автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.10, диссертация на тему:Разработка языка и методов моделирования организационно-экономических систем, функционирующих в условиях чрезвычайных ситуаций

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ УПРАВЛЕНИЯ им. ВА.Трапезникова

На правах рукописи УДК 658.52.011.56

КОПНИН Михаил Юрьевич

РАЗРАБОТКА ЯЗЫКА И МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ СИСТЕМ, ФУНКЦИОНИРУЮЩИХ В УСЛОВИЯХ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ

Специальность № 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004

Работа выполнена в Институте проблем управления РАН им. В.А. Трапезникова

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Кульба В.В.

Научный консультант:

доктор технических наук Микрин ЕА.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Щепкин А.В.

кандидат технических наук, доцент Сергеев С.А.

Ведущее предприятие:

Институт проблем передачи информации РАН.

Защита состоится «_» июня 2004 г. в 14:00 часов на заседании

Диссертационного совета №2 (Д 002.226.02) Института проблем

управления. Телефон совета: 334-93-29.

Адрес Института: Москва, 117806, Профсоюзная улица, 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института

проблем управления РАН им. В.А.Трапезникова.

Автореферат разослан «_» мая 2004 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета

кандидат технических наук Лебедев В.Н.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Возрастание масштабов техногенной деятельности современного общества, увеличение частоты и интенсивности проявления разрушительных сил природы крайне обострили проблемы, связанные с обеспечением безопасности человека, общества и окружающей среды.

Многие страны, в том числе и Россия, сталкиваются с необходимостью ликвидации в кратчайшие сроки последствий крупномасштабных чрезвычайных ситуаций (ЧС) невоенного характера. Чрезвычайная ситуация представляет собой неблагоприятное сочетание факторов и событий, создающих угрозу жизни людей, нарушающих условия их нормальной жизнедеятельности, препятствующих производственной, хозяйственной, бытовой и другим видам деятельности.

Возникновение ЧС в первую очередь обусловлено объективно существующими возможностями зарождения и развития неблагоприятных стихийных явлений (землетрясения, тайфуны, наводнения, цунами и т.д.)

Четверть территории СНГ расположена в особо опасных с сейсмической точки зрения районах. Наличие в этих районах сооружений, к которым предъявляются повышенные требования по сейсмической безопасности, например атомных электростанций, зданий, взрывоопасных и химических производств существенно расширяют опасную зону, которая (по данным РАН) составляет около 40% территории СНГ. Так, например, только на территории РФ в сейсмоактивных зонах расположен 671 населенный пункт, где проживает более 27 млн. человек.

Сотрудники Федерального центра науки и высоких технологий МЧС России предсказали, то «в 2003 году в Москве, Санкт-Петербурге, Дагестане, Красноярском крае, Ленинградской, Нижегородской, Кемеровской, Московской, Ростовской и Тюменской областях произойдет 590-650 техногенных аварий и катастроф в основном из-за высокого уровня износа техники». Однако только за 9 месяцев этого года в России произошло 719 чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в названных районах.

Анализ величин потерь и материального ущерба, причиненного чрезвычайными ситуациями за последние пять лет во всем мире, выявил тенденцию их ежегодного роста на 10% - 30%.

Большие человеческие жертвы, огромный материальный ущерб, которые несут чрезвычайные ситуации, обусловили необходимость объединения и мобилизации усилий органов государственного управления всех уровней, сил, средств,

РОС. НАЦИОНАЛЬНА* Г

1АЦНОНАЛЬНА*| БИБЛИОТЕКА

но-методологического обеспечения на решение задач предупреждения и минимизации потерь и последствий чрезвычайных ситуаций.

В этой связи анализ чрезвычайных ситуаций как объектов управления, определение особенностей создания и функционирования соответствующих систем управления, а также разработка и реализация языка и методов моделирования организационно-экономических систем, функционирующих в условиях ЧС, являются исключительно актуальными задачами. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательской работы РАН по теме «Безопасность населения и народно-хозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф», а также планами РКК «Энергия» по отработке нештатных ситуаций на долговременных орбитальных станциях. Цель работы. Целями работы являются:

- анализ чрезвычайных ситуаций как объектов управления и разработка языка моделирования, систем управления и комплексов мероприятий, направленных на максимальное снижение конечного уровня возможных потерь, ущербов и затрат, связанных с ликвидацией последствий чрезвычайных ситуаций;

- разработка формальных моделей и прикладных программ стратегического и оперативного управления распределением ресурсов на выполнение мероприятий по предупреждению, ликвидации причин и последствий чрезвычайных ситуаций;

- разработка моделей структурно-технологического и природно-экологического резервирования и их использование в моделях управления ликвидацией чрезвычайных и нештатных ситуаций. Методы исследования. Основные результаты диссертационной

работы получены и математически обоснованы с использованием методов исследования операций, теории графов, сетей Петри и оптимизации на сетях и других разделов современной теории управления, а также путем проведения практических и экспериментальных расчетов на ЭВМ.

Научная новизна. В результате проведенных исследований, анализа и обобщения опыта планирования и управления действиями сил и средств по предупреждению и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций природного характера автором впервые: - проведен анализ и исследованы особенности реализации основных функций и задач системы организационно-экономического управления деятельностью по предупреждению и ликвидации последствий возникновения и развития чрезвычайных ситуаций природного характера в различных режимах ее функционирования. На основе результатов анализа сформулированы основные проблемы разработки

методов моделирования и распределения ресурсов в условиях чрезвычайных ситуаций, определены основные принципы и методы их решения;

с учетом выявленных особенностей моделирования процессов возникновения, развития и ликвидации чрезвычайных ситуаций, сравнения свойств и возможностей различных расширений сетей Петри в качестве аппарата моделирования чрезвычайных ситуаций предложено использовать модифицированные специальным образом сети Петри, на основе которых разработаны модели организационно-экономических систем, функционирующих в условиях чрезвычайных ситуаций;

разработаны модели возникновения и распространения поражающих факторов, воздействия поражающих факторов на защищаемые объекты, транспортной сети, управления ликвидацией чрезвычайных ситуаций с использованием имеющихся сил и средств; с использованием предложенной модели введено понятие структурно-технологического резерва производственной системы и разработаны методы его построения. Определены основные его характеристики. Введены понятия гибкости и устойчивости производственной-системы в случае возникновения различного рода аварий и чрезвычайных ситуаций. На основании введенных понятий и определений разработана методика выбора наиболее эффективной и устойчивой структуры производственной системы для случаев невозможности нормального функционирования части ее производственных звеньев.

Разработаны методы расчета вероятностных характеристик производственной системы для случаев возникновения в ее звеньях ЧС различного типа. Разработаны методы оптимального выбора схемы реализации структурно-технологического резерва по заданным критериям эффективности: максимум надежности функционирования системы, максимум ее гибкости и минимум стоимости структурно-технологического резерва.

с использованием языка модифицированных сетей Петри определены временные и обобщенные резервы на комплексе операций. Предложены методы определения дефицита ресурсов, множеств уязвимости и избыточности при выполнении комплексов операций по ликвидации причин и последствий ЧС.

введено понятие природно-экологического резерва и исследованы возможности его использования. Получены аналитические выражения для расчета объемов природно-экологических резервов различного типа.

- разработаны методы и алгоритмы решения типовых задач оперативного управления силами и средствами в условиях чрезвычайных ситуаций в терминах модифицированных сетей Петри.

Практическая ценность. Разработанные в диссертации методологический подход, язык и методы моделирования позволяют существенно повысить эффективность разработки и функционирования соответствующих систем управления, сократить затраты и сроки их создания, обеспечить необходимую информационную поддержку в условиях чрезвычайных ситуаций.

Разработанные методы, алгоритмы и программные средства могут быть использованы при проектировании систем управления в условиях чрезвычайных ситуаций в научно-исследовательских, проектных организациях и вычислительных центрах, разрабатывающих и внедряющих системы подобного класса, а также в информационно-управляющих центрах комиссий и комитетов по чрезвычайным ситуациям в регионах РФ.

