко признанным методом анализа и синтеза, оптимизации и проектирования сложных динамических систем, содержащих слабо формализуемые элементы.

Указанные обстоятел

РОС. НА'И'ОПАЛЬНАЯ ства ьФбусладлцдают

С.Ье1ербург

моЬрк

ктуальность сформулиро-

ванной темы исследования, направленной на разработку математических моделей системы оперативного управления ликвидацией быстопротекающих (БП) ЧС, алгоритмов управления в ЧС на основе динамических моделей, прикладного программного обеспечения, а также применение полученных результатов для оценки эффективности процессов ликвидации ЧС

Цель работы и задачи исследования

Целью исследований является разработка системы оперативного управления процессом ликвидации БП ЧС на основе динамических моделей, а также оценка ее эффективности методом моделирования

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи'

1. Разработать модель системной организации процессов ликвидации БП ЧС

2 Разработать динамические модели и структуры системы оперативного управления в ЧС, включая.

- структуру и модели действий функционального подразделения (ФП) но выполнению работ по ликвидации ЧС;

- модель развития ЧС и модель наносимого ущерба,

- модель планирования темпов расхода ресурсов между ФП;

- структуру и модель ликвидации БГ1 однооочаговой ЧС одним ФП,

- модель согласованного взаимодействия нескольких ФП при ликвидации двухочаговой БП ЧС.

3 Разработать структуру информационной системы поддержки принятия решения при управлении в ЧС на основе разработанных динамических моделей, включая систему моделирования процессов ликвидации ЧС

4 Разработать программное обеспечение, реализующее разработанные модели и структуры.

5 Провести моделирование предложенных структур системы оперативного управления (СОУ) с целью анализа эффективности выполнения работ по ликвидации одно- и двухочаговых ЧС

Методы исследования

В работе использовались методы системного анализа, теории управления, общей теории систем, методы математического моделирования, автоматизированного проектирования информационных систем

Научная новизна работы

1 Научная новизна модели системного анализа процесса ликвидации ЧС заключается в объединении всех организационных и технологических этапов в единую систему, что позволяет проанализировать влияние различных факторов на эффективность процесса ликвидации ЧС

2 Научная новизна разработанного комплекса моделей заключается в описании действий ФП и развития ЧС с помощью нелинейных дифференциальных уравнений с чистым запаздыванием, отражающих динамику процессов БП ЧС с учетом наносимого ущерба, возможности возникновения угроз и инерционности системы распределения ресурсов

3 Научная новизна структуры ИСППР заключается в том, что в ней на основе динамических моделей и системы моделирования, построенной на их базе, сформирован канал, позволяющий формировать управленческие решения по темпу ликвидации ЧС с учетом темпа доставки ресурсов и давать оценку последствий от управленческих ошибок

Практическая значимость и реализация результатов работы

Практическую ценность представляют'

1 Система моделирования процессов оперативного управления ликвидацией ЧС для оценки эффективности действий ФП

2 Программное обеспечение, реализующее некоторые задачи моделирования процессов оперативного управления ликвидацией БП ЧС, позволяющее повысить качество и оперативность принимаемых решений по ликвидации ЧС.

3. Результаты моделирования процесса ликвидации БП ЧС при различных структурах взаимодействия ФП.

Полученные результаты в виде концепции, моделей и алгоритмов внедрены в Научно исследовательском институте безопасности жизнедеятельности Республики Башкортостан (ПИИ БЖД РБ)

Связь темы исследования с научными программами

Работа выполнена в период 2000-2004 г г. на кафедре технической кибернетики Уфимского государственного авиационного технического университета в рамках Федеральной целевой программы "Интеграция" и хоздоговорной работы с Научно-исследовательским институтом безопасности жизнедеятельности республики Башкортостан.

Результаты, выносимые на защиту

1 Системная модель процессов ликвидации БП ЧС.

2 Динамические модели и структуры системы оперативного управления в ЧС, включая:

- модель действий функционального подразделения (ФП) по выполнению работ по ликвидации ЧС,

- модель развития ЧС и модель наносимого ущерба,

- модель планирования темпов расхода ресурсов между ФП;

- модель ликвидации динамически развивающейся однооочаговой ЧС одним ФП;

- модель согласованного взаимодействия двух-трех ФП при ликвидации двухочаговой ЧС.

3 Структура информационной системы поддержки принятия решения при управлении в ЧС на основе разработанных динамических моделей

4 Программное обеспечение, реализующее разработанные модели и структуры.

5 Результаты моделирования предложенных структур СОУ с целью анализа эффективности выполнения ФП работ по ликвидации ЧС

Апробация работы

Основные теоретические и практические результаты работ докладыва-

лись на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах

- II Всероссийская научно-практическая конференция "Проблемы прогнозирования, предотвращения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций", Уфа, 2001.

- III Международный симпозиум "Компьютерные науки и информационные технологии", г Уфа, 2001

- III Международная конференция "Проблемы управления и моделирования в сложных системах", Самара, 2001.

- Международная молодежная конференция "Интеллектуальные системы управления и обработки информации", Уфа, 2001.

- III Всероссийская научно-практическая конференция "Проблемы прогнозирования, предотвращения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций", Уфа, 2002.

- VIIl-международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, элекггротехника и энергетика", Москва, 2002

- IV Международная конференция "Проблемы управления и моделирования в сложных системах", Самара, 2002

- VI Международная научно-практическая конференция "Системный анализ в проектировании и управлении", Санкт Петербург, 2002

- V Международный симпозиум "Компьютерные науки и информационные технологии", г.Уфа, 2003

- I Всероссийская научно-техническая конференция "Мехатроника, Автоматизация, Управление", Владимир, 2004

Структура работы

Работа включает введение, 4 главы основного материала и библиографический список.

Работа без библиографического списка изложена на 147 страницах машинописного текста Библиографический список включает 120 наименований

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, определены новизна и практическая значимость работы.

Первая глава посвящена анализу существующих подходов к моделированию ЧС и существующих информационных систем для предупреждения и ликвидации ЧС Показано, что целесообразно для построения динамических моделей ликвидации ЧС представлять их в виде множества взаимосвязанных и взаимодействующих подсистем (агентов), имеющих собственные локальные цели и функции, которые реализуются собственными информационно-управляющими системами Такие модели с точки зрения отражения сущности наиболее адекватно описывают сложные ситуации, характерные для ЧС

Анализ существующих информационных систем для предупреждения и ликвидации ЧС, показал, что они, обеспечивая информацией о принятии не-

обходимых мер, не отражают динамику анализа изменяющейся ситуации, принятия и исполнения управленческих решений при ликвидации БП ЧС, а также не оценивают последствия от принимаемых решений

Рассмотрены подходы к классификации ЧС. Выделен класс быстропро-текающих (БП) ЧС, для которых характерно естественное ограничение скорости нарастания и распространения, которых ограничена, что создает резерв времени на принятие управленческого решения и его реализацию в виде целенаправленного воздействия на ЧС с целью ее ликвидации или снижения наносимого ущерба Примерами БП пагубных процессов, создающих ЧС, могут служить: пожары (лесные, локальные на замкнутых территориях), наводнения, извержение вулкана, засуха, эпидемии, утечки газа, нефти, отравляющих веществ и др.

