автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.10, диссертация на тему:Система информационной поддержки процедур принятия управленческих решений по предупреждению чрезвычайных ситуаций

КОЛЕСЕНКОВ Александр Николаевич

СИСТЕМА ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ ПРОЦЕДУР ПРИНЯТИЯ УПРАВЛЕНЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЮ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ

Специальность 05.13.10 - Управление в социальных и экономических системах

1 С ОЕЗШ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рязань 2012

005010006

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет»

Научный руководитель: почетный работник

высшего профессионального образования РФ,

кандидат технических наук, профессор Костров Борис Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Белов Владимир Викторович

кандидат технических наук, доцент Терехин Александр Николаевич

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Владимирский

государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

Защита диссертации состоится 16 марта 2012 года в 12:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.211.02 в ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет» по адресу: 390005, г. Рязань, ул. Гагарина, д. 59/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет».

Автореферат разослан « » февраля 2012 г.

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

Таганов А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На территории Рязанской области расположено множество производственных объектов повышенного риска, которые могут представлять угрозу жизни и здоровью людей в случае возникновения на них чрезвычайных ситуаций. Основные тенденции формирования техногенной опасности на территории Рязанской области на 2012 год будут определяться такими видами чрезвычайных ситуаций (ЧС), как аварии на взрыво- и пожароопасных объектах, включая комплексы по хранению, переработке и реализации горюче-смазочных материалов.

Мировая практика показывает, что самым эффективным способом снижения социально-экономических последствий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера является их предупреждение, в основе которого лежит непрерывный мониторинг потенциально опасных объектов (ПОО), позволяющий осуществлять информационную поддержку процедур принятия управленческих решений по предупреждению чрезвычайных ситуаций.

Анализ научных работ, выполненных в области развития систем мониторинга чрезвычайных ситуаций, выявил основные оперативнотактические задачи, которые возложены на них:

- информационная поддержка работ, выполняемых в целях подготовки и реализации мер по обеспечению безопасного функционирования потенциально опасных объектов;

- сбор, обработка, хранение и передача информации о местоположении, параметрах состояния потенциально опасных объектов, маршрутах передвижения транспорта к ним и других необходимых данных;

- прогнозирование угроз потенциально опасным объектам и динамики изменения их состояния под влиянием природных, техногенных и других факторов.

Однако на сегодняшний день не существует общих подходов к разработке архитектуры систем, которые позволяли бы в полной мере обеспечить нужды регионов России по информационной поддержке принятия решений по предупреждению чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера на потенциально опасных объектах.

Поэтому в настоящее время актуальной является задача разработки геоинформационных систем мониторинга и предупреждения ЧС природного и техногенного характера на ПОО (ГИС МПЧС) для субъектов РФ, одним из которых является Рязанская

область. Основной задачей их функционирования является

информационная поддержка разработки и реализации мер по своевременному прогнозированию, выявлению и предупреждению угроз и кризисных ситуаций на потенциально опасных объектах за счет использования различных данных, среди которых можно выделить аэрокосмическую информацию и трехмерные модели объектов.

Степспь разработанности темы. Развитие системы

прогнозирования чрезвычайных ситуаций МЧС России выявило чрезвычайную дороговизну и сложность обеспечения полноценного мониторинга обширных территорий России наземными средствами. Невыполнима в полной мере эта задача и с помощью авиации. Однако в последнее время на рынке поставщиков результатов космической деятельности появляется информация среднего и высокого

разрешения, которая может быть использована для оперативного выявления изменений в ситуационных площадных моделях потенциально опасных объектов.

Вопросы использования аэрокосмических изображений (АКИ) в геоинформационных системах (ГИС) достаточно широко отражены в трудах Алпатова Б.А., Асмуса В.В., Еремеева В.В., Журавлева Ю.И., Злобина В.К, Лупяна Е.А., Сойфера В.А., Ташлинского А.Г., Шахраманьяна М.А., Gonzalez R., Kronberg P., Pratt W., Rosenfeld A., Woods R. и других отечественных и зарубежных ученых. Работы этих авторов составляют научно-методическую основу для решения задач, поставленных в диссертации.

Эффективное функционирование ГИС невозможно без периодического обновления аэрокосмической информации, для чего необходимы эффективные алгоритмы совмещения разновременных снимков. Эта задача рассматривалась в работах перечисленных авторов, имеются и программные реализации этой функции в существующих ГИС-системах. Однако вопросы разработки алгоритмов, адекватных реальным геометрическим искажениям аэрокосмических изображений и позволяющих выполнить поставленную задачу' с заданной точностью и быстродействием, в должной степени в публикациях не представлены.