Внедрение. Предложенные модели и методы использовались при разработке специального программного обеспечения отработки нештатных- ситуаций на долговременных орбитальных станциях; при разработке систем управления экологической безопасностью на ряде объектов РФ; при выполнении научно-исследовательских работ по специальной тематике.

Личный вклад. Все основные положения и результаты, выносимые на защиту, получены автором самостоятельно.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных конференциях «Проблемы управления безопасностью сложных систем», «Проблемы регионального и муниципального управления», «Теория активных систем».

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 15 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 228 страниц, в том числе основной текст - 202 страницы, 45 рисунков, 2 таблицы, а также список литературы, включающий 92 наименования.

Содержание работы. Во введении обосновывается выбор цели и актуальность рассматриваемых в работе проблем, приведены основные положения диссертационной работы.

В первой главе приводятся результаты анализа основных особенностей чрезвычайных ситуаций, как объекта моделирования и управления.

Ы = N° и№ иЫРС иКПС каждая из которых от-

ражает процессы, происходящие в условиях ЧС.

В качестве примера рассмотрим процедуру формирования графа, задающего структуру подсети с использованием аппарата структурных матриц.

Построим матрицу Мр[ размерности п§хп^, где Пд- количество моделируемых объектов, а Пщ - число возможных на данных объектах поражающих факторов. В строках матрицы расположены моделируемые объекты в;, а в столбцах - поражающие факторы \У(С. Клетки матрицы будем соединять дугами, к которым будут приписываться временные характеристики (Рис.1).

Каждая клетка такой матрицы означает возникновение определенного поражающего фактора на определенном объекте. Первичный поражающий фактор будем обозначать буквой Р, а вторичный - буквой S в соответствующей клетке структурной матрицы. Каждой клетке матрицы т^ сопоставим возможность возникновения на объекте Б; поражающего фактора Если событие т,-^ может вызвать возникновение события т ¡2 |С2 (возникновение поражающего фактора W)tI на объекте влечет за собой возникновения поражающего фактора на объекте

Б,^), то соответствующие клетки структурной матрицы соединяются направленной дугой. Если ц =¡2, то моделируется взаимосвязь между появлением поражающих факторов на одном объекте; если ¡| = ¡2 и к| = 1<2, то моделируется изменение интенсивности ПФ на одном объекте.

Для формирования данной структурной матрицы предлагается следующий алгоритм:

1. Рассматриваются поочередно клетки матрицы. Если возможно возникновение соответствующего первичного поражающего фактора на данном объекте, то в клетку т^ проставляется буква Р.

2. Для каждой клетки матрицы , в которой проставлена буква Р, выполняется процедура:

a. Эта клетка фиксируется, и поочередно рассматриваются остальные клетки матрицы

b. Если в рассматриваемой клетке т^^ возможно возникновение вторичного поражающего фактора под влиянием события

то в соответствующую клетку проставляется буква 8, и данные

клетки соединяются связующей дугой а

«iki i2k2'

с. Проведенной дуге приписываются следующие характеристики:

г-н ki (min) ,

г i^kj ~ наименьшая интенсивность поражающего фактора Wjjj на объекте S,^, способная вызвать возникновение поражающего фактора- Wj^ на объекте S;2; . i, k. (mm) „ , ii ki (max)

d Md.. минимальное и максимальное вре-

i2k2 i2k2

мя, за которое поражающий фактор Wj^ на объекте S,f вызовет возникновение поражающего фактора W^ на объекте

■2 *

рИк1 i2k2

интенсивность поражающего фактора , возникающего на объекте под воздействием поражающего

фактора интенсивности на объекте за вре

, ii ki (mm) мя d 1 i2k2

3. Описанная процедура повторяется и для клеток, в которых была проставлена буква S до тех пор, пока проставление новых букв S будет возможно.

На базе структурной матрицы М^ построим подсеть и'1. Для этого по каждой проведенной дуге соединяющей ячейки и т12к-.' построим следующий фрагмент подсети (Рис.2):

На основании временных параметров, приписанных к каждой дуге структурной матицы, установим кратности дуг:

< <

wkl (П) s„ wki (П)

л

s12 wk2

s„ Wkt (П) Wk, (П)

s„ Wb

•Ps,.

и

s„ Wk, (П) Wk (П)

A Wk2

•Ps,,

Pilkt (min) ri2k2 '

'ik, . i2k2>

s„ Wk (П)

и параметры задержек для переходов t^ ^ 1 :

СА Wkj (ПЛ S,, wkj (min) ( SM wk) (ПЛ S,, Wk (max) [%Щ2 J-dS,2Wk2 »amax^Sl2Wk2 J" \ Wk2

В зависимости от характера исходного и вторичного поражающих

\Ук (П)

для дуги, соединяющей позицию р^ 1 и переход

гЪятгтппгт

А Wk, <П>

"А wk2

, также может быть задана ее верхняя кратность.

В случае практической необходимости возможна дальнейшая детализация построенной подсети, так как возможна ситуация, когда появление очередного ПФ обусловлено наличием на объекте не одного, а нескольких ПФ. Аналогичным образом строятся и другие подсети сети N.

Рассматриваются также процедуры формирования причинно -следственных связей между факторами риска и интенсивностью их развития на техногенно-опасных объектах и между ними.

Представлены разработанные модели возникновения и распространения поражающих факторов, воздействия поражающих факторов на защищаемые объекты, транспортной сети, управления ликвидацией ЧС с использованием имеющихся сил и средств.

В третьей главе вводится и детально исследуется один из специальных видов резервов - структурно-технологический резерв. Дается его определение в терминах языка модифицированных сетей Петри и вводятся основные его характеристики.

Структурно-технологическим резервом системы назовем набор технологических операций и их технологических схем, без которых система в целом может продолжать функционирование, возможно, с меньшей эффективностью. Структурно-технологический резерв системы - это множество ресурсов различных видов, за счет которых достигается технологическая гибкость системы, т.е. способность системы компенсировать технологические возмущения, такие как отказы и повреждения технологических звеньев, разрыв транспортных связей и т.д.

Для формального определения структурно-технологического резерва опишем процедуру построения аварийного и резервного множеств с использованием одного из предложенных в работе методов.

Пусть Ь = {1} - множество слов сети Петри. Каждому слову из него соответствует некая схема технологического процесса, а сами слова содержат последовательности сработавших переходов (примененных технологических схем) при достижении конечной маркировки.

После невозможности применения используемой ранее на операции технологической схемы Т", множество Ь разбивается на два непересекающихся подмножества Ь = Ьд сЬр.

Ьд - множество слов, в которые входит . Оно содержит те схемы процессов, которые станут неприменимыми после возникновения ЧС и невозможности выполнения Т" на операции в;.

- множество слов, в которые не входит. Оно содержит те схемы процессов, которые могут резервировать использование на операции Б,.

Как видно из построения, не пересекаются.

Введем классификацию для переходов сети. Для этого просмотрим их вхождения в слова из . Возможны три класса переходов:

1. Переходы, которые содержатся в словах из обоих множеств. Эти

переходы могут выполняться как до возникновения ЧС, так и после.

Исключим их из дальнейшего рассмотрения.

2. Переходы, которые содержатся в словах из Ьд, но не содержатся в

словах из Ьр. Эти переходы образуют аварийное множество Яд.

1. Р - множество п о Р = {р;} и Рнач иРкон> гДе Р| " операции сетевой модели;

2. Т - множество переходов. Т = где ^ - события сетевой модели;

- функция инцидентности и кратности дуг, получаемая непосредственно из сетевой модели;

4. Мо : Р —»• К* - начальная разметка сети, такая что:

5. <1:Р^Т—> - функция задержки маркеров в позициях и переходах, причем

Эквивалентная сетевой модели сеть Петри является безопасной, так как сетевая модель не содержит циклов, и начальная маркировка сети Петри содержит один маркер.

На Рис.4 показан пример сетевой модели и эквивалентная ей сеть Петри.