Разработаны общие требования к построению моделей системы оперативного управления в ЧС как динамическим объектом управления. На основе проведенного анализа существующих подходов и систем поддержки принятия решений в ЧС сформулированы цель и задачи исследований

Во второй главе на основе системных принципов предложена модель системной организации процесса планирования ликвидации ЧС, которая позволяет охватить и объединить в единую систему все виды деятельности человека, связанные с этими процессами

Модель системной организации представляет собой множество взаимосвязанных отдельных подсистем, каждая из которых графически изображается в виде триады - графа с тремя вершинами Каждой вершине соответствует определенное множество объектов, а ребрам соответствуют отношения между этими объектами С помощью предложенной системной модели можно провести системный анализ по оценке эффективности выбранного пути к достижению поставленной цели, т е , ликвидации ЧС

Рассмотрены общие характеристики БП ЧС Несмотря на большое количество разных типов БП ЧС на абстрактном уровне можно выделить инвариантную часть этих процессов Выделенные инвариантные свойства позволяют создать абстрактную модель БП ЧС

Разработана структурная модель абстрактной БП ЧС, которая представлена в виде взаимодействия шести подсистем (агентов) в процессе ликвидации ЧС' охранного объекта, окружающей среды, опасного объекта, системы оперативного управления, информационной и исполнительной подсистем Взаимодействие подсистем (агентов) описано в виде дифференциальных уравнений Показана возможность построения динамической модели развития ЧС на абстрактном виртуальном уровне Этот класс моделей может быть использован для построения структуры и алгоритмов системы оперативного управления абстрактными ЧС, которые косвенно отражают динамические свойства конкретных ЧС как объектов управления.

В третьей главе разработаны модели и организационно-функциональные структуры систем управления ликвидацией ЧС При формировании оргструктуры системы оперативного управления (СОУ) ликвида-

цией ЧС предложено использовать сочетание мультиагентной и функнио-нально-технологической концепций

Мультиагентная концепция применяется к организации системы Согласно мультиагентной концепции организации любая сложная система представляется в виде множества взаимосвязанных и взаимодействующих агентов как активных элементов, имеющих свои локальные цели и ресурсы, которые со1ласованы с глобальной целью системы и располагаемыми ресурсами В мультиагентной организации реализуется принцип деценгрализован-ного управления Центр осуществляет координацию деятельности агентов

ЧС рассматривается как организационный объект управления, для перевода которого из текущего в более благоприятное состояние требуется осуществление ряда организационных мер в виде выполнения (производства) некоторого объема работ с требуемым темпом

Функционально - технологический подход нацеливает агентов на выполнение работ по ликвидации ЧС Здесь процесс ликвидации ЧС рассматривается как некоторый управляемый производственный процесс, при этом считается, что выполнение полного объема работ обеспечивает достижение поставленной цели Для производства этих работ требуется некоторый объем ресурсов

Сочетание мультиагентной и функционально - технологической концепций организации управления в ЧС позволяет создать высокоэффективную систему оперативного управления. На рис 1 показана системная модель ликвидации ЧС на основе сочетания мультиагентной и функционально - технологической концепций в виде пирамиды, составленной из множества триад Для построения системной модели были выделены 7 основных элементов

2- множество целей, связанных с ликвидацией БП ЧС,

А - множество агентов, участвующих в ликвидации ЧС,

Н($1г8) - множество связей между агентами, образующих множество оргструктур,

F - множество функций, выполняемых агентами в рамках образованных оргструктур,

Я - множество ресурсов, предназначенных для ликвидации ЧС, V - множество объемов работ, необходимых для ликвидации ЧС, 7д - множество технологий выполнения работ по ликвидации ЧС. модель системы ликвидации ЧС 5={2,ДН,/•',}{V,/х}, основанную на 35 триадах, которые в совокупности охватывают все множество организационных проблем, связанных с ликвидацией БП ЧС

Рис 1 - Системная модель ликвидации ЧС

Эти элементы образуют

J

Далее перейдем от рассмотрения оргструктуры СОУ ЧС к построению математических моделей ее элементов Одним из важнейших элементов в этой структуре является функциональное подразделение (ФП) как активный производственный агент системы При этом ФП является самоуправляемым агентом, т.е самостоятельно формирует, исполняет и контролирует свои действия по реализации ресурсов, направленных на выполнение намеченного объема работ по ликвидации ЧС. Здесь процесс ликвидации ЧС как объект управления трансформирован в некоторое производство объема работ, после выполнения которого ЧС должна перейти в желаемую ситуацию Само ФП как автономный самоуправляемый агент представляет собой оргсистему управления, состоящую из таких агентов (элементов) как планирующий, прямого управления, управляющий, исполняющий, анализирующий и информирующий.

При построении динамической модели активного агента сделаны следующие допущения:

1) процесс выполнения объема работ считается непрерывным и его динамика может быть описана дифференциальными уравнениями,

2) характер выполняемых работ может быть разнотипным, неоднородным, т е параметры и характеристики исполнительного агента могут меняться в процессе функционирования в широком диапазоне,

3) на малом отрезке времени параметры исполнительного агента как объекта управления считаются неизменными,

4) за технологическую подготовку фронта работ и за готовность технических и транспортных средств отвечают другие ФП, действиями которых руководит Штаб по ЧС

ФП строит свое управление таким образом, чтобы к заданному сроку выполнить намеченный (запланированный) объем работ, например, путем поддержания определенного темпа выполнения работ

Рис 2 - Динамическая модель действий ФП как самоуправляемого агента

Здесь через И,, Щ обозначены плановый, фактический и дополнительный темпы расхода ресурсов.

Если бы агенты системы не обладали бы инерционными свойствами, а сама система не испытывала бы возмущения /,(/) со стороны внешней среды, то намеченный объем работ осуществлялся бы строго по плану, I е К =К°(') ПРИ плановом расходе ресурсов /?,°(/) Однако в силу указанных причин всегда существует некоторое отклонение £\,,(0 между плановым и

текущим объемом работ Поэтому в СОУ существует канал обратной связи, в котором управляющий элемент корректирует плановый расход ресурсов в функции от отклонения £„(0 с целью сохранения равенства У = У"(1) Отметим, что планирующий элемент (агент) формирует плановый объем работ а исполнительный элемент (агент), расходуя ресурсы, формирует темп к (0 выполнения работ, а следовательно, и объем выполнения работ У, (Л), направленный на изменение состояния ЧС

Динамическая модель исполнительного агента как объекта управления

к (Т 5 + ] 1

описана в виде передаточной функции № 0 (5) = 01 1-- е" ■ *

^ I)

Здесь 7*0, - постоянная времени, которая отражает инерционность перехода от одного темпа выполнения работ к другому;

т- постоянная времени, которая отражает такие характеристики деятельности исполнительного агента как уровень профессионализма ликвидаторов, использования современных технологий и высокопроизводительного оборудования, уровень организации работ,

г>- чистое запаздывание во времени, связанное с временными '«тратами на анализ сложившийся ситуации, характера и эффективности выполняемых работ, на передислокацию людей и техники внутри локальной зоны, кш - коэффициент, отражающий влияние темпов расхода ресурсов на выполнение работ,

Динамическая модель управляющего агента в форме передаточной

А„(Г„5 + 1) , функции имеет вид' IV „{л) =--- е '

Г ,, V + 1

где к у, • коэффициент, характеризующий чувствительность УЭ к отклонениям £•„, или ещ и пропорционально которому формируется корректирующий темп ДЛ, расхода ресурсов

Динамический процесс оперативного планирования в общем случае отражает передаточная функция вида, уу _ к»> <-тш5 + ')

г,,* + 1

В этих моделях учтены динамические параметры агентов, входящих в состав ФП и отражающие такие их свойства как инерционность действий, уровень профессионализма, наличие чистого запаздывания в принятии решения, эффективность использования собственных ресурсов

В работе предложены алгоритмы распределения ресурсов между ФП Пусть в ликвидации ЧС участвуют п ФП Эффективность деятельности 1-го подразделения определяется некоторой функцией Д (г,)

гI - ресурсы, которые необходимы 1-му ФП при которых достигается

п __п

максимальная эффективность ^¡5 (г,) тах»' = 1>/г ПРИ Условии Я ^

/=1 ' <-1 где Я- располагаемый ресурс Центра

В линейном случае, когда р =х.г, где л, = максимальное зна-

дг,

п

чение эффективности £ Л г, гпах достигается нри Я,, когда ресурсы распределяются равномерно между всеми ФП при условии, что они рабогают все с одинаковой эффективностью, т е = Л1 = Л2 = = Д„ и г, = = =г„-г0

В реальности ФП работают не с одинаковой эффективностью Рассмотрим в общем случае задачу распределения ресурса между п Ф11.