Цель работы состоит в снижении риска воздействия на потенциально опасные объекты факторов техногенного и природного характера за счет применения системы мониторинга, позволяющей осуществлять информационную поддержку разработки и реализации мер по своевременному прогнозированию, выявлению и предупреждению угроз и кризисных ситуаций в отношении

потенциально опасных объектов.

Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задами:

- разработка структуры геоинформационной системы мониторинга и предупреждения чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера на потенциально опасных объектах Рязанской области;

- оценка влияния применения разрабатываемой геоинформационной системы на вероятность возникновения ЧС;

- разработка технологии совмещения разновременных аэрокосмических изображений для мониторинга ПОО;

- разработка технологи! создания трехмерных моделей объектов для использования в геоинформационных системах;

- разработка ГИС МПЧС.

Научная новшна работы определяется созданием технологии совмещения разновременных изображений для оперативного мониторинга потенциально опасных объектов, применением трехмерных средств для отображения потенциально опасных объектов и разработкой на этой основе геоинформационной системы мониторинга и предупреждения ЧС природного и техногенного характера на ПОО региона Российской Федерации.

На защиту выносятся следующие новые научные результаты:

- иерархическая структура геоинформационной системы мониторинга и предупреждения ЧС природного и техногенного характера на ПОО Рязанской области;

- методика оценки влияния применения информационных систем на вероятность возникновения ЧС на ПОО;

- технология совмещения разновременных изображений для оперативного мониторинг ПОО;

- технология создания трехмерных моделей ПОО для использования в геоинформационных системах;

- геоинформационная система мониторинга и предупреждения чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера на потенциально опасных объектах Рязанской области.

Практическая ценность работы состоит в том, что предложенные технологии, методики и алгоритмы позволяют существенно повысить эффективность мониторинга чрезвычайных ситуаций на ПОО региона РФ и оперативность принятия решений в экстренных ситуациях. Эти технологии доведены до практической реализации в виде геоинформационной системы мониторинга и предупреждения ЧС природного и техногенного характера на ПОО

Рязанской области, с помощью которой осуществляется информационная поддержка процедур принятия управленческих решений по предупреждению чрезвычайных ситуаций.

Реализация и внедрение. Диссертация выполнена в Рязанском государственном радиотехническом университете.

Результаты диссертационной работы внедрены в Главном управлении МЧС России по Рязанской области, что подтверждает научную новизну, актуальность и практическую значимость проведенных исследований.

Результаты научных исследований, полученные в процессе работы над диссертацией, использованы при выполнении следующих научно-исследовательских работ в РГРТУ:

1. НИР 7-08Г «Разработка методов и информационных технологий совмещения синхронно формируемых и разновременных изображений», г.р. № 01200802811.

2. НИР 36-09 «Информационная система предупреждения и прогнозирования развития чрезвычайных ситуаций на техногенных комплексах хранения горюче-смазочных материалов», г.р. №01200963517, выполненной в рамках Государственного контракта №П2390 от 18 ноября 2009 г. по Федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.

Результаты исследований и разработанные в процессе работы над кандидатской диссертацией программные комплексы «ГисКор -модуль привязки аэрокосмических изображений к электронной карте для геоинформационных систем» (Свидетельство о регистрации электронного ресурса ОФЭРНиО № 16976 от 07.04.2011) и «ИмКор — программный комплекс исследования построения взаимнокорреляционной функции изображений» (Свидетельство о регистрации электронного ресурса ОФЭРНиО № 16977 от 07.04.2011) внедрены в учебный процесс кафедры электронных вычислительных машин Рязанского государственного радиотехнического университета и используются студентами направления 230100 «Информатика и вычислительная техника» в курсах «Теория вероятностей, математическая статистика и случайные процессы» и «Обработка аэрокосмических изображений».

Соответствие паспорту специальности. Содержание диссертации соответствует п.6 - «Разработка и совершенствование методов получения и обработки информации для задач управления социальными и экономическими системами» и п. 10 - «Разработка методов и алгоритмов интеллектуальной поддержки принятия

управленческих решений в экономических и социальных системах» паспорта специальности 05.13.10 «Управление в социальных и экономических системах».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XIV Всероссийской научнотехнической конференции «Новые информационные технологии в научных исследованиях и образовании» (Рязань, 2009); Седьмой всероссийской открытой ежегодной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, 2009), 16-й Международной научно-технической конференции

«Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» (Рязань, 2010) и IV Всероссийской научнопрактической конференции «Научное творчество XXI века» с международным участием (Красноярск, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 статей (4 статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ) и 2 тезиса доклада на международных и всероссийских конференциях, получено 2 свидетельства о регистрации электронных ресурсов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и приложения, которое содержит документы о внедрении и практическом использовании полученных результатов, а также свидетельства о регистрации электронных ресурсов. Основной текст работы содержит 140 страниц, 45 рисунков, 7 таблиц. Список литературы включает 96 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе был проведен анализ существующих систем информационной поддержки процедур принятия управленческих решений по предупреждению чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, исследованы подходы к оценке риска чрезвычайных ситуаций, описаны технологии мониторинга и предупреждения чрезвычайных ситуаций.