Наиболее ранний возможный срок наступления i-ro события Tg(tj) может быть вычислен из соотношения: TE(t0)=d(t0))

/ \ TE(ti)=d(tj)+ max d(pj)+ шах TE(tk)

т.е. он определяется как максимум суммарного времени задержек по всем путям, ведущим из tg В t,.

При планировании комплекса операций для некоторых переходов (событий) может быть задан директивный срок Tg(ti), не позже которого должно произойти данное событие. Обычно задается срок окончания всех работ Тд(^)» сроки же завершения промежуточных событий могут быть заданы или отсутствовать в зависимости от важности этих событий.

Для всех tj может быть рассчитан наиболее поздний допустимый срок возникновения событ^^дри котором не нарушаются ди-

рективные сроки окончания работ. Для его расчета можно воспользоваться формулой:

Таким образом, любому переходу ^ ставятся в соответствие две функции: Т^) и ТЕ(^).

Вводится понятие природно-экологического резерва и исследуются возможности его использования. Получены аналитические выражения для расчета объемов природно-экологических резервов различного типа.

Рассматривается постановка и методы решения задач оптимального распределения ресурсов при выполнении комплексов операций в условиях ЧС по различным критериям эффективности и с учетом возможностей предложенных и исследованных типов резервов.

Математическая постановка задачи нахождения оптимального управления формулируется следующим образом:

{о(Мт(р>Т,ТИП1)^0,

где Му(р) - число маркеров в позиции рТкон - директивный срок ликвидации ЧС, Р(Мткон (р)) " значение выбранного критерия оптимальности

на момент окончания ликвидации ЧС, а неравенство задает ограничения на функционирование модели.

Общая оптимизационная задача выполнения работ в срок при минимальных затратах на ресурсы ставится следующим образом:

™ПМТко„(р£^иы)'

МТкон(р(к2)^1,

МтУ* Г??«,! = 1 .X,} = 1..М.0 5 Т £ Ткон

- <Г Л = №0 ^Т ^ Т«,.

Н rij

В случае если не существует управления, при котором возможна ликвидация причин и последствий ЧС в заданный срок, имеет смысл говорить о дефиците имеющихся ресурсов. Оптимальное управление в этом случае будет заключаться в распределении имеющихся ресурсов для ликвидации причин и последствий ЧС в кратчайшие сроки. Формально данная оптимизационная задача ставится следующим образом:

где Р* - наихудшая допустимая эффективность.

В условиях дефицита времени задача распределения ресурсов ставится следующим образом: минимизировать общий дефицит времени, используя имеющиеся в распоряжении ресурсы, т.е. выполнить работы как можно быстрее. Математическая формулировка этой задачи выглядит следующим образом:

Ткон -™|П.Т>

■мт. (рй)>1,

'кон

Некоторые виды работ могут иметь первостепенную важность и в любом случае должны быть выполнены в срок. События соответствующие окончанию таких работ назовем критическими. Обозначим через ТКР множество всех критических событий, а через Т^он срок окончания критической работы ^^ который будет равен директивному сроку

Т^^). Будем считать, что это множество содержит в себе последнюю запланированную работу В этом случае задача распределения ресурсов ставится следующим образом:

Если перераспределение ресурсов на сети не приводит к удовлетворительным результатам, пересматривается последовательность выполнения работ и корректируется структура сети Петри. На полученной таким образом новой сети Петри ставятся аналогичные задачи. При наличии дефицита ресурсов ставятся задачи такого их перераспределения, чтобы, во-первых, сохранить работоспособность системы, и, во-вторых, уменьшить время достижения конечного результата.

Выделены три группы методов управления ресурсами в условиях их дефицита:

1. Выделение критических событий и попытка уменьшить вероятность их невозникновения за счет реструктуризации системы и отказа от ряда работ.

2. Выделение магистральных путей и перераспределение ресурсов с целью максимального обеспечения ими операций из множества магистральных путей.

3. Выработка курса действий, когда на каждом шаге моделирования определяется ближайшая цель и производится перераспределение ресурсов с целью достижения этой цели, а по ее достижении, производится повторный анализ системы с целью выявления новой цели.

Разработаны методы решения задач оптимального распределения ресурсов в условиях ЧС, учитывающие особенности введенных типов резервов.

Заключение

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. На основе проведенного анализа, исследования и обобщения особенностей чрезвычайной ситуации как объекта управления решена важная народно-хозяйственная задача, заключающаяся в создании теоретических и методологических положений и разработке структуры модели организационно-экономической системы, в которой отражаются процессы возникновения, развития и ликвидации чрезвычайных ситуаций.

2. Проведен анализ и исследованы особенности реализации основных функций и задач системы организационно-экономического управления деятельностью по предупреждению, ликвидации причин и последствий возникновения ЧС в различных режимах ее функционирования. Сформулированы основные проблемы разработки систем управления, функционирующих в условиях ЧС, принципы и методы их решения. Определены основные стратегии достижения сформированной совокупности частных и общие целей СУ ЧС, обеспечивающие максимальное снижение вероятности возникновении ЧС, а также конечного уровня возможных ущербов, потерь и затрат, связанных с их ликвидацией.

3. Проведен обзор и сопоставительный анализ принципов формирования и функционирования создаваемых в различных странах систем управления (в том числе автоматизированных) по предупреждению и ликвидации последствий ЧС. При этом основное внимание уделено анализу особенности функционирования МЧС РФ и системе FEMA (США).

4. На основе анализа ЧС как объектов управления выявлены особенности моделирования, создания и функционирования соответствующих систем управления, реализации основных функций и задач системы управления деятельностью по предупреждению и ликвидации последствий ЧС в различных режимах функционирования. С учетом выявленных особенностей и сравнения свойств и возможностей различных расширений сетей Петри, в качестве аппарата моделирования ЧС предложено использовать модифицированные специальным образом сети Петри, на основе которых разработана модель организационно-экономической системы, функционирующей в условиях ЧС. Предложенная модель представляет собой модифицированную сеть Петри, которая включает в себя определенный набор подсетей (плоскостей), каждая из которых описывает динамику развития отдельного подпроцесса возникновения, развития и ликвидации ЧС. Разработаны возможности декомпозиции предложенной модели и способы ее реализации.

5. Предложены процедуры формирования причинно-следственных связей между факторами риска и интенсивностью их развития на техно-генно-опасных объектах и между ними. Разработаны модели возникновения и распространения поражающих факторов, воздействия поражающих факторов на защищаемые объекты, транспортной сети, управления ликвидацией ЧС с использованием имеющихся сил и средств. Поставлены задачи оптимизации управления имеющимися силами и средствами в условиях возникновения ЧС по заданным критериям эффективности.

6. С использованием предложенной модели введено понятие структурно-технологического резерва производственной системы и разработаны методы его построения. Определены основные его характеристики, такие как эффективность и стоимость. Введены также понятия гибкости и устойчивости производственной системы в случае возникновения различного рода аварий и чрезвычайных ситуаций. На основании введенных понятий и определений разработана методика выбора наиболее эффективной и устойчивой структуры производственной системы для случаев невозможности нормального функционирования части ее производственных звеньев. Разработаны методы расчета вероятностных характеристик производственной системы для случаев возникновения в ее звеньях ЧС различного типа. Разработаны методы оптимального выбора схемы реализации структурно-технологического резерва по заданным критериям эффективности: максимум надежности функционирования системы, максимум ее гибкости и максимум стоимости структурно-технологического резерва.

7. С использованием языка модифицированных сетей Петри определены временные и обобщенные резервы на комплексе операций. Предложены методы определения дефицита ресурсов при выполнении комплексов операций по ликвидации причин и последствий ЧС. Введено понятие природно-экологического резерва и исследованы возможности его использования. Получены аналитические выражения для расчета объемов природно-экологических резервов различного типа. Поставлены задачи оптимального распределения ресурсов при выполнении комплексов операций в условиях ЧС по различным критериям эффективности и с учетом возможностей предложенных и исследованных типов резервов.