Через 2, обозначим заявку ¡-го ФП на ресурсы Если «явок подано

больше, чем имеется ресурсов. и заявки ФП ограничены

0<г, <Л = 1, в этом случае используется алгоритм (механизм) пропорционально! о распределения г, = ж, (г,,гг, :„) = —=

Ьк

к=\

Механизм распределения х() определяет Центр Рассмотрены следующие механизмы распределения ресурсов

- неманипулируемый механизм,

- приоритетный механизм (механизм прямых приоритетов, механизм абсолютных приоритетов, механизм обратных приоритетов)

В различных ЧС могут использоваться различные механизмы распределения ресурсов.

В четвертой главе осуществляется исследование процессов оперативного управления ликвидацией ЧС методом моделирования

Цель моделирования в данном исследовании - это имитация в динамике процессов ликвидации БП ЧС при действии управляющих факторов в виде выполнения работ по ликвидации ЧС

Предложена нелинейная модель ликвидации БП ЧС одним ФП Здесь учитывается инерционность, профессиональный уровень и запаздывание как агентов-ликвидаторов, так и агентов, отвечающих за принятие решения Исследованы ее динамические свойства и различные структуры СОУ процессом ликвидации БП ЧС

В схеме на рис 3 представлена модель ликвидации БГ1 ЧС, которая состоит из четырех подсистем

Первая подсистема моделирует БП ЧС, которая представлена в виде интегрирующего звена, охваченного неединичной обратной связью а |, величина и знак которой отражает особенности развития конкретной ЧС Такая модель качественно правильно отражает этот процесс, так как при действии благоприятных для ЧС факторов параметр состояния ЧС (площадь поражения и т д ) возрастает, а при действии сдерживающих факторов (ликвидационных мер) этот показатель снижается

Вторая подсистема моделирует производственный процесс выполнения функциональным подразделением требуемого объема работ по ликвидации

ЧС. Следует отметить, что здесь имеет место ограничение мощности темпов используемых ресурсов ФП для ликвидации ЧС

Третья подсистема оценивает величину наносимого ущерба Величина наносимого ущерба измеряется в относительных единицах, и ее максимальное значение может быть определено априори

Четвертая подсистема учитывает инерционность доставки ресурсов в зону действия ФП

Отметим, что здесь время I есть величина относительная, безразмерная

г „

и равная I = —, где Т - единица измерения временного интервала, характерная для каждой конкретной ЧС и выраженная либо в минутах, либо в часах, либо в сутках и т п., г - физическое время

В модели введены следующие обозначения-а 2 - параметр прямого ущерба, наносимого в результате ЧС, р ^ - параметр, характеризующий эффективность управляющих воздействий на уменьшение ущерба.

/?4,/?5 - параметры, несущие информацию о темпе нарастания ущерба, о темпе развития ЧС соответственно,

Р! - параметр, характеризующий эффективность управляющих воздействий на процесс ликвидации ЧС,

/"[(/) -внешние факторы, как способствующие, гак и тормозящие ЧС, х0 - фактор, явившийся причиной возникновения ЧС. Исследовались следующие структуры СОУ'

1) без использования информации о развитии ЧС и наносимом ущербе,

2) при уменьшении эффективности работ,

3) при нарастании темпа развития ЧС,

4) при увеличении чистого запаздывания в работе агентов ФП,

5) при учете ограничений по темпу выполнения работ,

6) при управлении деятельностью ФП по комбинированной схеме,

7) с использованием информации о развитии ЧС и наносимом ущербе

8) с использованием информации о развитии ЧС, наносимом ущербе, скорости развития ЧС и скорости увеличения наносимого ущерба

Для всех перечисленных структур получены переходные процессы

Показано, что наиболее эффективной является структура СОУ ФП, построенная по комбинированной схеме и использующая информацию об изменении параметра ЧС, наносимого ущерба и их скорости (рис 4)

а) б)

Рис 4 - Переходные процессы по ликвидации ЧС' а) изменение показателя ЧС в процессе ликвидации, б) изменение ущерба

Таким образом, предложенная модель представлена в виде множества взаимосвязанных и взаимодействующих подсистем и отражает динамику действий ФП по ликвидации БП ЧС, позволяет оценить темп и время ликвидации ЧС, объем выполненных работ по ликвидации ЧС и нанесенный ущерб

Рассмотрено взаимодействие нескольких ФП при ликвидации двухоча-говой БП ЧС Оказание помощи одним ФП другому строится на разных принципах Первое ФП оказывает помощь второму ФП в случае.

1) если степень угрозы в зоне работы второго подразделения выше, чем в зоне первого ФП,

2) если второе ФП резко снизило темпы выполнения работ из-за незапланированных потерь ресурсов, увеличения темпа нарастания ЧС и т д ,

3) если у второго ФП резко увеличился объем выполняемых работ из-за изменения характера развития ЧС,

4) если эффективность работы второго ФП низка по каким-то причинам

Предложены различные алгоритмы и структуры систем управления ликвидацией двухочаговой ЧС, отличающиеся принципами организационного взаимодействия.

Исследования проводились в следующем направлении'

1) рассмотрено взаимодействие двух ФП при автономном функционировании (т е два ФП выполняют работу по ликвидации двухочаговой ЧС, не оказывая помощи друг другу),

2) рассмотрено согласованное взаимодействие двух ФП (когда первое ФП оказывает помощь второму ФП),

3) рассмотрено взаимодействие трех ФП (рис.5)

Рис 5 - Структура модели ликвидации двухочаговой ЧС тремя ФП

а) б) в)

Рис 6 - Переходные процессы по ликвидации двухочаговой ЧС тремя ФП а) изменение показателя ЧС| и ЧСт; б) изменение ущерба и СЬ, в) суммарный ущерб от ЧС

Предложенные модели позволяют описывать динамику развития и ликвидации двухочаговой ЧС несколькими ФП

Разработана система имитационного моделирования (СИМ) в среде МАТ1АВ, которая позволяет моделировать динамические процессы ликвидации БП ЧС путем принятия решений по управлению темпами работ

СИМ предназначена для использования в качестве исследовательской системы для анализа динамических свойств ЧС и ФП, выполняющих ее ликвидацию, оценки площади распространения ЧС, объема выполненных работ по ликвидации СИМ позволяет оценить изменение показателя ущерба во времени и суммарный ущерб от ЧС Также в качестве выходного параметра, характеризующего ситуацию, может рассматриваться площадь распространения ЧС, геометрические размеры которой условно характеризуют масштаб распространения ЧС Такой подход соответствует реальности, например площади пожара, площади отравляющих веществ или площади загрязнения почв, водоемов и т д СИМ обеспечивает- ввод и настройку данных,

- моделирование процессов развития ЧС, действий ФП по выполнению работ по ликвидации ЧС и оценки нанесенного ущерба,

- выдачу результатов в виде графиков или файлов данных,

- проведение экспериментальных исследований

В параметрах СИМ задается метод расчета, период моделирования, который может иметь как любую продолжительность, так и таг моделирования, а также ряд других параметров

Для визуализации процесса распространения ЧС на плоскости осуществляется расслоение параметра X (параметр, характеризующий интенсивность ЧС) на множество Д(х,у) точек, движущихся по лучу и принадлежащих фронту распространения ЧС Визуализация процесса распространения ЧС отражает качественную сторону процессов распространения и ликвидации ЧС Перспективным представляется интеграция данного подхода с ГИС технологиями.

СИМ может использоваться для обучения и тренировки специалистов, участвующих в ликвидации ЧС, и для расширения знаний и опыта

Предложено в существующей информационной системе поддержки принятия решений (ИСППР) в ЧС, сформировать дополнительный канал на основе использования разработанных динамических моделей развития и ликвидации ЧС На рис 7 показана структура блока принятия управленческого решения по динамической модели в рамках существующей ИСППР в ЧС

Рис.7 - Структура блока принятия управленческого решения по динамической модели

Работа блока осуществляется следующим образом Эксперт на основе анализа располагаемых данных составляет программу исследований и выби-

рает множество интересующих его задач, которые решаются с помощью СИМ Затем проводится анализ результатов моделирования, по итогам которого могут быть уточнены программа исследований, постановка задач моделирования и результаты анализа исходных данных. По результатам моделирования проводится анализ последствий от управленческих решений Наиболее удачные решения рекомендуются эксперту для принятия решения При этом учитываются также ранее накопленные знания в виде прецедентов, которые хранятся в базе знаний

Достоинством данного подхода к формированию управленческих решений является то, что здесь учитываются динамические характеристики ФП, их организационные способности, накопленный опыт и реальные возможности по ликвидации ЧС.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертационной работе получены следующие научные и практические результаты.