Рязанская область является одним из сложных регионов в плане мониторинга и предупреждения ЧС, поскольку на территории области размещено множество потенциально опасных объектов, лесных массивов, торфяников и т.п.

Существующие зарубежные системы мониторинга и предупреждения чрезвычайных ситуаций на ПОО в своем большинстве не продаются, а те, что продаются, - имеют высокую стоимость и не приспособлены к нашим условиям.

В России создана ведомственная «Система космического

мониторинга ЧС» (СКМ ЧС), в рамках функционирования которой космическая информация наиболее активно применяется при установленном факте ЧС в целях оценки и снижения ущерба, а также при ликвидации последствий ЧС.

В СКМ ЧС остаётся нерешенным ряд проблемных вопросов:

- отсутствие технологий выявления изменений на ПОО;

- отсутствие технологии визуального отображения ПОО;

- отсутствие возможности работы с системой через локальную сеть или Интернет;

- отсутствие возможности обучения сотрудников МЧС и построения сценариев ЧС на ПОО.

Риск чрезвычайной ситуации сочетает в себе вероятность возникновения ЧС и её объем, который выражается в социальноэкономических потерях.

Проблема снижения совокупного регионального риска, особенности работы в условиях ЧС порождают большое количество задач фундаментального и прикладного характера. В первую очередь, это задача создания эффективной геоинформационной системы мониторинга и предупреждения ЧС природного и техногенного характера на ПОО.

Во второй главе рассмотрены особенности логиковероятностного управления риском. Разработана методика оценки влияния применения информационных систем на вероятность возникновения чрезвычайной ситуации. Применение методики продемонстрировано на примере оценки вероятности возникновения пожара на складе хранения горюче-смазочных материалов.

На основе анализа деятельности Главного управления МЧС по Рязанской области было выявлено наличие разрозненных пространственных и атрибутивных данных о потенциально опасных объектах, накопленных в подразделениях управления. Отсутствие системных связей между этими материалами не позволяет использовать их в качестве инструмента информационной поддержки осуществления управления реализацией мероприятий по предупреждению чрезвычайных ситуаций на ПОО. Было предложено объединить имеющиеся информационные ресурсы в пространственно-увязанную систему, дополнив её необходимыми элементами детализации и визуализации обстановки на объектах. Предложенная иерархическая структура ГИС мониторинга и предупреждения ЧС на ПОО региона представлена на рис. 1 и состоит из 5 уровней:

- «Общая информация о ПОО региона» включает карту региона в масштабе 1:1000000 с размещенными на ней населенными пунктами;

- «Детальная информация о ПОО населенного пункта» включает карту населенного пункта в масштабе 1:10000 с размещенными на ней ярлыками ПОО;

- «Планы и карты ПОО» включает планы и карты потенциально опасных объектов в масштабе 1:500 с географической привязкой к картам 1-го и 2-го уровней;

- «Аэрокосмические изображения ПОО» включает АКИ потенциально опасных объектов с координатной привязкой к картам 1, 2- и 3-го уровней;

- «Трехмерные модели ПОО» включает трехмерные модели ПОО, созданные как по классической технологии, так и по технологии «ЗЭ-Юиг».

Данная иерархическая структура служит основой для создания инструментальных средств информационного обеспечения работы подразделений управления МЧС, эффективность применения которых может быть оценена на основе логико-вероятностного исчисления (ЛВИ), которое возникло в конце XX столетия как теория количественной оценки безотказности сложных технических структур. Она базируется на правилах замещения логических аргументов в функциях алгебры логики вероятностями их истинности, а логических операций - арифметическими.

Привлекательность ЛВИ заключается в его исключительной четкости и однозначности количественной оценки риска, а также в больших возможностях при анализе влияния любого элемента на надежность и безопасность всей системы.

Логическая функция безопасного функционирования системы представляется как

где х, - логическая переменная, характеризующая состояние

подсистемы г; / = 1, п , п - количество подсистем в системе.