8. Разработаны методы и алгоритмы решения типовых задач оперативного управления силами и средствами в условиях чрезвычайных ситуаций в терминах модифицированных сетей Петри.

9. Предложенные модели и методы использовались при разработке специального ПО отработки нештатных ситуаций на долговременных орбитальных станциях; при разработке систем управления экологической безопасностью на ряде объектов РФ; при выполнении научно-исследовательских работ по специальной тематике.

Основные публикации по теме диссертации

1. Гуськов Д.А., Копнин М.Ю., Тиан Пинг. Использование обобщенных сетей Петри при решении задач планирования и оперативного управления силами и средствами в АСУ ЧС. Тезисы докладов и сообщений Международной конференции «Проблемы регионального и муниципального управления». Москва, 1999 г.

2. Копнин М.Ю. Методы управления в условиях дефицита ресурсов. Тезисы докладов и сообщений Международной конференции «Проблемы регионального и муниципального управления». Москва, 1999 г.

3. Чернов И.В., Копнин М.Ю. Комплекс программ моделирования с использованием аппарата знаковых графов. Материалы VI Международной конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем». ИПУ РАН СПбТУ, 1999 г.

4. Копнин М.Ю, Тиан Пинг. Резервы в условиях возникновения и ликвидации последствий ЧС. Материалы VII Международной конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем». Москва, 1999 г.

5. Копнин М.Ю. Декомпозиция обобщенных сетей Петри, используемых при решении задач планирования и оперативного управления силами и средствами в АСУ ЧС. Материалы VII Международной конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем». Москва, 1999 г.

6. Чернов И.В., Копнин М.Ю. Система имитационного моделирования для исследования стратегии безопасного развития социально-экономических систем. Материалы конференции по проблемам управления. Москва, 1999 г.

7. Копнин М.Ю. Резервы в условиях возникновения и ликвидации ЧС. Труды юбилейной Международной научно-практической конференции «Теория активных систем». Москва, 1999 г.

8. Копнин М.Ю., Чернов И.В., Большакова С.А. Расширенная модель знаковых графов. Формулировка и решение обратной задачи. Материалы VIII Международной конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем». Москва, 2000 г.

9. Копнин М.Ю., Чернов И.В. Понятие и классификация резервов в условиях возникновения и ликвидации последствий ЧС. Материалы VIII Международной конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем». Москва, 2000 г.

10.Копнин М.Ю. Использование сетей Петри для исследования резервов в условиях возникновения и ликвидации последствий ЧС. Материалы VIII Международной конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем». Москва, 2000 г.

11.Копнин М.Ю., Савченко Ф.И., Чернов И.В. Имитационная модель стратегической оценки эффективности налогообложения. Материалы II Международной конференции «Проблемы регионального и муниципального управления». Москва, 2000 г.

12. Копнин М.Ю., Чернов И.В. Использование обобщенных сетей Петри при решении задач планирования и оперативного управления СиС в автоматизированных системах управления, функционирующих в условиях чрезвычайных ситуаций. Тезисы докладов и сообщений III Международной конференции «Проблемы регионального и муниципального управления». Москва, 2001 г.

13. Копнин М.Ю., Кульба В.В., Ковалевский С.С., Микрин Е.А., Чернов И.В. Использование сетей Петри при моделировании и управлении процессами предупреждения и ликвидации последствий ЧС. Препринт. Москва, 2003 г.

14.Копнин М.Ю., Кульба В.В., Микрин Е.А. Применение языка сетей Петри в системах сетевого планирования и управления при дефиците ресурсов // Проблемы управления .- 2003 г.- №2 с.35-42

15. Копнин М.Ю. Эколого-физиологический резерв в условиях ЧС. Тезисы докладов и сообщений VI Международной конференции «Проблемы регионального и муниципального управления». Москва, 2004 г.

Личный вклад автора в совместные работы

Личный вклад автора в совместные публикации: [1, 12, 14] - предложена постановка задач планирования и оперативного управления силами и средствами в условиях ЧС; [3, 6, 8] - разработаны алгоритмы решения задач оптимизации, а также приведены результаты проектирования, программирования и отладка специализированного ПО; [4,9] - получены аналитические выражения для расчета характеристик резервов различного типа; [11] - разработаны методы построения имитационных моделей.

Зак.47 Тир.100.ИПУ

Выполнение технологических схем, соответствующих этим переходам, становится невозможным или нецелесообразным.

3. Переходы, которые содержатся в словах из Ьр, но не содержатся в словах из Ьд.

Переходы из данного класса образуют резервное множество И.р. Его элементы выполняют дублирующую функцию в случае возникновения аварии.

Аналогичным образом строится аварийное и резервное множества для операции и совокупности технологических схем а так-

же для операции в целом.

Применение данного метода построения аварийного и резервного множеств требует построения множества всех слов языка сети

Петри. А эта задача связана с задачей построения покрывающего дерева и имеет в общем случае экспоненциальную сложность. Следовательно, и число математических операций, требуемых для применения процессного метода, будет пропорционально двум в степени количества элементов сети. Поясним это на примере сети изображенной на Рис.3.

В этой сети последовательно выполняется п операций, каждая из которых имеет по две технологические схемы.

Число элементов в этой сети будет равно: к = ¡Р| + [Т| = Зп +1, где число позиций и переходов сети со-

ответственно.

Число слов языка сети Петри будет равно:

Из этого представления видно, что [I__|

растет экспоненциально с ростом к - числа элементов сети.

Рис.З

Таким образом, формально структурно-технологическим резервом системы (комплекса пперятшй), заданной сетью Петри К, назовем множество переходов Я ^ = такое что при удалении любого из этих переходов из исходной сети N остается достижимой конечная маркировка сети N.

При выходе из строя любого единичного элемента, принадлежащего технологический процесс продолжает функционировать, возможно, с меньшей эффективностью. При выходе из строя любого количества элементов, не принадлежащих И. ¡,4, система перестает функционировать. Если повреждено более одной операции из Л^то дать однозначный ответ относительно работоспособности системы нельзя.

Множество Яы (дополнение к К^) назовем множеством уязвимости комплекса N. В него войдут те элементы, повреждение которых влечет за собой выход из строя всей системы. Множество может быть получено следующим образом: в него входят те и только те переходы, которые принадлежат всем словам из языка L.

На этом множестве вводятся различные характеристики: число операций в И-и; число операций в Яы, отнесенное к общему числу операций; суммарная эффективность операций из при использовании любых технологических схем на этих операциях, и т.д. Подобные численные характеристики назовем мощностью структурно-технологического резерва операции

Одной из характеристик мощности структурно-технологического резерва операции Б; является множество применимости структурно-технологического резерва, которым назовем множество переходов сети }' таких что найдется технологическая схема Т,^ рассматриваемой операции Б; и соответствующий этой схеме переход ^.для которых верно ^ еЯр^Д").

Другими словами это множество технологических схем операций, для замены которых могут использоваться технологические схемы операции в,.

Гибкостью производственной системы С(${) относительно невозможности выполнения операции Б, назовем отношение числа возможных технологических цепочек , достижимых при повреждении к

общему числу цепочек L, достижимых при нормальном функционировании системы:

Как видно из определения, значением гибкости будет неотрицательное число, не превосходящее 1. Если гибкость то при невозможности выполнения операции в; вся система выходит из строя (жесткая система). Если гибкость то это значит, что операция не используется ни в одной технологической цепочке и может быть без всякого ущерба удалена из производственной системы. Чем больше значение гибкости, тем меньше возникает потерь из-за невозможности выполнения операции

Для производственных звеньев рассчитываются потери, вызванные выходом из строя технологического звена Предположим, что с использованием одного из предложенных методов была выбрана схема процесса на которую будет осуществляться переход.

Затратами производственной системы С^) относительно невозможности выполнения операции назовем стоимость перехода на выбранную схему технологического процесса.