1 В работе предложены две системные модели.

- системная модель организации планирования процесса ликвидации БП ЧС, которая представлена в виде множества последовательно связанных триад, реализация которых позволяет перевести ЧС в желаемую ситуацию

- системная модель ликвидации БП ЧС, построенная на основе интеграции мультиагентной и функционально-технологической концепции организации управления.

Использование данной модели позволяет построить высокоэффективную гибкую СОУ, которая планирует и координирует деятельность множества ФП как агентов, направленную на выполнение намеченного объема работ с требуемыми темпами. Объединение всех оронизационных и технологических этапов в единую систему позволяет проанализировать влияние различных факторов на эффективность процесса ликвидации ЧС и выявить априори множество возникающих организационных проблем

2 Разработаны динамические модели и структуры системы оперативного управления в ЧС, включая:

- структуру и модели действий ФП по выполнению работ по ликвидации БП ЧС как самоуправляемых агентов с учетом их динамических свойств, уровня профессионализма, психологического состояния, чистого запаздывания и инерционности в действиях;

- модель развития ЧС, представленную в виде интегрирующего звена, охваченного неединичной обратной связью, величина и знак которой огража-ет особенности развития конкретной ЧС,

- модель наносимого ущерба, которая интегрально отражает особенности развития ЧС и динамику работ по ее ликвидации,

- модель планирования распределения темпов расхода ресурсов между ФП, которая учитывает различные механизмы распределения и динамику доставки ресурсов;

- структуру и модель ликвидации БП однооочаговой ЧС одним ФП Исследованы ее динамические свойства Предложены различные структуры СОУ ликвидацией ЧС одним ФП Показано, что наиболее эффективной является структура СОУ ФП, построенная по комбинированной схеме и использующая информацию об изменении параметра ЧС, наносимого ущерба и их скорости;

- модель согласованного взаимодействия нескольких ФП при ликвидации двухочаговой ЧС Предложены различные алгоритмы и структуры систем управления ликвидацией двухочаговой ЧС, отличающиеся принципами организационного взаимодействия

Разработанные модели описаны в виде дифференциальных уравнений и представлены в виде множества взаимосвязанных и взаимодействующих подсистем (агентов), имеющих собственные локальные цели и функции Разработанные модели и структуры отражают динамику действий ФП по ликвидации БП ЧС, позволяют оценить темп и время ликвидации ЧС, объем выполненных работ по ликвидации ЧС и нанесенный ущерб.

3 Предложена структура информационной системы поддержки принятия решения в ЧС В структуре ИСППР в ЧС на основе динамических моделей и системы моделирования, построенной на их базе, предложен дополнительный канал, позволяющий формировать управленческие решения по ликвидации ЧС и давать оценку последствий от ошибок

4 Разработано программное обеспечение в виде системы имитационного моделирования в среде МАТ1.АВ Система имитационного моделирования позволяет моделировать динамические процессы ликвидации ЧС путем принятия решений по управлению темпами работ.

5 Проведены экспериментальные исследования предложенных структур систем оперативного управления с целью анализа эффективности выполнения работ по ликвидации ЧС Показано, что при рациональном распределении ресурсов и правильной организацией взаимодействия между ФП можно достичь желаемых результатов по ликвидации ЧС.

Разработанные модели и программное обеспечение могут быть использованы специалистами в области ликвидации ЧС для проведения экспериментальных исследований процесса ликвидации БП ЧС, а также для расширения знаний и приобретения дополнительного опыта в этой области

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

1 Ямалов И.У., Ильясов Б.Г., Бежаева (Ананьева) О.Я, Динамическая модель системы оперативного управления в условиях быстропротекаю-щих ЧС // Проблемы прогнозирования, предотвращения и ликвидации последствий ЧС Матер конф Уфа НИИБЖД РБ, 2001 С 144-146

2 Ямалов И.У., Ильясов Б.Г., Бежаева (Ананьева) О.Я. Модель организационно - функциональной системы оперативного управления процессом ликвидации последствий ЧС // Проблемы прогнозирования, предотвращения и ликвидации последствий ЧС Матер конф Уфа. НИИБЖД РБ, 2001 С.147-149.

3 Ямалов И.У., Бежаева (Ананьева) О.Я. Концепция построения системы мониторинга действий при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций // Проблемы управления и моделирования в сложных системах Тр 3-й Междунар конф Самара. Самарск. науч. центр РАН, 2001. С 404-409.

4. Ямалов И.У., Ильясов Б.Г., Бежаева (Ананьева). О.Я. Виртуальная система ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций // Компьютерные науки и информационные технологии Тр Междунар конф Уфа УГАТУ, 2001. С. 287-289. (Статья на англ.яз)

5. Бежаева О.Я. Динамическая модель распределения ресурсов при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций // Интеллектуальные системы управления и обработки информации- Матер. Междунар науч.-техн конф. Уфа: УГАТУ, 2001. С. 116.

6. Ямалов И.У., Ильясов Б.Г., Бежаева О.Я. Управление ликвидацией многоочаговых чрезвычайных ситуаций путем перераспределения ресурсов // Проблемы прогнозирования, предотвращения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций-Матер конф.Уфа НИИБЖД РБ, 2002 С. 141-143

7 Бежаева О.Я. Мультиагентный подход к построению системы оперативного управления в чрезвычайных ситуациях // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика Матер. Междунар конф. М. МЭИ, 2002 С. 449-450. (На англ яз)

8 Ямалов И.У., Ильясов Б.Г., Бежаева О.Я. Система моделирования процессов ликвидации динамически развивающихся чрезвычайных ситуаций // Вопросы управления и проектирования в информационных и кибернетических системах Межвуз науч сб Уфа- УГАТУ, 2002 С 176-184.

9 Ямалов И.У., Ильясов Б.Г., Бежаева О.Я. Моделирование процессов ликвидации динамически развивающихся чрезвычайных ситуаций // Проблемы управления и моделирования в сложных системах- Тр 4-й Междунар конф Самара Самарск науч. центр РАН, 2002 С.311-315.

10 Ямалов И.У., Ильясов Б.Г., Бежаева О.Я. Системы поддержки принятия решений в чрезвычайных ситуациях // Системный анализ в проектировании и управлении- Тр Междунар. конф СПб' СПбГПУ, 2002 С 142-144

11 Ямалов И.У., Ильясов Б.Г., Бежаева О.Я Интеллектуальное управление в чрезвычайных ситуациях // Компьютерные науки и информационные технологии- Тр Междунар конф Уфа- УГАТУ, 2003. С 234-237 (Статья на англ яз )

12 Ямалов И.У., Бежаева О.Я. Математическое моделирование ликвидации динамически развивающихся чрезвычайных ситуаций // Мехатроника, Автоматизация, Управление Матер Междунар конф. Владимир, 2004 С

234-237

Диссертант

Бежаева О Я.

БЕЖАЕВА Оксана Яковлевна

ОПЕРАТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ЛИКВИДАЦИИ БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ НА ОСНОВЕ ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 17.11.04. Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 1,0. Усл. кр.-отт. 0,9. Уч.-изд. л. 0,9. Тираж 100 экз. Заказ № 636

Уфимский государственный авиационный технический университе г Центр оперативной полиграфии УГАТУ 450000, Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12

РНБ Русский фонд

2006-4 1277

/ - -е

к

(

/

*

>

19 НОЯ 2004

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ УПРАВЛЕНИЯ В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ

СИТУАЦИЯХ.