Все множество вероятных состояний объекта представляется множеством векторов:

На основе положений ЛВИ предложена методика оценки влияния применения информационных систем на вероятность возникновения ЧС на ПОО, содержащая:

- начальное структурно-логическое моделирование сценария ЧС;

(1)

1

1, если подсистема і функционирует, ■О, если подсистема г не функционирует,

(2)

- расчет логической функции безопасного функционирования

ПОО;

- определение расчетной вероятностной модели ПОО

Рбф ~ Р Фі ) ■>

где /); - вероятность состояния х, подсистемы г; / = 1,и;

- выполнение расчетов вероятности безопасного функционирования и вероятности возникновения ЧС при различных входных параметрах.

Применение методики апробировано на сценарии риска возникновения пожара, построенного на основе анализа паспорта безопасности склада хранения горюче-смазочных материалов.

Результаты проведенных расчетов, представленные на рис. 2, показали, что использование предлагаемой ГИС приводит к снижению вероятности возникновения пожара более чем в 4 раза, что подтверждает целесообразность использования всех 5 уровней предложенной иерархической структуры ГИС.

..А...

і Общая инф. 1 - -V----- --^1 -,

Детальная ииіЬ.

і

%

1 Планы и каоты ПОО 1 • Аэрокосмические изобоажения Тоехмеоные модели ПОО

"і

і

і

Рбф

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

А

№ уровня

Рисунок 1 - Иерархическая структура ГИС МПЧС

Рисунок 2 - График зависимости РБФ от используемых уровней ИС

В третьей главе предложены и исследованы алгоритмы корреляционно-экстремальной идентификации двух изображений, устраняющих из коррелируемых спектров информационную избыточность, двухэтапный алгоритм вычисления корреляционной функции в спектральной области с уменьшением масштаба эталонного и текущего изображений. Представлена технология привязки разновременных аэрокосмических изображений.

Для осуществления полноценного мониторинга ПОО требуется постоянное обновление аэрокосмической информации, для чего

необходима разработка и исследование эффективных алгоритмов вычисления корреляционно-экстремальной функции двух изображений.

К недостаткам классического алгоритма вычисления корреляционной функции относятся большой объем вычислений и большое количество локальных экстремумов взаимно-корреляционной функции (рис. 3).

Однако даже при реализации быстрого преобразования Фурье в цифровой форме не всегда удается достичь желаемого результата. Чтобы процесс корреляции имел быстрый алгоритм, а реализация его была наиболее простой, предлагается использовать вещественно-диадную свертку, вычисляемую с применением преобразования Уолша, которое, как известно, может быть в десятки раз быстрее, чем преобразование Фурье.

Для случая вычисления взаимно-корреляционной функции (ВКФ) двух изображений формула для вещественно-диадной свертки принимает вид:

КВд(Р,ё) = -~1. 2 [н1(. [/эй('у>]ни, ] * К [[тиа + /у + £)]н„. ], (4)

А!К /=о у=о .

где Ни - матрица Адамара, [[зи а,])} и [/■„// + pJ + &у] - матрицы элементов эталонного (ЭИ) и текущего изображения (ТИ), / = 0,^-1, У = 0, АГ — 1, Nх К - размер ЭИ; р, g - смещение ЭИ относительно ТИ; знак X определяет суммирование строк и столбцов матрицы, * - знак поэлементного умножения (рис. 4).

Рисунок 3- ВКФ двух изображений

На основе вещественно-диадной свертки построены и

Рисунок 4 - ВКФ двух изображений по формуле (4)

исследованы следующие алгоритмы:

- алгоритм, устраняющий информационную избыточность с помощью высокочастостной фильтрации:

Квч(р,8) = ^ Е211Н „\/эиСч)Ю* ]*

ЫК /=оу=о

*ЫМтцО + АУ' + ^]Н„]*Нг¥], (5)

где На7 - фильтр верхних частостей;

- алгоритм, устраняющий информационную избыточность методом прореживания базисных функций:

(6)

Ж «>./=о

где Н?/ - модифицированная матрица Адамара, Н,'п -

модифицированная матрица Адамара, транспонированная по

отношению к Н'^;

- алгоритм, использующий квазидвумерное спектральное представление коррелируемых изображений:

КГ(Д (р, = I/эиОЛ* [«г \1ти0 + Л/ + • (7)

Ык '=оу=о

В результате приведенных исследований можно сделать вывод о надежности алгоритмов, основанных на квазидвумерных способах корреляции, при получении выигрыша в объеме вычислений примерно в 3 раза по сравнению с классическим алгоритмом совмещения изображений.

Одним из возможных способов повышения производительности корреляционных алгоритмов совмещения аэрокосмических изображений может быть последовательное снижение разрешения изображений с последующим довычислением корреляционной функции К(р^).

