автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Применение математических методов и средств вычислительной техники в системе мониторинга безопасности потенциально-опасных объектов городского хозяйства

ВВЕДЕНИЕ.

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ТЕХНОГЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ В УСЛОВИЯХ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНО-ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Проблемы обеспечения техногенной безопасности городского хозяйства.

1.2. Аналитический обзор методов и средств повышения безопасности объектов городского хозяйства.

1.3. Требования к системе мониторинга безопасности городского хозяйства.

1.4. Постановка задачи исследования.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ДЛЯ ПОТЕНЦИАЛЬНО-ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ.

2.1. Определение рациональной схемы размещения датчиков для сбора информации о состоянии окружающей среды.

2.2. Выбор топологической структуры сети сбора информации о состоянии окружающей среды.

2.3. Визуализация наблюдаемых и прогнозируемых параметров состояния окружающей среды в системе мониторинга.

2.4. Идентификация и краткосрочный прогноз изменения состояния окружающей среды на основе динамических моделей объектов с распределенными параметрами.

3. ПРОЦЕДУРА ДИАГНОСТИКИ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ ТЕХНОГЕННОГО ХАРАКТЕРА НА ПОТЕНЦИАЛЬНО-ОПАСНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА.

3.1. Процедура локализации ЧС на основе очевидностных интервалов.

3.2. Повышение чувствительности диагностической системы на основе интервального оценивания параметров окружающей среды.

3.3. Принципы построения гибридных экспертных систем для задач диагностики ЧС.

4. ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА БЕЗОПАСНОСТИ.

4.1. Программное обеспечение системы мониторинга безопасности городского хозяйства.

4.2. Связь системы мониторинга безопасности с информационной системой города.

4.3. Методика анализа данных в системе мониторинга безопасности.

4.4. Решение прикладных задач с использованием программного обеспечения системы мониторинга безопасности городского хозяйства.

Актуальность темы.

Обеспечение безопасности жизнедеятельности городского населения является одной из важнейших задач, на решение которой направлены усилия ученых, политиков, администраторов как в России так и за рубежом [10,12,17,47,71,73,87,88]. Актуальность этой задачи определяется стремительным темпом роста городов, ограниченностью территории, на которой проживает городское население, большой концентрацией на этой территории промышленных объектов.

Источником опасности жизнедеятельности городского населения является техногенный фактор, роль которого постоянно возрастает. Последствия отказов и аварий в технических системах наносит ущерб здоровью людей, а вероятность их появления определяет величину риска (опасности), которую несет данная система.

Городское хозяйство представляет собой сложную систему взаимосвязанных промышленных, социальных, бытовых и др. объектов, среди которых можно выделить потенциально-опасные объекты (ПОО). Потенциально-опасный объект городского хозяйства - это объект, при аварии или разрушении которого может быть нанесен ущерб здоровью людей, зданиям и сооружениям, окружающей среде [4].

Разработка и внедрение современных автоматизированных систем наблюдения, прогнозирования и управления риском для потенциально-опасных объектов городского хозяйства на основе методов математического моделирования и средств вычислительной техники стали велением времени [1,2,25,39,75,77].

Выполнение настоящей работы проводилось в соответствии с Постановлением Правительства РФ №1113 от 5.11.1995 г. "О единой государственной системе предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций" и Постановлением Главы г. Твери № 2894 от 25.12.1997 г. "О разработке системы мониторинга безопасности г. Твери".

Цель работы и решаемые задачи.

Целью работы является снижение риска возникновения чрезвычайных ситуаций (ЧС) на ПОО городского хозяйства на основе использования математических методов, разработки принципов проектирования рациональной структуры системы сбора, передачи и обработки информации и процедур диагностики ЧС в системе мониторинга безопасности с применением средств вычислительной техники.

Указанная цель достигается путем решения следующих задач:

1. Разработки и обоснования методов проектирования системы наблюдения, обеспечивающей эффективное слежение за изменением параметров окружающей среды и репрезентативно представляющей селективную информацию об отклонениях от фонового режима, определения рациональной топологической структуры телекоммуникационной системы сбора, передачи и обработки данных о состоянии окружающей среды.

2. Разработки системы визуализации данных оперативного наблюдения за состоянием окружающей среды с помощью технических средств системы мониторинга с целью последующего анализа экологической обстановки специалистами-экспертами, индикации состояния чрезвычайной ситуации и предварительной локализации возможных источников выброса загрязняющих веществ, предварительной оценки возможного ущерба и планирования управляющих воздействий на основе этой информации.