ликвидацией быстропротекающих ЧС. 11

§1.2 Анализ подходов к моделированию ЧС. 15

§1.3 Анализ существующих информационных систем поддержки принятия решения в условиях ЧС. 19

§ 1.4 Классификация ЧС и общие требования к моделям СОУ ликвидацией ЧС. 28

§1.5 Цели и задачи исследований. 32

Выводы по главе 1. 35

ГЛАВА 2. МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ ЛИКВИДАЦИИ

БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ. 31

§2.1 Подходы и принципы формирования СОУ в ЧС. 37

§ 2.2 Модель системной организации процесса предупреждения, управления ликвидацией ЧС. 44

§2.3 Общая характеристика быстропротекающей ЧС. 48

§ 2.4 Динамическая модель ликвидации абстрактной быстропротекающей ЧС. 51

Выводы по главе 2. 57

ГЛАВА 3 МОДЕЛИ И ОРГАНИЗАЦИОННО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ

СТРУКТУРЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЛИКВИДАЦИЕЙ ЧС. 58

§3.1 Организационно - функциональная структура системы оперативного управления в ЧС. 58

§ 3.2 Управление ликвидацией БП ЧС на основе сценариев и когнитивных карт.69

§3.3 Динамическая модель действий ФП как самоуправляемых агентов.78

§3.4 Модель взаимодействия Центра с функциональными подразделениями.86

Выводы по главе 3 101 ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЛИКВИДАЦИЕЙ ЧС МЕТОДОМ

МОДЕЛИРОВАНИЯ 102 §4.1 Адекватность моделей оперативного управления ликвидацией ЧС.102

§4.2 Моделирование процессов управления ликвидацией абстрактной быстропротекающей ЧС.106

§4.3 Моделирование процесса ликвидации БП ЧС одним ФП.117

§4.4 Моделирование взаимодействия нескольких ФП при ликвидации ЧС.127

§4.5 Разработка системы имитационного моделирования 134

§4.6 Структура информационной системы поддержки принятия 139 решений на основе динамических моделей

Выводы по главе 4 143

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 145

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 148

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ

Своевременная ликвидация крупномасштабных и локальных чрезвычайных ситуаций (ЧС) является одной из центральных проблем нашей цивилизации. Рост масштабов хозяйственной деятельности и бурное развитие научно-технической революции привели к росту количества масштабов, возникающих ЧС. Ежегодно во всем мире происходит огромное количество ЧС различной физической природы: техногенные ЧС, природные катаклизмы. При этом частота этих ЧС возрастает с ростом темпа производственной деятельности человека. Во многих источниках литературы приводятся данные об увеличении как количества ЧС, так и количества пострадавших и погибших людей в этих ситуациях, а также причиненного материального ущерба. По данным ЮНЕСКО, наибольший ущерб человечеству приносят природные катаклизмы и стихийные бедствия в виде землетрясений и наводнений.

ЧС сопровождается не только материальными, но и огромными людскими потерями, поэтому в условиях ЧС очень важно быстро и правильно принять решение по ликвидации последствий ЧС. Процесс принятия решений по ликвидации ЧС характеризуется недостатком времени, неполнотой и плохим качеством представления информации, необходимой для принятия решений.

В силу вышеизложенного, создание систем оперативного управления и ликвидации ЧС является весьма актуальной проблемой. Вопросам разработки данного класса систем посвящены работы многих отечественных и зарубежных исследователей, в частности работы В.В Кульбы [1,51], М.А. Шахраманьяна, С.К. Шойгу [97], Р.З. Хамитова, В.Г. Крымского, В.И. Васильева [9,10,11,12], И,У.Ямалова [101,102,70], Б.Г.Ильясова, [31,32], В.И.Ефанова, Дж.Апосталакиса, Х.Кукамото, В.Маршалла, Э.Хенли, Г.Сейвера, Ф.Лисса и др. Вопросам разработки систем поддержки принятия решений при управлении в критических ситуациях посвящены работы профессоров И.Ю. Юсупова, Н.И. Юсуповой, В.В. Миронова, Ю.М. Гусева, Л.Р.Черняховской [5]. Вопросам разработки геоинформационных моделей развития ЧС природного и техногенного характера посвящены работы профессоров С.В. Павлова [66,67,69,70], В.Е.Гвоздева [17,18,19,20]. Вопросам построения многоуровневых иерархических систем в ЧС посвящены работы профессоров В.И.Васильева и Л.Б.Уразбахтиной [91].

Однако вопросам динамического моделирования процессов оперативного управления ликвидацией ЧС уделено недостаточное внимание, что в конечном итоге снижает эффективность данных систем и как следствие снижает научную обоснованность принимаемых решений по ликвидации ЧС.

Указанные обстоятельства обуславливают актуальность сформулированной темы исследования, направленной на разработку математических моделей системы оперативного управления ликвидацией БП ЧС, алгоритмов управления в ЧС на основе динамических моделей, прикладного программного обеспечения, а также применение полученных результатов для оценки эффективности процессов ликвидации ЧС.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Целью исследований является разработка системы оперативного управления процессом ликвидации БП ЧС на основе динамических моделей, а также оценка ее эффективности методом моделирования.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработать модель системной организации процессов ликвидации БП ЧС.

2. Разработать динамические модели и структуры системы оперативного управления в ЧС, включая: структуру и модели действий функционального подразделения (ФП) по выполнению работ по ликвидации ЧС, модель развития ЧС и модель наносимого ущерба, модель планирования темпов расхода ресурсов между ФП, структуру и модель ликвидации динамически развивающейся однооочаговой ЧС одним ФП, модель согласованного взаимодействия нескольких ФП при ликвидации двухочаговой ЧС.

3. Разработать структуру информационной системы поддержки принятия решения при управлении в ЧС на основе разработанных динамических моделей, включая систему моделирования процессов ликвидации ЧС.

4. Разработать программное обеспечение, реализующее разработанные модели и структуры.

5. Провести моделирование предложенных структур СОУ с целью анализа эффективности выполнения работ по ликвидации одно- и двухочаговых ЧС.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

В работе использовались методы системного анализа, теории управления, общей теории систем, методы математического моделирования, автоматизированного проектирования информационных систем.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Научная новизна модели системного анализа процесса ликвидации ЧС заключается в объединении всех организационных и технологических этапов в единую систему, что позволяет проанализировать влияние различных факторов на эффективность процесса ликвидации ЧС.

2. Научная новизна разработанного комплекса моделей заключается в описании действий ФП и развития ЧС с помощью нелинейных дифференциальных уравнений с чистым запаздыванием, отражающих динамику процессов БП ЧС с учетом наносимого ущерба, возможности возникновения угроз и инерционности системы распределения ресурсов.

3. Научная новизна структуры ИСППР заключается в том, что в ней на основе динамических моделей и системы моделирования, построенной на их базе, сформирован канал, позволяющий формировать управленческие решения по темпу ликвидации ЧС с учетом темпа доставки ресурсов и давать оценку последствий от управленческих ошибок.

4. Научная новизна программного обеспечения определяется научной новизной разработанного комплекса моделей.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ Практическую ценность представляют:

1. Система моделирования процессов оперативного управления ликвидацией одно- и двухочаговых ЧС для оценим эффективности действий ФП.

2. Программное обеспечение, реализующее некоторые задачи моделирования процессов оперативного управления ликвидацией БП ЧС, позволяющее повысить качество и оперативность принимаемых решений по ликвидации ЧС.

3. Результаты моделирования процесса ликвидации БП ЧС при различных структурах взаимодействия ФП.

Полученные результаты в виде концепции, моделей и алгоритмов внедрены в Научно исследовательском институте безопасности жизнедеятельности Республики Башкортостан (НИИ БЖД РБ).

СВЯЗЬ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ С НАУЧНЫМИ ПРОГРАММАМИ Работа выполнена в период 2000-2004 г.г. на кафедре технической кибернетики Уфимского государственного авиационного технического университета в рамках Федеральной целевой программы "Интеграция" и хоздоговорной работы с НИИ БЖД РБ. НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ

1. Системная модель процессов ликвидации БП ЧС.