Задачу координатной привязки АКИ можно решить с использованием предложенных алгоритмов корреляционноэкстремальной идентификации изображений в 3 этапа:

- выделение с помощью алгоритма автокорелляции на текущем АКИ N эталонных фрагментов (ЭФ) заданного размера с максимальным содержанием легко распознаваемых объектов земной поверхности;

- нахождение для каждого из выделенных на 1-м этапе ЭФ их

отображения на новом АКИ и, соответственно, точки совмещения текущего и нового аэрокосмического изображения;

- осуществление привязки нового АКИ к текущему по найденным точкам совмещения.

Обновление АКИ в ГИС МПЧС производится с требуемой частотой, которая может быть ограничена только возможностями соответствующих спутников ДЗЗ.

В четвертой главе осуществлена разработка геоинформациопной системы мониторинга и предупреждения ЧС природного и техногенного характера на потенциально опасных объектах Рязанской области, предложена технология создания трехмерных моделей потенциально опасных объектов для использования в геоинформационных системах, приведены примеры функционирования ГИС МП ЧС.

В результате реализации иерархической структуры разработаны программные модули ГИС МПЧС, состав и связи между которыми представлены на рис. 5.

Рисунок 5 - Состав и связи между программными модулями ГИС

МПЧС

В соответствии с «Требованиями по предупреждению

чрезвычайных ситуаций на потенциально опасных объектах и объектах жизнеобеспечения» (Приказ МЧС России от 28.02.2003 г. №105) в состав ГИС должны входить средства визуализации объектов. В рамках реализации этих требований предложена технология создания трехмерных моделей для использования их в геоинформационных системах мониторинга ПОО, которая состоит из следующих этапов:

- формирование площадной модели трехмерного представления ПОО на основе космических снимков;

- создание ЗО-моделей ПОО и их размещение в соответствии с положением на площадной модели, включая автоматическую координатную привязку;

- привязка точек формирования панорам ЗГМоиг к космическому снимку и создание панорам ПОО из этих точек;

- обновление трехмерных моделей в случае обнаружения изменений на потенциально опасных объектах, выявленных в процессе мониторинга.

Применение аэрокосмической информации и трехмерного представления ПОО (рис. 6) в ГИС МПЧС (рис. 7) позволяет:

- повысить оперативность и качество представления информации о пространственных данных для руководства Главного управления МЧС и Администрации Рязанской области;

- планировать расположение сил и средств для проведения возможных аварийно-спасательных работ на реальной местности;

- вести мониторинг состояния объектов;

- учитывать размещение объектов относительно друг друга;

- проводить дистанционное обучение сотрудников МЧС и персонала предприятия мерам предотвращения, ликвидации и оценки последствий ЧС.

Рисунок 6 - Трехмерное представление ПОО

Рисунок 7 - Интерфейс разработанной ГИС МПЧС

В соответствии с «Рекомендациями по реализации Требований по предупреждению чрезвычайных ситуаций на потенциально опасных объектах и объектах жизнеобеспечения» от 05.11.2003 для каждого потенциально опасного объекта должны быть разработаны следующие документы:

- паспорт безопасности опасного объекта;

- план мероприятий по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций;

- план подготовки руководящего состава и специалистов по вопросам предупреждения, локализации и ликвидации чрезвычайных ситуаций.

Первый экземпляр паспорта безопасности опасного объекта хранится на объекте, второй - направляется в Главное управление МЧС России по месту расположения объекта и предназначается для организационно-методического руководства и координации деятельности по защите населения и территории области от чрезвычайных ситуаций.

План действий по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций ежегодно корректируется на основе данных прогнозирования техногенных чрезвычайных ситуаций на потенциально опасных объектах.

Разработанная ГИС МПЧС позволяет осуществлять:

- организационно-методическое управление реализацией мероприятий по предупреждению чрезвычайных ситуаций на ПОО;

- информационную поддержку разработки документации на потенциально опасные объекты;

- контроль соответствия плана предприятия, объемно-планировочных решений помещений, зданий и сооружений, путей эвакуации требованиям нормативных доку ментов;

- обучение спасательных формирований, подразделений пожарной охраны, служб и подразделений опасного объекта;

- отслеживание наличия на объекте защитных сооружений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основные результаты диссертационного исследования состоят в следующем:

1. Разработана иерархическая структура геоинформационной системы мониторинга и предупреждения чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера на потенциально опасных объектах Рязанской области, которая обеспечивает информационную поддержку работ, выполняемых в целях подготовки и реализации мер

по обеспечению безопасного функционирования потенциально опасных объектов и состоит из 5 уровней.