3. Разработки и исследования методов диагностики чрезвычайных ситуаций на основе экспертных оценок для уточнения источников загрязнения окружающей среды; разработки принципов построения экспертной системы для выявления источников чрезвычайной ситуации на уровне объектов и технологических процессов.

4. Разработки алгоритмов и программного комплекса системы мониторинга безопасности городского хозяйства.

5. Практического использования разработанных методов и программного комплекса при анализе чрезвычайных ситуаций на объектах городского хозяйства.

Методы исследования.

Для решения указанных задач использованы методы теории равномерно распределенных последовательностей, теории нечетких множеств и математического программирования, методы восстановления зависимостей, метод конечных элементов, методы теории возможностей.

Научная новизна.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- сформулированы требования к функциональным характеристикам системы мониторинга безопасности городского хозяйства;

- разработана методика диагностики чрезвычайных ситуаций в системе мониторинга безопасности на основе разработанных в диссертационной работе математических моделей, алгоритмов и процедур;

- разработана математическая модель рационального размещения датчиков сбора информации о состоянии окружающей среды в заданных границах;

- разработана математическая модель для определения рациональной топологической структуры телекоммуникационной системы сбора, передачи и обработки данных;

- обоснован выбор методов для интерполяции данных наблюдения за состоянием окружающей среды и их визуализации;

- разработана процедура локализации чрезвычайных ситуаций на основе очевидностных интервалов.

Практическая значимость работы.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что результаты научных разработок доведены до законченных методик и прикладных программных средств, позволяющих решать вопросы построения сети сбора информации, диагностики чрезвычайных ситуаций на территории города для определения путей их локализации и устранения.

Разработанные в диссертационной работе математические модели, методики и комплекс программ позволяют с незначительными затратами определить схему размещения датчиков передачи информации о состоянии окружающей среды, визуализировать данные оперативного наблюдения за состоянием окружающей среды, выполнить предварительную локализацию возможных источников выброса загрязняющих веществ, определить предварительный ущерб, спланировать управляющие воздействия на основе этой информации.

Применение разработанной в диссертационной работе методики диагностики чрезвычайных ситуаций позволяет своевременно зафиксировать отклонения от нормативного уровня загрязняющих веществ в окружающей среде, значительно уменьшить или предотвратить возможные негативные последствия чрезвычайной ситуации, повысить безопасность жизнедеятельности населения города. Универсальность предлагаемой системы мониторинга безопасности позволяет использовать ее для большинства малых и средних городов России.

Разработанные в диссертационной работе методики диагностики чрезвычайных ситуаций апробированы на реальных данных Управления по делам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций города Твери.

Апробация работы.

Результаты работы были представлены и одобрены на XI Международной конференции "Математические методы в химии - и технологии" (г. Владимир, 1998 г.), научно-практической конференции "Управление регионом: состояние и перспективы развития", (г. Тверь, 1998 г.), научно-технической конференции "Мониторинг и прогнозирование чрезвычайных ситуаций" (г. Санкт-Петербург, 1998 г.), Межгосударственной научно-практической конференции "Проблемы проектирования и управления экологическими системами" (г. Ростов-на-Дону, 1998 г.)

Диссертационная работа состоит из 4 глав.

В первой главе на основе анализа проблем безопасности городского хозяйства определены общие требования к функциональным характеристикам системы мониторинга и определены основные направления исследования в виде перечня подлежащих разработке методов, алгоритмов и программных средств, удовлетворяющих сформулированным требованиям.

Во второй главе приведено математическое обоснование структуры системы экологического мониторинга в соответствии с требованиями, предъявляемыми к функциональным характеристикам, сформулированным в первой главе.

В третьей главе рассмотрены процедуры диагностики чрезвычайных ситуаций на основе очевидностных интервалов и интервального представления результатов измерения. Здесь же сформулированы принципы построения гибридных экспертных систем для задач диагностики чрезвычайных ситуаций.