Чем выше эта величина, тем большие потери вызовет невозможность выполнения операции

Долей сохраняемой стоимости системы, относительно невозможности выполнения операции назовем отношение стоимости замещающей схемы процесса к стоимости исходной схемы процесса

ч С(К,)

Величина может быть отрицательной, в случае если после

возникновения аварии система работает с убытками.

На основе вероятностей отказов звеньев и долей сохраняе-

мой стоимости введем понятие гибкости производственной системы в целом:

Эта величина характеризует способность производственной системы сохранять эффективную работу в случае возникновения ЧС на одном из ее участков. Чем она больше, тем большим структурно-

технологическим резервом обладает производственная система и, как следствие, тем она устойчивее в целом.

В заключение рассмотрены методы оптимального выбора схемы реализации структурно-технологического резерва по заданным критериям эффективности: максимум надежности функционирования системы, максимум ее гибкости и минимум стоимости структурно-технологического резерва.

В четвертой главе с использованием языка сетей Петри определяются временные и обобщенные резервы на комплексе операций и предлагаются методы определения дефицита ресурсов, множеств уязвимости и избыточности при выполнении комплексов операций по ликвидации причин и последствий ЧС.

План действий по ликвидации последствий ЧС может быть представлен как комплекс взаимосвязанных операций. В теории сетевого планирования и управления математической моделью комплекса операций является сетевая модель, т.е. ориентированный граф, дугам-операциям которого приписаны веса ^ (продолжительности операций),

а вершинам-событиям - веса ^ (сроки наступления событий). Исследованы различные типы сетевых моделей, связанные с вероятностным или детерминированным характером временных оценок и структуры комплекса операций и с видами логических операций, реализуемых событиями. Детально исследованы свойства характеристик сетей, событий и операций, рассмотрены соотношения между резервами времени событий и операций, получены условия существования резервов различных типов, предложены процедуры планирования и управления комплексами операций. Однако при использовании в качестве математической модели комплекса операций сетевых моделей достаточно сложно исследовать причинно-следственные связи между событиями, параллельные процессы и конфликтные ситуации.

Для преодоления указанных трудностей в качестве математической модели комплекса операций также используются сети Петри, которые обеспечивают возможность моделирования параллельных процессов и конфликтных ситуаций. Кроме того, исследуются процессы планирования и управления комплексами операций при дефиците ресурсов, что является характерным при управлении силами и средствами при ликвидации причин и последствий чрезвычайных ситуаций.

Таким обр а N = (Р,Т, Р, Мд,<1)- иная сеть Петри, в которой:

Проведена классификация чрезвычайных ситуаций, рассмотрены их характеристики. Приведены особенности управления и организации работ в условиях чрезвычайных ситуаций. Рассмотрены особенности функционирования систем управлении в условиях чрезвычайных ситуаций, а также особенности построения их организационных структур, особенности решения задач управления. Обоснована необходимость разработки и использования специальных математических моделей, отражающих динамику развития чрезвычайных ситуаций в регионе. Предложен язык и описание объекта моделирования. В качестве языка моделирования предлагается использовать модифицированные сети Петри, расширенные временным механизмом.

Моделируемым объектом является некоторая территория (область, регион) с ее инфраструктурой. В качестве элементов модели выделены техногенно-опасные объекты (вредные производства, склады опасных для населения и окружающей среды веществ и т.д.); защищаемые объекты (народно-хозяйственные объекты; население, рассосредоточенное по населенным пунктам, жилым массивам, зданиям в зависимости от степени детализации модели; мосты, водоисточники и т.д.); силы и средства предупреждения и ликвидации последствий ЧС; объекты размещения транспортных средств и строительной техники; пункты управления силами и средствами (основной, резервный, мобильные) и другие элементы, состав которых определяется решаемыми задачами управления.

В зависимости от степени детализации модели в качестве ее элементов выступают отдельные единицы сил и средств ликвидации причин и последствий ЧС (бригады скорой помощи, единицы технических средств и т.д.) или более крупные объединения. Элементы объектов моделирования связаны между собой транспортными магистралями, каждая из которых имеет свои характеристики. В моделях объектов учитываются причинно-следственные связи между различными поражающими факторами (ПФ), считаются заданными также функциональные зависимости для определения зон действия и интенсивности различных ПФ ЧС.

В процессе моделирования оценивается уровень риска и последствия, к которым могут привести потенциальные опасности на рассматриваемой территории, т. е. вероятности соответствующих событий и связанные с ними потенциальные ущербы. Для этого используются методы оценки риска, которые делятся на феноменологические, детерминистские и вероятностные.

Приведена классификация предложенных в работе расширений сетей Петри. Все используемые расширения сетей Петри разделены на 3

класса по характеристикам, которые приписываются позициям этих сетей.

Дадим формальное определение используемого аппарата моделирования. Для моделирования организационно-экономической системы, содержащей очаг возникновения ЧС, используется модифицированная сеть Петри N = (Р,Т,Р,М())<1тт,с1тах), состоящая из элементов: Р - множество позиций;

1. 2.

3.

4.

5.

6.

Т - множество переходов;

- функция инцидентности и кратности дуг;

М • Р_> Ц+

_ 0 •г ~ 14 - начальная разметка сети; Р: Р х Т —> Я - функция верхней кратности дуг;

<1тт :Т

с1тах:Т-Ж+

начальная и конечная задержки переходов.

Правило срабатывания переходов в модифицированной сети Петри задается следующим образом:

1.

2.

Переход г является УреР:М(р)>Р(р,1).

возможным при маркировке М, если

Если переход t стал возможным в момент времени т, то он может сработать в некий момент времени из интервала Если до момента срабатывания перехода условие его возможности было нарушено, то переход реиницииру-ется и отсчет времени срабатывания начинается заново. Если переход оставался возможным в течение всего временного интервала [х + с!т;п (1), х + <1тах (1)) и не сработал, то срабатывание форсируется в момент времени X + с1тах(1). 3. Маркировка, получаемая после срабатывания перехода I, вычисляется ПО ППЯТЗИТТЛ/* _

М'(р) = М(р)-к. Р(М)+к. Р0,Р), где к = т1п[

ре* IV ЦР.и )

Использование в качестве аппарата моделирования организационно-экономических систем, содержащих очаг возникновения ЧС, модифицированных сетей Петри, расширенных временным механизмом, дает следующие преимущества, по сравнению с применение ординарных и раскрашенных сетей:

1. Для ординарных сетей, на основе которых определены модифицированные сети, существуют наработки (анализ свойств сетей, их

классификация, различные алгоритмы), которые используются в работе.

2. Для проведения моделирования в модифицированной сети Петри требуется меньший объем вычислений, чем в сетях Петри более высокого класса, и, как следствие, результаты могут быть получены за меньшее время, что может быть критичным в случае необходимости принятия решений в кратчайшие сроки.

3. Поскольку модифицированные сети имеют более строгое определение, чем, например, раскрашенные сети, то решение задачи автоматизации процесса построения модели региона, в котором возможно возникновение ЧС, будет не столь трудоемко.

4. Для большинства практических приложений задач моделирования социально-экономических систем характерен низкий уровень точности исходных данных и качественный характер описания ряда зависимостей, что делает бессмысленным стремление к получению строгих решений на точных количественных моделях. Из-за этой особенности объекта моделирования нет возможности в полной мере использовать имеющийся в раскрашенных сетях механизм выражений, который позволяет с большей точностью изучать количественные характеристики моделируемых объектов.

5. Наличие временного механизма позволяет моделировать процессы, поведение которых зависит от времени.

В предлагаемой модели ликвидация последствий ЧС соответствует переходу сети Петри N в стационарное состояние, т.е. достижению некоторой маокиоовки из начальной маркировки Мд. Если терминальный язык ЬМс (Ы,Мо) = } рассматриваемой сети N с начальной маркировкой М0 и конечной маркировкой не пуст, то существует возможность ликвидации последствий ЧС силами и средствами, имеющимися в регионе. Слова данного терминального языка представляют возможные варианты ликвидации последствий ЧС. На множестве слов ставятся и решаются задачи оптимизации и принятия управленческих решений по ликвидации последствий ЧС. Критериями принятия решений служат минимальное время на ликвидацию последствий ЧС (либо последствий некоторого типа, например, минимальное время для вывоза пострадавших из зоны ЧС), минимальные материальные потери и т.п.