2. Разработана методика оценки влияния применения информационных систем на вероятность возникновения чрезвычайных ситуаций, основанная на использовании логико-вероятностного исчисления, позволяющего количественно оценить влияние применения отдельных элементов ГИС на вероятность возникновения ЧС на ПОО региона.

3. Разработана технология совмещения разновременных изображений для оперативного мониторинг ПОО. включающая:

- алгоритм поиска эталонных фрагментов на аэрокосмическом снимке, основанный на вычислении автокорреляционной функции;

- ряд алгоритмов корреляционно-экстремальной идентификации двух изображений, устраняющих информационную избыточность коррелируемых изображений в процессе вычисления их спектров и позволяющих получить выигрыш в объеме вычислений до 3 раз по сравнению с классическим алгоритмом совмещения изображений;

- двухэтапный алгоритм вычисления корреляционной функции в спектральной области с уменьшением масштаба эталонного и текущего изображений, позволяющий на 87 % сократить трудоемкость вычислений;

4. Разработана комплексная технология создания трехмерных моделей потенциально опасных объектов для использования в геоинформационных системах, которая позволяет специалистам Главного управления МЧС по Рязанской области повысить оперативность и качество представления информации о пространственных данных для руководства Главного управления МЧС и Администрации Рязанской области.

5. Разработана ГИС МПЧС, основной задачей функционирования которой является информационная поддержка разработки и реализации мер по своевременному прогнозированию, выявлению и предупреждению угроз и кризисных ситуаций в отношении потенциально опасных объектов за счет использования различных данных.

6. Разработанная ГИС МПЧС позволяет сотрудникам Главного управления МЧС по Рязанской области осуществлять:

- информационную поддержку работ, выполняемых в целях подготовки и реализации мер по обеспечению безопасного функционирования потенциально опасных объектов;

- сбор, обработку, хранение и передачу’ информации о состоянии, местоположении потенциально опасных объектов, маршрутах

передвижения транспорта к ним и других необходимых данных, прогнозирование угроз влияния природных, техногенных и других факторов на потенциально опасные объекты;

- оценку зоны возможных разрушений, моделирование возможных ЧС, а также разработку мер предупреждения и планов ликвидации ЧС для каждого потенциально опасного объекта.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Работы, опубликованные в научных журналах, входящих в перечень ВАК РФ:

1. Колесенков А.Н., Костров Б.В. Метод прореживания базисных функций в корреляционно—экстремальных алгоритмах совмещения изображений // Вопросы радиоэлектроники. Сер. общетехническая. Выпуск 1. - 2010. С. 176 - 183.

2. Колесенков А.Н., Костров Б.В. Технология повышения

производительности корреляционных алгоритмов совмещения для информационной системы космического мониторинга // Научное творчество XXI века: материалы IV всероссийской научно-

практической конференции с международным участием. Приложение к журналу "В мире научных открытий". - Красноярск, 2011. - Вып. 2.

- С. 80-82.

3. Колесенков А.Н., Костров Б.В., Саблина В.А. Применение вещественно-диадной свертки для идентификации аэрокосмических изображений // В мире научных открытий. - Красноярск: Научноинновационный центр, 2011. - №1(13). - С. 122-127.

4. Злобин В.К., Колесенков А.Н., Костров Б.В. Корреляционноэкстремальные методы совмещения аэрокосмических изображений // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета № 3 (выпуск 37). - Рязань: РГРТУ, 2011. - С. 12-17.

Работы, опубликованные в сборниках научных трудов международных и всероссийских конференций:

5. Бабаев С.И., Колесенков А.Н. Алгоритмы геометрической коррекции радиолокационных изображений в режиме реального времени (тезисы доклада) // Новые информационные технологии в научных исследованиях и образовании: материалы XIV Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов. - Рязань: РГРТУ, 2009. - С. 295-296.

6. Колесенков А.Н., Костров Б.В.. Исследование корреляции двух аэрокосмических изображений в неполной системе кусочнопостоянных функций (тезисы доклада) // Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций:

материалы 16-й Международной науч.-техн. конф. - Рязань: РГРТУ, 2010. - С. 100-101.

Работы, опубликованные в межвузовских сборниках научных трудов:

7. Колесенков А.Н, Костров Б.В. Метод корреляционноэкстремальной идентификации фрагментов двух аэрокосмических изображений // Математическое и программное обеспечение вычислительных систем. Под ред. А.Н. Пылькина. — М.: Горячая линия

- Телеком, 2009. - С. 67-70.

8. Злобин В.К., Колесенков А.Н., Костров Б.В., Саблина В.А. Сравнение особенностей гармонического и секвентного анализа на примере эффектов ограничения спектров // Информатика и прикладная математика: межвуз. сб. науч. тр. - Рязань: РГРТУ, 2009. - С. 59-65.