В четвертой главе приведено описание программного комплекса "Мониторинг" и ЭСПР "Диагностика", реализующих описанные выше методы и процедуры и составляющих информационную систему мониторинга безопасности городского хозяйства. Показаны связи информационной системы мониторинга с информационной системой города, в частности с гео- информационной системой, данные которой могут быть использованы для оценки и прогнозирования последствий чрезвычайных ситуаций. Здесь же приведена методика использования разработанных в диссертации методов, алгоритмов, процедур и программных средств контроля за состоянием окружающей среды и диагностики чрезвычайной ситуации. Приведено описание прикладной задачи по распознаванию чрезвычайной ситуации с использованием предлагаемых программных средств.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе исследования, проведенного в диссертационной работе, получены следующие результаты:

1. на основе проведенного анализа проблемы обеспечения техногенной безопасности городского хозяйства предложена классификация ПОО, в зависимости от характера проявления поражающего фактора, и выделены группы объектов, связанные с выбросом в окружающую среду опасных веществ, поражающие действия которых распространяются на обширные территории и требуют наличия специальной системы наблюдения и контроля на уровне управления городским хозяйством;

2. сформулированы требования к функциональным характеристикам системы мониторинга безопасности городского хозяйства, как одной из составных частей информационной системы города, и определены основные задачи наблюдения и контроля состояния окружающей среды и диагностики чрезвычайных ситуаций;

3. на основе теории равномерно распределенных последовательностей и методов математического программирования разработана методика определения рациональной топологической структуры телекоммуникационной сети сбора и передачи информации о состоянии окружающей среды с целью их последующей обработки;

4. на основе методов восстановления зависимостей разработана система визуализации данных, получаемых по каналам телекоммуникационной сети сбора и передачи данных, с их отображением на карту города с использованием геоинформационной системы Arc/Info - Arc/View;

5. на основе теории возможностей разработана процедура локализации чрезвычайных ситуаций с использованием очевидностных интервалов и данных интервального оценивания параметров окружающей среды;

6. разработана методика диагностики чрезвычайных ситуаций на основе данных наблюдений с использованием разработанных в диссертационной работе алгоритмов и процедур;

7. разработаны программные модули мониторинга безопасности: "Мониторинг" и "Диагностика", входящие в состав информационной системы города;

8. результаты диссертационной работы были использованы для решения практических задач в Управлении по делам ГО и ЧС города Твери.

1. Алексеев О.В., Викторов А.Д., Кутузов В.М. Проблемы и пути создания системы мониторинга окружающей среды // Мониторинг. Безопасность жизнедеятельности, 1995. 31. с. 5-14.

2. Анохин Ю.А., Остромогильский А.Х. Математическое моделирование и мониторинг окружающей среды. -Обнинск: ВНИИГМИ-МЦД, 1978. 50 с.

3. Арсеньев Ю.Н. и др. Разработка экспертных и персональных советующих систем для безопасного управления химико-технологическими процессами // математические методы в химии. Тез. Всерос. Конф. Тула, 1993 г. С. 31-33.

4. Арсеньев Ю.Н., Бушинский В.И.,Фатуев В.А. Теоретико-прикладные аспекты управления риском потенциально-опасных производств // Вычислительная техника. Тула; ТулГТУ, 1994, С. 18-24.

5. Арсеньев Ю.Н., Моторин В.В., Бушинский В.И. Принципы построения экспертных и персональных советующих систем для подготовки кадров по проблемам ОБЖ // Обеспечение безопасности жизнедеятельности; Матер. I Всерос. Сем. ОБЖ. Тула, 1994. С 51-55.

6. Базара М., Шетти К. Нелинейное программирование.Теория и алгоритмы. М.: Мир/ 1982. - 584 с.

7. Балацкий О.Ф., Мельник Л.Г., Яковлев А.Ф. Экономика и качество окружающей сред. -Л.; Гидрометеоиз-дат, 1984. С. 192.

8. Барфилд Э., Уолтере Б. Программирование "клиент-сервер" в локальных вычислительных сетях / Пер. с англ. М.: Информационно-издательский дом "Фи-линъ", 1997, С. 424.

9. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. М.: Наука, 1987. - 598 с.

10. Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Мониторинг и прогнозирование. Основные положения. ГОСТ

11. Р22.1.01-95. -М.: Госстандарт России -7 с.

12. Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Мониторинг и прогнозирование. Термины и определения. ГОСТ Р22.1.02-95. -М. : Госстандарт России. -5 с.

13. Безуглая Э.Ю. Метеорологический потенциал и климатические особенности загрязнения воздуха города. -Л: Гидрометеоиздат, 1980, С. 184.13