2. Динамические модели и структуры системы оперативного управления в ЧС, включая: модель действий функционального подразделения (ФП) по выполнению работ по ликвидации ЧС, модель развития ЧС и модель наносимого ущерба, модель планирования темпов расхода ресурсов между ФП, модель ликвидации динамически развивающейся однооочаговой ЧС одним ФП. модель согласованного взаимодействия двух-трех ФП при ликвидации двухочаговой ЧС.

3. Программное обеспечение, реализующее разработанные модели и структуры.

4. Структура информационной системы поддержки принятия решения при управлении в ЧС на основе разработанных динамических моделей.

5. Результаты моделирования предложенных структур СОУ с целью анализа эффективности выполнения ФП работ по ликвидации одно- и двухочаговых ЧС по критерию нанесенного ущерба.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные теоретические и практические результаты работ докладывались на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах:

1. II Всероссийская научно-практическая конференция "Проблемы прогнозирования, предотвращения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций", Уфа, 2001.

2. 3-rd International Workshop on "Computer Scince and Information Technologies" (CSIT'2001).

3. Ill Международная конференция "Проблемы управления и моделирования в сложных системах", Самара, 2001.

4. Международная молодежная научно-техническая конференция. "Интеллектуальные системы управления и обработки информации", Уфа, 2001.

5. III Всероссийская научно-практическая конференция "Проблемы прогнозирования, предотвращения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций", Уфа, 2002.

6. VIII-международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", Москва, 2002.

7. IV Международная конференция "Проблемы управления и моделирования в сложных системах", Самара, 2002.

8. VI Международная научно-практическая конференция "Системный анализ в проектировании и управлении", Санкт Петербург, 2002.

9. IV International Workshop on "Computer Science and Information Technologies" (CSIT'2003).

10.1 Всероссийская научно-техническая конференция "Мехатроника, Автоматизация, Управление", Владимир, 2004.

ПУБЛИКАЦИИ

Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 14 научных работах автора, включая 6 статей и 8 тезисов докладов на Всероссийских и международных научно-технических конференциях.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ

Работа включает введение, 4 главы основного материала, библиографический список и приложение.

Работа без библиографического списка изложена на 147 страницах машинописного текста. Библиографический список включает 120 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность зам. Министра по делам ГО и ЧС Ямалову И.У. за высококвалифицированные консультации в области ликвидации ЧС и управления в сложных системах.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4

I. Предложена модель процесса управления ликвидацией абстрактной БП ЧС. Получены условия устойчивости системы ликвидации ЧС как статически неустойчивым объектом. Показано, что без использования информации об изменении темпов наносимого ущерба принципиально невозможно обеспечить высокую эффективность ликвидации ЧС. Показано, что в зависимости от используемой рабочей информации о состоянии ЧС, о наносимом ущербе, о темпах выполнения работ и т.д. можно предложить различные структуры СОУ ликвидацией ЧС.

2. Исследованы динамические свойства модели ликвидации БП ЧС одним ФП. Предложены различные структуры СОУ ликвидацией ЧС одним ФП. Показано, что наиболее эффективной является структура СОУ ФП, построенная по комбинированной схеме и использующая информацию об изменении параметра ЧС, наносимого ущерба и их скорости (темпа). Показано, что в реальности имеет место ограничение мощности темпов используемых ресурсов ФП для ликвидации ЧС, этот фактор благоприятно сказывается на обеспечении ритмичности СОУ ликвидации ЧС в целом.

3. Рассмотрено взаимодействие нескольких ФП при ликвидации двухочаговой БП ЧС. Предложенные модели позволяют описывать динамику развития и ликвидации двухочаговой ЧС несколькими ФП. Предложены различные алгоритмы и структуры систем управления ликвидацией двухочаговой ЧС, отличающиеся принципами организационного взаимодействия.

4. Разработана система имитационного моделирования в среде MATLAB, которая позволяет моделировать динамические процессы ликвидации БП ЧС путем принятия решений по управлению темпами работ при различных структурах СОУ.

5. Предложена структура интеллектуальной системы поддержки принятия управленческого решения, которая позволяет избежать возможных грубых ошибок, связанных с динамикой развития ЧС, и сформулировать наиболее эффективное решение в данной ситуации с учетом имеющегося опыта и знаний о ЧС и их способах ликвидации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе в результате проведенных исследований показано, что задача анализа поведения управляемых сложных систем в условиях неопределенности, характерных для ЧС, относится к категории трудноформализуемых задач, а поэтому одним из основных методов исследования является метод математического моделирования.

В диссертационной работе получены следующие научные и практические результаты:

1. В работе предложены две системные модели:

- системная модель организации планирования процесса ликвидации БП ЧС,

- системная модель ликвидации БП ЧС.

Первая из них представлена в виде множества последовательно связанных триад, реализация которых позволяет перевести ЧС в желаемую ситуацию.

Вторая модель построена на основе интеграции мультиагентной и функционально-технологической концепции организации управления.

Использование данной модели позволяет построить высокоэффективную гибкую СОУ, которая планирует и координирует деятельность множества ФП как агентов, направленную на выполнение намеченного объема работ с требуемыми темпами. Объединение всех организационных и технологических этапов в единую систему позволяет проанализировать влияние различных факторов на эффективность процесса ликвидации ЧС и выявить априори множество возникающих организационных проблем.

2. Разработаны динамические модели и структуры системы оперативного управления в ЧС, включая:

- структуру и модели действий ФП по выполнению работ по ликвидации БП ЧС как самоуправляемых агентов с учетом их динамических свойств, уровня профессионализма, психологического состояния, чистого запаздывания и инерционности в действиях;

- модель развития ЧС, представленную в виде интегрирующего звена, охваченного неединичной обратной связью, величина и знак которой отражает особенности развития конкретной ЧС;

- модель наносимого ущерба, которая интегрально отражает особенности развития ЧС и динамику работ по ее ликвидации;

- модель планирования распределения темпов расхода ресурсов между ФП, которая учитывает различные механизмы распределения и динамику доставки ресурсов;

- структуру и модель ликвидации БП однооочаговой ЧС одним ФП;

Исследованы ее динамические свойства. Предложены различные структуры СОУ ликвидацией ЧС одним ФП. Показано, что наиболее эффективной является структура СОУ ФП, построенная по комбинированной схеме и использующая информацию об изменении параметра ЧС, наносимого ущерба и их скорости (темпа).

- модель согласованного взаимодействия нескольких ФП при ликвидации двухочаговой ЧС. Предложены различные алгоритмы и структуры систем управления ликвидацией двухочаговой ЧС, отличающиеся принципами организационного взаимодействия.

Разработанные модели описаны в виде дифференциальных уравнений и представлены в виде множества взаимосвязанных и взаимодействующих подсистем (агентов), имеющих собственные локальные цели и функции.

Разработанные модели и структуры отражают динамику действий ФП по ликвидации БП ЧС, позволяют оценить темп и время ликвидации ЧС, объем выполненных работ по ликвидации ЧС и нанесенный ущерб.

3. Предложена структура информационной системы поддержки принятия решения в ЧС.

4. В структуре ИСППР в ЧС на основе динамических моделей и системы моделирования, построенной на их базе, предложен дополнительный канал, позволяющий формировать управленческие решения по ликвидации ЧС и давать оценку последствий от ошибок.

5. Разработано программное обеспечение, в виде системы имитационного моделирования в среде MATLAB.

Система имитационного моделирования позволяет моделировать динамические процессы ликвидации БП ЧС путем принятия решений по управлению темпами работ при различных структурах СОУ.

6. Проведены экспериментальные исследования предложенных структур систем оперативного управления с целью анализа эффективности выполнения работ по ликвидации одно- и двухочаговых ЧС по критерию нанесенного ущерба. Показано, что при рациональном распределении ресурсов между ФП и правильной организации взаимодействия между ФП можно достичь желаемых результатов по ликвидации ЧС.