Предложенная в общем виде модель организационно-экономической системы, содержащей очаг возникновения ЧС, используется как один из важных элементов системы по предупреждению ЧС и

9

действиям в чрезвычайных ситуациях (СУ ЧС). При этом возможны следующие способы ее применения:

• разработка сценариев противодействия поражающим факторам ЧС;

• управление оптимальным размещением сил и средств, ликвидации поражающих факторов ЧС;

• моделирование причинно-следственных связей между возникающими ПФ и др.

Предложена также методика построения модели управления ликвидацией последствий ЧС с использованием специальным образом модифицированных сетей Петри. При этом большое внимание уделяется решению типовых задач управления силами и средствами ликвидации последствий ЧС.

Во второй главе рассмотрена детальная модель организационно-экономической системы, в которой отражаются процессы возникновения и развития ЧС, а также их ликвидации. Предложенная модель представляет собой модифицированную сеть Петри, которая включает в себя определенный набор подсетей (плоскостей), каждая из которых описывает динамику развития отдельного подпроцесса возникновения, развития и ликвидации ЧС. Каждая подсеть описывает динамику развития отдельного подпроцесса возникновения, развития и ликвидации последствий ЧС:

1. - подсеть, моделирующая возникновение и процесс распространения поражающих факторов (ПФ) между объектами;

2. - подсеть, моделирующая исходное размещение и процесс перемещения ресурсов между объектами;

р

3. - подсеть, моделирующая исходное размещение и процесс перемещения между объектами сил и средств (СиС) ликвидации поражающих факторов ЧС;

рс

4. - подсеть, моделирующая процесс перемещения между объектами ресурсов, с использованием имеющихся СиС;

5. - подсеть, моделирующая процесс воздействие поражающих факторов на защищаемые ресурсы;

ПС

6. - подсеть, моделирующая процесс ликвидации ПФ с использованием имеющихся СиС;

7. - подсеть, моделирующая управление силами и средствами при ликвидации поражающих факторов ЧС.

Таким образом, модель социально-экономической системы, в которой возможно возникновение и ликвидация ЧС, представляет собой сеть Петри К, состоящую из объединения подсетей

P1137Z

Введение.

Глава 1. Чрезвычайная ситуация как объект моделирования и управления.

1.1. Чрезвычайные ситуации и особенности организации работ по предупреждению и ликвидации их последствий.

Щ 1.2. Чрезвычайная ситуация как объект управления.

1.3. Принципы формирования и функционирования систем управления по предупреждению и ликвидации последствий ЧС.

1.4. Описание организационно-экономической модели развития ЧС и используемого аппарата моделирования.

Краткие выводы.

Глава 2. Разработка структуры и методов формирования модели ф1 возникновения, развития и ликвидации ЧС в регионе.

2.1. Общая структура модели.

2.2. Модели управления ликвидацией чрезвычайных ситуаций.

2.2.1. Обеспечение минимальных потерь защищаемых ресурсов.

2.2.2. Полная ликвидация или снижение до приемлемого уровня объема ПФ в кратчайшие сроки.

2.2.3. Полная ликвидация или снижение до приемлемого уровня интенсивности ПФ с минимальными затратами.

• 2.2.4. Недопущение возникновения в регионе поражающих факторов определенного вида в течение заданного периода времени при минимальных затратах.

2.2.5. Недопущение возникновения ПФ на определенных объектах в течение заданного периода времени при минимальных затратах.

2.3. Возможности декомпозиции предложенной модели.

Краткие выводы.

Глава 3. Структурно-технологический резерв и его использование для повышения устойчивости производственных систем.

3.1. Определение структурно-технологического резерва.

3.2. Определение характеристик структурнотехнологического резерва.

3.3. Методы учета взаимосвязи ЧС.

3.4. Методы выбора схем структурно-технологического резерва.

Краткие выводы.

Глава 4. Задачи оптимального распределения ресурсов при выполнении комплекса операций с учетом резервов различного типа.

4.1. Временные и обобщенные резервы на комплексе операций.

4.2. Природно-экологический резерв и возможности его использования.

4.3. Постановка задач оптимального распределения ресурсов при выполнении комплексов операций в условиях ЧС.

4.4. Методы решения задач оптимального распределения ресурсов.

Краткие выводы.

Актуальность темы. Возрастание масштабов техногенной деятельности современного общества, увеличение частоты и интенсивности проявления разрушительных сил природы крайне обострили проблемы, связанные с обеспечением безопасности человека, общества и окружающей среды.

Многие страны, в том числе и Россия, сталкиваются с необходимостью ликвидации в кратчайшие сроки последствий крупномасштабных чрезвычайных ситуаций (ЧС). Чрезвычайная ситуация представляет собой неблагоприятное сочетание факторов и событий, создающих угрозу жизни людей, нарушающих условия их нормальной жизнедеятельности, препятствующих производственной, хозяйственной, бытовой и другим видам деятельности.

Возникновение ЧС в первую очередь обусловлено объективно существующими возможностями зарождения и развития неблагоприятных стихийных явлений (землетрясения, тайфуны, наводнения, цунами и т.д.)

Четверть территории СНГ расположена в особо опасных с сейсмической точки зрения районах. Наличие в этих районах сооружений, к которым предъявляются повышенные требования по сейсмической безопасности, например атомных электростанций, зданий, взрывоопасных и химических производств существенно расширяют опасную зону, которая (по данным РАН) составляет около 40% территории СНГ. Так, например, только на территории РФ в сейсмоактивных зонах расположен 671 населенный пункт, где проживает более 27 млн. человек.

Сотрудники Федерального центра науки и высоких технологий МЧС России предсказали, то «в 2003 году в Москве, Санкт-Петербурге, Дагестане, Красноярском крае, Ленинградской, Нижегородской, Кемеровской, Московской, Ростовской и Тюменской областях произойдет

590-650 техногенных аварий и катастроф в основном из-за высокого уровня износа техники». Однако только за 9 месяцев этого года в России произошло 719 чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в названных районах.

Анализ величин потерь и материального ущерба, причиненного чрезвычайными ситуациями за последние пять лет во всем мире, выявил тенденцию их ежегодного роста на 10% - 30%.

Большие человеческие жертвы, огромный материальный ущерб, которые несут чрезвычайные ситуации, обусловили необходимость объединения и мобилизации усилий органов государственного управления всех уровней, сил, средств, материальных и финансовых ресурсов, научно-методологического обеспечения на решение задач предупреждения и минимизации потерь и последствий чрезвычайных ситуаций.

В этой связи анализ чрезвычайных ситуаций, как объектов управления, определение особенностей создания и функционирования соответствующих систем управления, а также разработка и реализация языка и методов моделирования организационно-экономических систем, функционирующих в условиях ЧС, являются исключительно актуальными задачами. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательской работы РАН по теме «Безопасность населения и народно-хозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф», а также планами РКК «Энергия» по отработке нештатных ситуаций на долговременных орбитальных станциях. Цель работы. Целями работы являются: - анализ чрезвычайных ситуаций как объектов управления и разработка языка моделирования, систем управления и комплексов мероприятий, направленных на максимальное снижение конечного уровня возможных потерь, ущербов и затрат, связанных с ликвидацией последствий чрезвычайных ситуаций;

- разработка формальных моделей и прикладных программ стратегического и оперативного управления распределением ресурсов на выполнение мероприятий по предупреждению, ликвидации причин и последствий чрезвычайных ситуаций;

- разработка моделей структурно-технологического и природно-экологического резервирования и их использование в моделях управления ликвидацией чрезвычайных и нештатных ситуаций; Методы исследования. Основные результаты диссертационной работы получены и математически обоснованы с использованием методов исследования операций, теории графов, сетей Петри и оптимизации на сетях и других разделов современной теории управления, а также путем проведения практических и экспериментальных расчетов на ЭВМ.