9. Колесенков А.Н., Костров Б.В. Использование корреляционно-экстремальных алгоритмов для информационной системы мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций на потенциально опасных объектах // Программные информационные системы: межвуз. сб. науч. тр. - Рязань: РГРТУ, 2010. — С. 129—ЪЗ.

10. Колесенков А.Н., Костров Б.В. Исследование чувствительности корреляционно-экстремальной функции двух разновременных аэрокосмических изображений к углу поворота и масштабу // Информатика и прикладная математика: межвуз. сб. науч. тр. - Рязань: РГРТУ, 2010. - С. 49-52.

11. Колесенков А.Н., Костров Б.В. Исследование влияния поворота изображения на их взаимную корреляционную функцию // Методы и средства обработки и хранения информации: межвуз. сб. науч. тр. - Рязань: РГРТУ, 2010. - С. 125-130.

12. Колесенков А.Н., Костров Б.В., Поспехова О.И. Применение генетического алгоритма поиска взаимно корреляционной функции изображений // Методы и средства обработки и хранения информации: межвуз. сб. науч. тр. - Рязань: РГРТУ, 2011. — С. 148-153.

Регистрация электронных ресурсов:

13. Колесенков А.Н. ГИСКор - модуль привязки аэрокосмических изображений к электронной карте для геоинформационных систем // Свидетельство о регистрации электронного ресурса ОФЭРНиО № 16976 от 07.04.2011.

14. Колесенков А.Н., Костров Б.В. ИмКор - программный комплекс исследования построения взаимно корреляционной функции изображений // Свидетельство о регистрации электронного ресурса ОФЭРНиО № 16977 от 07.04.2011.

СИСТЕМА ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ ПРОЦЕДУР ПРИНЯТИЯ УПРАВЛЕНЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЮ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 02.02.12 Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага офисная. Печать трафаретная. Уел. печ. л. 1,0.

Тиране 100 экз. Заказ Рязанский государственный радиотехнический университет. 390005, г. Рязань, ул. Гагарина, 59/1. Редакционно-издательсюш центр РГРТУ.

61 12-5/1759

Министерство образования и науки Российской Федерации Рязанский государственный радиотехнический университет

На правах рукописи

КОЛЕСЕНКОВ Александр Николаевич

СИСТЕМА ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ ПРОЦЕДУР ПРИНЯТИЯ УПРАВЛЕНЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЮ

ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ

Специальность 05.13.10 - Управление в социальных и экономических системах

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель

Почетный работник высшего профессионального образования РФ кандидат технических наук, профессор КОСТРОВ Б.В.

Рязань 2012

СОДЕЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................4

1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ ПРОЦЕДУР ПРИНЯТИЯ УПРАВЛЕНЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЮ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ 10

1.1 Существующие проблемы мониторинга и предупреждения ЧС природного и техногенного характера..........................................................10

1.2 Подходы к оценке риска при мониторинге потенциально опасных объектов...........................................................................................................20

1.3 Технологии мониторинга потенциально опасных объектов.

Постановка задачи...........................................................................................27

Выводы по 1 главе...........................................................................................35

2 МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ НА ВЕРОЯТНОСТЬ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ..................................37

2.1 Особенности логико-вероятностного управления риском...................37

2.2 Автоматизированное структурно-логическое моделирование............43

2.3 Влияние применения информационных систем на вероятность

возникновения чрезвычайных ситуаций......................................................53

Выводы по 2 главе...........................................................................................64

3 АЛГОРИТМЫ И ТЕХНОЛОГИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ........................................................66

3.1 Алгоритмы корреляционно-экстремальной идентификации изображений....................................................................................................66

3.2 Двухэтапный алгоритм вычисления корреляционно-экстремальной функции двух изображений в спектральной области.................................76

3.3 Технология привязки нового аэрокосмического изображения к

текущему..........................................................................................................82

Выводы по 3 главе...........................................................................................95

4 РЕАЛИЗАЦИЯ ГИС МПЧС В ГЛАВНОМ УПРАВЛЕНИИ МЧС ПО

РЯЗАНСКОЙ ОБЛАСТИ......................................................................................96

4.1 Основные модули ГИС МПЧС................................................................96

4.2 Технологии создания трехмерных моделей ПОО для использования в геоинформационных системах мониторинга.............................................104

4.3 Примеры функционирования ГИС МПЧС на объектах хранения и

реализации горюче-смазочных материалов Рязанской области..............117

Выводы по 4 главе.........................................................................................125

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................128

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................132

ПРИЛОЖЕНИЕ.....................................................................................................141

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. На территории Рязанской области расположено множество производственных объектов повышенного риска, которые могут представлять угрозу жизни и здоровью людей в случае возникновения на них чрезвычайных ситуаций. Основные тенденции формирования техногенной опасности на территории Рязанской области на 2011 - 2012 годы будут определяться такими видами ЧС, как аварии на взрыво- и пожароопасных объектах, включая комплексы по хранению, переработке и реализации горючесмазочных материалов.