Разработанные модели и программное обеспечение могут быть использованы специалистами в области ликвидации ЧС для проведения экспериментальных исследований процесса ликвидации БП ЧС, а также для расширения знаний и приобретения дополнительного опыта в этой области.

1. Архипова Н.И., Кульба В.В. Управление в чрезвычайных ситуациях. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Рос. гос. гуманит. ун-т, 1998. 316с.

2. Ахметова Ф.Н., Десяткина О.А., Чечулин А.Ю. Информационное обеспечение мероприятий по снижению риска для населения г.Уфы от чрезвычайных ситуаций техногенного характера //Башкирский экологический вестник №1(8), Уфа,2000 С.51-53.

3. Бесекерский В.А. Динамический синтез систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1970. - 576 с.

4. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления.-М.: Наука, 1976.-767 с.

5. Бадамшин Р.А., Ильясов Б.Г., Черняховская Л.Р. Проблемы управления сложными динамическими объектами в критических ситуациях на основе знаний.- М: Машиностроение, 2003. 239с.

6. Бугров Я.С., Никольский С.М. Высшая математика. Дифференциальные уравнения, кратные интегралы, ряды, функции комплексного переменного: Учеб. Издание, М.: Наука, 1989г. 464с.

7. Бурков В.Н., Новиков Д.А. Как управлять проектами. Научно-практическое издание. Серия "Информатизация России на пороге XXI века" М.:СИНТЕГ-ГЕО. 1997г.- 188с

8. Бурков В.Н., Ириков В.А. Модели и методы управления организационными системами. М.: Наука, 1994. - 269 с.

9. Васильев В.И., Гусев Ю.М., Ефанов В.Н. и др. Многоуровневое управление динамическими объектами. М.: Наука, 1987. - 309 с.

10. Васильев В.И., Ильясов Б.Г. Интеллектуальные системы управления с использованием нечеткой логики: Учеб. пособие. Уфа: Изд. УГАТУ, 1995. - 80 с.

11. Н.Воробьев Ю.Л. и др. Катастрофы и человек. Книга 1. Российский опыт противодействия чрезвычайным ситуациям //Под ред. Воробьева Ю.Л. М.: АСТ-ЛТД, 1997. - 256 с.

12. Воронов А.А., Титов В.К., Новогранов Б.Н. Основы теории автоматического регулирования и управления: Учеб. пособие. М.: Высшая школа, 1977,- 519с.

13. Воронов А.А. Введение в динамику сложных управляемых систем. -М.: Наука. Гл.ред. физ-мат лит-ры, 1975. -352 с.

14. Гультяев А.К. MATLAB 5.2. Имитационное моделирование в среде Windows: Практическое пособие. СПб.: КОРОНА принт, 1999.-288 с.

15. Дорф Р. Бишоп Р. Современные системы управления/ Пер. с англ. Б.И. Копылева.-М.Лаборатория Базовых Знаний, 2002. 832 е.: ил.

16. Дьяконов В.П., Simulink 4: Специальный справочник. -СПб: Питер,2002-528 е.: ил.

17. Ильясов Б.Г., Исмагилова JI.A. и др. Методология моделирования и анализа устойчивости функционирования региональных систем // Труды II международной конференции: "Проблемы управления и моделирования в сложных системах" Самара, 2000. - С. 310-316.

18. Ильясов Б.Г., Ямалов И.У., Бежаева О.Я. Моделирование процессов ликвидации динамически развивающихся чрезвычайных ситуаций. //Труды IV международной конференции: "Проблемы управления и моделирования в сложных системах" Самара, 2002. - С.311-315.

19. Искусственный интеллект: В 3 кн. Кн.1. Системы общения и экспертные системы: Справочник/ Под ред. Э.В.Попова.- М.:Радио и связь, 1990.- 464 с.

20. Калянов Г.Н. CASE структурный системный анализ (автоматизация и применение). М.: Лори, 1996.-242с.

21. Кини Р.Л., Райфа X. Принятие решений при многих критериях: предпочтения и замещения. Пер с англ./Под ред. И.Ф.Шахнова.-М.:Радио и связь, 1981.-560с.

22. Краснопрошина А.А., Репникова Н.Б., Ильченко А.А. Современный анализ систем управления с применением Matlab, Simulink, Control System. : Учеб. пособие. Киев, 1999. - 141 с.

23. Краснощеков П.С., Пеиров А.А. Принципы построения моделей -М: Изд-во МГУ, 1983. 264 с.

24. Косяченко С.А., Кузнецов Н.А., Кульба В.В., Шелков А.Б. Модели, методы и автоматизация управления в условиях чрезвычайных ситуаций. -Автоматика и Телемеханика., №6, 1998.СЗ-66.

25. Косариков А.Н., Козлов С.И. Виртуальный мир экологического мониторинга.- Нижний Новгород, 2000. 271с.

26. Крымский В.Г., Павлов С.В., Хамитов Р.З. Построение системы стратегического управления безопасностью населения субъекта Российской Федерации (опыт Республики Башкортостан). Уфа: Экология, 1999. - 109 с.

27. Куликов Г.Г., Набатов А.Н., Речкалов А.В. Автоматизированное проектирование информационно-управляющих систем. Системное моделирование предметной области: Учеб. пособие. Уфа: Изд. УГАТУ, 1995.-80 с.

28. Куликов Г.Г., Набатов А.Н., Речкалов А.В. и др.; Автоматизированное проектирование информационно-управляющих систем. Проектирование экспертах систем н основе системного моделирования Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. Уфа, 1999. - 223 с.

29. Куликов Г.Г., Брейкин Т.В., Арьков В.Ю. Интеллектуальные информационные системы: Учеб. пособие. Уфа: УГАТУ, 1999. - 129 с.

30. Куликов Г.Г., Куликов О.М., Ямалов И.У. Системы управления деловыми процессами и документами в управлении безопасностью и риском.-Уфа: УГАТУ, 2000. 121с

31. Куликов Г.Г., Куликов О.М., Полиенко Л.С., Ямалов И.У. Системное проектирование автоматизированных информационных систем: Учебное пособие. Уфа: Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т, 1999. - 100с.

32. Куликов О.М. Информационная поддержка принятия решений при ликвидации техногенных чрезвычайных ситуаций на основе моделирования сценариев управления: Дисс. к-та техн. наук. Уфа, 2002. - 150 с.

33. Кульба В.В., Ковалевский С.С., Кононов Д.А. и др. Проблемы обеспечения экономической безопасности сложных социально-экономических систем: Препринт. М.: ИПУ им. В.А Трапезникова РАН, 2000. - 128 с.

34. Кусимов С.Т., Ильясов Б.Г., Исмагилова JI.A., Валеева Р.Г. Интеллектуальное управление производственными системами. М: Машиностроение, 2001. - 327с.

35. Кусимов С.Т. , Ильясов Б.Г. , Васильев В.И. и др. Управление динамическими системами в условиях неопределенности. М.: Наука, 1998. - 452 с.

36. Лапко А.В., Ченцов СВ. Многоуровневые непараметрические системы принятия решений. Новосибирск: Наука, 1997. - 192 с.

37. Лотов А. В. Современные средства информационной поддержки управленческих решений по снижению риска // Башкирский экологический вестник,- 2000 № 1(8).- С.58-63.

38. Математическое моделирование: Методы описания и исследования сложных систем /Под ред. А.А.Самарского, Н.И. Моисеева, А.А.Петрова -М.: Наука, 1989.

39. Максимов В.И., Корноушенко Е.К., Качаев С.В. Когнитивные технологии для поддержки принятия управленческих решений //Банковские технологии, 1999,- №5.

40. Марчук Г.И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. М.: Наука, 1982. - 320 с.

41. Машунин Ю.К. Системный анализ и принятие решений в сложных системах (на примере развития экономики региона) //Труды III международной конференции: "Проблемы управления и моделирования в сложных системах" Самара, 2001. - С. 341-347.

42. Мелихов А.Н., Бернштейн Л.С., Коровин С.Я. Ситуационные советующие модели с нечёткой логикой. М.: Наука, 1990. - 272с.