Научная новизна. В результате проведенных исследований, анализа и обобщения опыта планирования и управления действиями сил и средств по предупреждению и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций природного характера автором впервые:

- проведен анализ и исследованы особенности реализации основных функций и задач системы организационно-экономического управления деятельностью по предупреждению и ликвидации последствий возникновения и развития чрезвычайных ситуаций природного характера в различных режимах ее функционирования. На основе результатов анализа сформулированы основные проблемы разработки методов моделирования и распределения ресурсов в условиях чрезвычайных ситуаций, определены основные принципы и методы их решения; с учетом выявленных особенностей моделирования процессов возникновения, развития и ликвидации чрезвычайных ситуаций, и сравнения свойств и возможностей различных расширений сетей Петри, в качестве аппарата моделирования чрезвычайных ситуаций предложено использовать модифицированные специальным образом сети Петри, на основе которых разработаны модели организационно-экономических систем, функционирующих в условиях чрезвычайных ситуаций; разработаны модели возникновения и распространения поражающих факторов, воздействия поражающих факторов на защищаемые объекты, транспортной сети, управления ликвидацией чрезвычайных ситуаций с использованием имеющихся сил и средств; с использованием предложенной модели введено понятие структурно-технологического резерва производственной системы и разработаны методы его построения. Определены основные его характеристики, такие как эффективность и стоимость. Введены также понятия гибкости и устойчивости производственной системы в случае возникновения различного рода аварий и чрезвычайных ситуаций. На основании введенных понятий и определений разработана методика выбора наиболее эффективной и устойчивой структуры производственной системы для случаев невозможности нормального функционирования части ее производственных звеньев. Разработаны методы расчета вероятностных характеристик производственной системы для случаев возникновения в ее звеньях ЧС различного типа. Разработаны методы оптимального выбора схемы реализации структурно-технологического резерва по заданным критериям эффективности: максимум надежности функционирования системы, максимум ее гибкости и минимум стоимости структурно-технологического резерва;

- с использованием языка модифицированных сетей Петри определены временные и обобщенные резервы на комплексе операций. Предложены методы определения дефицита ресурсов, множеств уязвимости и избыточности при выполнении комплексов операций по ликвидации причин и последствий ЧС;

- введено понятие природно-экологического резерва и исследованы возможности его использования. Получены аналитические выражения для расчета объемов природно-экологических резервов различного типа;

- разработаны методы и алгоритмы решения типовых задач оперативного управления силами и средствами в условиях чрезвычайных ситуаций в терминах модифицированных сетей Петри.

Практическая ценность. Разработанные в диссертации методологический подход, язык и методы моделирования позволяют существенно повысить эффективность разработки и функционирования соответствующих систем управления, сократить затраты и сроки их создания, обеспечить необходимую информационную поддержку в условиях чрезвычайных ситуаций.

Разработанные методы, алгоритмы и программные средства могут быть использованы при проектировании систем управления в условиях чрезвычайных ситуаций в научно-исследовательских, проектных организациях и вычислительных центрах, разрабатывающих и внедряющих системы подобного класса, а также в информационно-управляющих центрах комиссий и комитетов по чрезвычайным ситуациям в регионах РФ.

Внедрение. Предложенные модели и методы использовались при разработке специального программного обеспечения отработки нештатных ситуаций на долговременных орбитальных станциях; при разработке систем управления экологической безопасностью на ряде объектов РФ; при выполнении научно-исследовательских работ по специальной тематике.

Личный вклад. Все основные положения и результаты, выносимые на защиту, получены автором самостоятельно.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных конференциях «Проблемы управления безопасностью сложных систем», «Проблемы регионального и муниципального управления», «Теория активных систем».

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 15 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 228 страниц, в том числе основной текст - 202 страницы, 45 рисунков, 2 таблицы, а также список литературы, включающий 92 наименования.

Заключение

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. На основе проведенного анализа, исследования и обобщения особенностей чрезвычайной ситуации как объекта управления решена важная народно-хозяйственная задача, заключающаяся в создании теоретических и методологических положений и разработке структуры модели организационно-экономической системы, в которой отражаются процессы возникновения и развития чрезвычайных ситуаций, а также их ликвидации.

2. Проведен анализ и исследованы особенности реализации основных функций и задач системы организационно-экономического управления деятельностью по предупреждению, ликвидации причин и последствий возникновения ЧС в различных режимах ее функционирования. Сформулированы основные проблемы разработки систем управления, функционирующих в условиях ЧС, принципы и методы их решения; Определены основные стратегии достижения сформированной совокупности частных и общие целей СУ ЧС, обеспечивающие максимальное снижение вероятности возникновении ЧС, а также конечного уровня возможных ущербов, потерь и затрат, связанных с их ликвидацией.

3. Проведен обзор и сопоставительный анализ принципов формирования и функционирования создаваемых в различных странах систем управления (в том числе автоматизированных) по предупреждению и ликвидации последствий ЧС. При этом основное внимание уделено анализу особенности функционирования МЧС РФ и системе РЕМА (США).

4. На основе анализа ЧС как объектов управления выявлены особенности моделирования, создания и функционирования соответствующих систем управления, реализации основных функций и задач системы управления деятельностью по предупреждению и ликвидации последствий ЧС в различных режимах функционирования. С учетом выявленных особенностей и сравнения свойств и возможностей различных расширений сетей Петри, в качестве аппарата моделирования ЧС предложено использовать модифицированные специальным образом сети Петри, на основе которых разработана модель организационно-экономической системы, функционирующей в условиях ЧС. Предложенная модель представляет собой модифицированную сеть Петри, которая включает в себя определенный набор подсетей (плоскостей), каждая из которых описывает динамику развития отдельного подпроцесса возникновения, развития и ликвидации ЧС. Разработаны возможности декомпозиции предложенной модели и способы ее реализации.

5. Предложены процедуры формирования причинно-следственных связей между факторами риска и интенсивностью их развития на техногенно-опасных объектах и между ними. Разработаны модели возникновения и распространения поражающих факторов, воздействия поражающих факторов на защищаемые объекты, транспортной сети, управления ликвидацией ЧС с использованием имеющихся сил и средств. Поставлены задачи оптимизации управления имеющимися силами и средствами в условиях возникновения ЧС по заданным критериям эффективности.

6. С использованием предложенной модели введено понятие структурно-технологического резерва производственной системы и разработаны методы его построения. Определены основные его характеристики, такие как эффективность и стоимость. Введены также понятия гибкости и устойчивости производственной системы в случае возникновения различного рода аварий и чрезвычайных ситуаций. На основании введенных понятий и определений разработана методика выбора наиболее эффективной и устойчивой структуры производственной системы для случаев невозможности нормального функционирования части ее производственных звеньев. Разработаны методы расчета вероятностных характеристик производственной системы для случаев возникновения в ее звеньях ЧС различного типа. Разработаны методы оптимального выбора схемы реализации структурно-технологического резерва по заданным критериям эффективности: максимум надежности функционирования системы, максимум ее гибкости и максимум стоимости структурно-технологического резерва. С использованием языка модифицированных сетей Петри определены временные и обобщенные резервы на комплексе операций. Предложены методы определения дефицита ресурсов, множеств уязвимости и избыточности при выполнении комплексов операций по ликвидации причин и последствий ЧС. Введено понятие природно-экологического резерва и исследованы возможности его использования. Получены аналитические выражения для расчета объемов природно-экологических резервов различного типа. Поставлены задачи оптимального распределения ресурсов при выполнении комплексов операций в условиях ЧС по различным критериям эффективности и с учетом возможностей предложенных и исследованных типов резервов.

8. Разработаны методы и алгоритмы решения типовых задач оперативного управления силами и средствами в условиях чрезвычайных ситуаций в терминах модифицированных сетей Петри.