43. Мухин В.И. Методологические основы выработки управленческих решений о предупреждении и ликвидации чрезвычайных ситуаций / Курс лекций. Новогорск, 1997. - 240 с.

44. Ноженкова Л.Ф. Интеллектуальнные системы поддержки принятия решений по предупреждению и ликвидации ЧС. Красноярск: ИВМ СО РАН, 1998.- 112с.

45. Ноженкова Л.Ф., Терешков В.И. ЭСПЛА экспертная система по ликвидации аварий со СДЯВ // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях,- 1993-Вып. 8.-С.37-45.

46. Павлов С.В. ГИС основа современного информационного обеспечения при управлении территориально-распределенными системами. // Научные проблемы топливно-энергетического комплекса РБ: - Уфа, 1997.-С. 63-70.

47. Павлов С.В., Десяткина О.А. Информационно справочная система по защитным сооружениям на территории Республики Башкортостан // Вопросы управления и проектирования в информационных и кибернетических системах, Уфа, 2001. 208с.

48. Перегудов Ф.И., Трасенко Ф.П. Введение в системный анализ: Учебное пособие для вузов. М.: Высш. шк., 1989. - 367 с.

49. Положение о Министерстве по делам гражданской обороны и чрезвычайным ситуациям (МЧС РБ). Утверждено Указом Президента РБ № УП-136 от 02.03.1999. 27 с.

50. Прангишвили И.В. Системный подход и общественные закономерности. М.:СИНТЕГ, 2000. - 528с.

51. Поспелов Д.А. Ситуационное управление: теория и практика.-М.: Наука.-гл. ред. физ.-мат. лит., 1986.-288с.

52. Попов Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит-ры, 1979. -256 с.

53. Потемкин В.Г. Matlab: Справочное руководство. М.: Диалог-МИФИ. 1997.-350 с.

54. Потемкин В.Г. Система научных и инженерных расчетов Matlab 5х -М.: Диалог-МИФИ, 1999,1 т., 366 е., II т., 304 с.

55. Розенберг Г.С., Краснощеков Г.П., Крымов Ю.М. и др. Устойчивое развитие: мифы и реальность Тольятти: ИЭВБ РАН, 1998. - 191 с.

56. Рейльян Я.Р. Аналитическая основа принятия управленческих решений. М.: Финансы и статистика, 1989. - 206 с.

57. Советов Б.Я., Цехановский В.В. Автоматизированное управление современным предприятием. Д.: Машиностроение, 1988. - 168 с.

58. Справочник по теории автоматического управления /Под ред. Красовского А.А. М.: Наука, 1987. - 712 с.

59. Системы управления базами данных и знаний: Справ, изд./ Наумов А.Н., Вендров A.M., В.К.Иванов и др. / Под ред. А.Н.Наумова.-М.: Финансы и статистика, 1991.-352с.

60. Стрекозов В., Вовненков В. О подходах к принятию решений по обеспечению устойчивости объектов // Гражданская защита,- 1999. -№3-С.28.

61. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. М.: Высшая школа, 1985.-271 с.

62. Станкевич Л.А. Многоагентные когнитивные нейрологические системы управления / Сб.докладов VI Всеросс. конференции "Нейрокомпьютеры и их применение" (НКП-2000). М.: ИПРЖ «Радиотехника», 2000. -С.84-87.

63. Тианг Пинг. Повышение эффективности стратегического планирования мероприятий по предупреждению и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций (на примере Китая). Препринт. М.: ИПУ, 2000-73с.

64. Тищенко Н.М. Введение в проектирование систем управления. -Второе изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1986. -246 с.

65. Филлипс Ч., Харбор Р. Системы управления с обратной связью/ Пер. с англ. Б.И. Копылева.-М. Лаборатория Базовых Знаний, 2001. 616 е.: ил.

66. Федулов Г. В. Зарубежный опыт создания и обеспечения функционирования систем предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций // ВИНИТИ. Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях 1998-Вып. 8.-С.63-98.

67. Хамитов Р.З., Павлов С.В., Гвоздев В.Е., Васильев А.Н., Иванов И.Г. Создание геоинформационной модели Республики Башкортостан //Геоинформационные технологии. Управление. Природопользование. Бизнес: Всероссийский форум. Москва, 1995. - С. 26-27.

68. Хомяков Д.М., Хомяков П.М. Основы системного анализа М.: МГУ. 1996 108 с.

69. Цвиркун А.Д. Основы синтеза структуры сложных систем. М.: Наука, 1982. - 291 с.

70. Шойгу С.К., Воробьев Ю.Л., Владимиров В.А. Катастрофы и государство. М.: Энергоатомиздат, 1997. - 160 с.

71. Юдин Д.Б. Вычислительные методы теории принятия решений.-М.:Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989-320с.

72. Юсупов И.Ю. Автоматизированные системы принятия решений,-М.: Наука, 1983.-215с.

73. Ямалов И.У., Ильясов Б.Г., Бежаева О.Я. Задачи планирования темпов и распределения ресурсов в ЧС// Вопросы управления и проектирования в информационных и кибернетических системах: Межвуз. науч. сб. Уфа, 2004. С.122- 127.

74. Ямалов И.У., Бежаева О.Я. Математическое моделирование ликвидации динамически развивающихся чрезвычайных ситуаций // Матер. Всероссийской научно-технической конференции "Мехатроника, Автоматизация, Управление". Владимир, 2004. С. 234-237.

75. Ямалов И.У., Ильясов Б.Г., Бежаева О.Я. Системы поддержки принятия решений в чрезвычайных ситуациях// Труды VI Международной научно- практической конференции "Системный анализ в проектировании и управлении". С-Петербург, 2002. С. 142-144

76. Kulikov O.M., Ilchaninova L.V. Preventing operator's errors in the system of reaction in the cases of emergency // Computer Science and Information Technologies CSIT-2000:Proc. of the 2nd Int. Workshop,-Ufa, 2000,-Vol. 2, P.365.

77. Pilishkin V.N. General Dynamic Model of the System With Intelligent Properties in Control Tasks // Proc. of the 15th IEEE International Symposium on Intelligent Control (ISIC-2000), Rio, Patras, Greece, 17-19 July, 2000. -P.223-227.

78. Rzevski G. Bussiness: from Order to Edge of Chaos// Труды 3-й Международной конференции: Проблемы управления и моделирования в сложных системах: Самара: 2001. С. 1 - 4.

79. Sanz R., Matia F., and Galan S., Fridges, Elephants and the Meaning of Autonomy and Intelligence //Proc. of the 15th IEEE International Symposium on Intelligent Control (ISIC-2000), Rio, Patras, Greece, 17-19 July, 2000. -P.217-222.

80. Stylios C.D., Groumpos P.P., The Challenge of Modeling Supervisory Systems Using Fuzzy Cognitive Maps //Journal of Intelligent Manufacturing, 9, 1998. P.339-345.

81. Urazbakhtina L.B., Babkova Т.О. Estimation of Information Safety by Petri-Net Model // Computer Science and Information Technologies CSIT-2001:Proc. of the 3nd Int. Workshop-Ufa, 2001.-Vol. 3, P.213.

82. Vasilyev V.I., Ilyasov B.G., Yamalov I.V., and Groumpos P.P., Intelligent Systems of Control and Information Processing on the Base of Soft

83. Computing// Proc.of the 2nd Workshop on Computer Science and Information Technologies (CSIT'2000), Ufa, Russia, 18-23 September 2000. Vol.1. - P.247-252.

84. Vasilyev V., Matveyev A., Yamalov I. Cognitive Modeling the Disasters in Geotechnical Objects // Computer Science and Information Technologies CSIT-2001:Proc. of the 3ndlnt. Workshop-Ufa, 2001.-Vol. 3,P.81.

85. Yamalov I.U., Ilyasov B.G., Ananieva O.Y., Darintsev O.V. Virtual System of Extreme Situations Consequences Liquidation// Computer Science and Information Technologies CSIT-2001:Proc. of the 3nd Int. Workshop,-Ufa, 2001,-Vol. 3, P.287.