9. Предложенные модели и методы использовались при разработке специального программного обеспечения отработки нештатных ситуаций на долговременных орбитальных станциях; при разработке систем управления экологической безопасностью на ряде объектов РФ; при выполнении научно-исследовательских работ по специальной тематике.

1. Малинецкий Г. Г., Потапов А. Б. Катастрофы и бедствия глазами нелинейной динамики // Знание-сила. 1998. N£ 3. С. 27-34.

2. Алексеев Н. А. Стихийные явления в природе: проявление, эффективность защиты. М.: Мысль, 1988.

3. Эре он Пасло. Век бифуркаций. Постижение изменяющегося мира // Путь. Международный философский журнал. 1995. №. 7. С. 3-129.

4. Моисеев Н. Н. Экология человечества глазами математика. М.: Наука, 1988.

5. Ковалевский Ю. Н. Стихийные бедствия и катастрофы. Рига: Зинатне, 1986.

6. Иванов С. А., Страхов В. Н., Шахраманьян М. А. О проекте федеральной целевой программы "Развитие Федеральной системы сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений" // ФССН (информационно-аналитический бюллетень), Т. 1. №. 2, 1994.

7. ГОСТ 322.0.02-94. Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Термины и определения основных понятий. М.: Изд-во стандартов, 1995.

8. Архипов а Н. И., Кульба В. В. Управление в чрезвычайных ситуациях. М.: РГГУ, 1994.

9. Порфирьев Б. Н. Организация управления в чрезвычайных ситуациях. М.: Знание, 1989.

10. Galliot F. The national strategies fot the prevention and response of industrial accidents: an overview // UNEP Industry and environment. 1988. No. 3. P. 25.

11. Одум Ю. Экология. M.: Мир, 1989.

12. Smets H. The cost of accidental pollution // UNEP Industry and environment. No. 4. P. 28-33, 1988.

13. Кузьмин И. И., Легасов В. А., Черноплеков Н. А. Влияние энергетики на климат // Изв. АН СССР. Энергетика и трансп. 1984. Т. 20. N2 11. с. 1098

14. Бабаев Н. С., Демин В. Ф., Ильин JI. А. и др. Ядерная энергетика, человек и окружающая среда / Под ред. акад. А. П. Александрова. Изд. второе, дополненное. М.: Энергоатомиздат, 1984.

15. Будыко М. И., Голицин Г. С., Кузьмин И. И. и др. Антропогенное изменение климата / Под ред. М. И. Будыко и Ю. А. Израэль. JL: Гидрометеоиздат, 1987.

16. Бурдаков Н. Н., Кульба В. В., Назарета» В. М. Проблемы управления риском. Тезисы докладов I Международной конференции "Проблемы управления в чрезвычайных ситуациях". М.: ИПУ, 1992.

17. Архипова Н. И., Квасницкий В. Н., Кульба В. В. Проблемы управления риском. Мир информации, личность и общество. М.: МАИ, 1994.

18. Кульба В. В., Серегин А. С. Особенности управления в условиях чрезвычайных ситуаций. М.: РСПИ, 1991.

19. Порфирьев Б. Н. ФЕМА управляет ситуацией // НТР: проблемы и решения. N2 11 1987.

20. Моргачев В. Н. Формы и методы территориального управления в США и Канаде. М.: Экономика, 1987.

21. Закон Российской Федерации "О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера" // Гражданская защита. N2 1 1995.

22. Закон Российской Федерации "О гражданской обороне" // Гражданская защита. № 4. 1994.

23. Постановление Правительства РФ от 18.04.92 г. N2 261 "О создании Российской системы предупреждения и действий в чрезвычайных ситуациях". Сборник нормативных документов по вопросам ГКЧС России. М.: МЧС, 1993.

24. Цвиркун А. Д. Основы синтеза структуры сложных систем. М.: Наука, 1982.

25. Мамиконов А. Г., Цвиркун А. Д., Кульба В. В. Автоматизация проектирования АСУ. М.: Энергоиздат, 1981.

26. Штейн Б. Е., Штейн Н. Е. О задаче размещения компонентов сложных систем. Изв. АН СССР. Техн. кибернетика. 1970. № 1. С. 25-34.

27. Рапопорт В. С., Дулькин М. 3. Методы совершенствования организационных структур управления. М.: АНХ РФ, 1987.

28. Португал В. М., Семенов А. И., Кублинов В. К. Организационная структура оперативного управления производством. М.: Наука, 1986.

29. Цвиркун А. Д., Акинфиев В. К., Филиппов В. А. Имитационное моделирование в задачах синтеза структуры сложных систем. М.: Наука, 1985.

30. Бурков В. Н., Казиев Г. 3., Кузьмицкий А. А., Кульба В. В. Модели и методы выбора целевых программ // АиТ. 1994. № 4. С. 135-142.

31. Маршалл В. Основные опасности химических производств. М.: Мир, 1989.

32. Швецов А. Р. Использование сетей Петри при управлении силами и средствами в условиях чрезвычайных ситуаций. II Международная конференция "Проблемы управления в ЧС". М.: ИПУ РАН, 1994. С. 22.

33. Шостак В. Ф. Управление сложными технологическими комплексами в нештатных режимах работы на основе распознания образов в интеллектуальной системе. II Международная конференция "Проблемы управления в ЧС". М.: ИПУ РАН, 1994. С. 24.

34. Архипова Н. И., Казиев Г. 3. Задача эвакуации пострадавших из зоны чрезвычайных ситуаций. III Международная конференция "Проблемы управления в ЧС". М.: ИПУ РАН, 1995. С. 52.

35. Бобков С. И., Брушлинский Н. Н. Концепция механизма функционирования системы обеспечения противопожарной живучестипроизводственно-экономических систем и городов. III Международная конференция "Проблемы управления в ЧС". М.: ИПУ РАН, 1995. С. 103.

36. Семиков В. Л. Международная срочная экологическая помощь "INTERHELP". III Международная конференция "Проблемы управления в ЧС". М.: ИПУ РАН, 1995. С. 15.

37. Майника Э. Алгоритмы оптимизации на сетях и графах. М.: Мир, 1981.

38. Управление в чрезвычайных ситуациях: требования к руководящим органам. Обзор // Гражданская оборона, 1985.

39. Организация и ведение спасательных работ при стихийных бедствиях, авариях и катастрофах. М.: ВЦОК ГО, 1989.

40. Pelt.Hobal. Information System on natural hazards. Databases for global science. ISPRS. pp.475-479, 1994.

41. J.Ehralt At., F.Fisher, I.Hasemann, A.Lorens, J.Pasler-Sauer, D.Shule. RODOS, a real-time on-line decision support system for nuclear emergency management in Europe Radiation Protection Dosimetry. Vol.50, pp. 188-199, 1994.

42. Some H., Holo O. PPS-Public protection Systems. Proceedings for Oslo Conference on International aspects of Emergency Management and Environmental technology. Oslo, pp.343-348, 1995.

43. Konno R., Virtanen K. Accident modeling in risk assessment and emergency management and environmental technology. Oslo, Menbrain, 141-148,1995.

44. I.Sebastion, Koning H. Decision support Systems for industrial pollution control: methodology and results. Proceedings for Oslo Conference on International aspects of Emergency Management and Environmental technology. Oslo, Menbrain,pp.77-90, 1995.

45. Порфирьев Б.Н. ФЕМА управляет ситуацией // HTP: проблемы и решения. 1987.

46. Порфирьев Б.Н. Федеральная системы управления в чрезвычайных ситуациях в США. -ВИНИТИ. Вып.6. -М.:1990.

47. Закон Российской Федерации "О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера". -М.: Гражданская защита,№1,1995.

48. Закон Российской Федерации "О гражданской обороне". -М.: Гражданская защита,№4,1994.

49. Постановление Правительства РФ от 18.04.92 №261 "О создании Российской системы предупреждения и действий в чрезвычайных ситуациях ". -М.: Сборник нормативных документов по вопросам ГКЧС России, 1993.