Мировая практика показывает, что самым эффективным способом снижения социально-экономических последствий от чрезвычайных ситуаций (ЧС) природного и техногенного характера является их предупреждение, в основе которого лежит непрерывный мониторинг потенциально опасных объектов (ПОО), позволяющий осуществлять информационную поддержку процедур принятия управленческих решений по предупреждению чрезвычайных ситуаций.

Анализ научных работ, выполненных в области развития систем мониторинга чрезвычайных ситуаций, выявил основные оперативно-тактические задачи, которые возложены на них:

- информационная поддержка работ, выполняемых в целях подготовки и реализации мер по обеспечению безопасного функционирования потенциально опасных объектов;

- сбор, обработка, хранение и передача информации о местоположении, параметрах состояния потенциально опасных объектов, маршрутов передвижения транспорта к ним и других необходимых данных;

- прогнозирование угроз потенциально опасным объектам и динамики изменения их состояния под влиянием природных, техногенных и других факторов.

Однако на сегодняшний день не существует общих подходов к разработке архитектуры систем, которые позволяли бы в полной мере

обеспечить нужды регионов России по информационной поддержке принятия решений по предупреждению чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера на потенциально опасных объектах.

Поэтому в настоящее время актуальной является задача разработки геоинформационных систем мониторинга и предупреждения ЧС природного и техногенного характера на ПОО (ГИС МПЧС) для субъектов РФ, одним из которых является Рязанская область. Основной задачей их функционирования является информационная поддержка разработки и реализации мер по своевременному прогнозированию, выявлению и предупреждению угроз и кризисных ситуаций на потенциально опасных объектах за счет использования различных данных, среди которых можно выделить аэрокосмическую информацию и трехмерные модели объектов.

Степень разработанности темы. Развитие системы прогнозирования чрезвычайных ситуаций МЧС России выявила чрезвычайную дороговизну и сложность обеспечения полноценного мониторинга обширных территорий России наземными средствами. Не выполнима в полной мере эта задача и с помощью авиации. Однако в последнее время на рынке поставщиков результатов космической деятельности появляется информация среднего и высокого разрешения, которая может быть использована для оперативного выявления изменений в ситуационных площадных моделях потенциально опасных объектов.

Вопросы использования аэрокосмических изображений в геоинформационных системах (ГИС) достаточно широко отражены в трудах Алпатова Б.А., Асмуса В.В., Еремеева В.В., Журавлева Ю.И., Злобина В.К., Лупяна Е.А., Сойфера В.А., Ташлинского А.Г., Шахраманьяна М.А., Gonzalez R., Kronberg P., Pratt W., Rosenfeld A., Woods R. и других отечественных и зарубежных ученых. Работы этих авторов составляют научно-методическую основу для решения задач, поставленных в диссертации.

Эффективное функционирование ГИС невозможно без периодического обновления аэрокосмической информации, для чего необходимы эффективные

алгоритмы совмещения разновременных снимков. Эта задача рассматривались в работах перечисленных авторов, имеются и программные реализации этой функции в существующих ГИС-системах. Однако вопросы разработки алгоритмов, адекватных реальным геометрическим искажениям аэрокосмических изображений и позволяющих выполнить поставленную задачу с заданной точностью и быстродействием, в должной степени в публикациях не представлены.

Цель работы состоит в снижении риска воздействия на потенциально опасные объекты факторов техногенного и природного характера за счет применения системы мониторинга, позволяющей осуществлять информационную поддержку разработки и реализации мер по своевременному прогнозированию, выявлению и предупреждению угроз и кризисных ситуаций в отношении потенциально опасных объектов.

Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи:

- разработка структуры геоинформационной системы мониторинга и предупреждения чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера на потенциально опасных объектах Рязанской области;

- оценка влияния применения разрабатываемой геоинформационной системы на вероятность возникновения ЧС;

- разработка технологии совмещения разновременных аэрокосмических изображений для мониторинга ПОО;

- разработка технологии создания трехмерных моделей объектов для использования в геоинформационных системах;

- разработка ГИС МПЧС.

Научная новизна работы определяется созданием технологии совмещения разновременных изображений для оперативного мониторинга потенциально опасных объектов, применением трехмерных средств для отображения потенциально опасных объектов и разработкой на этой основе геоинформационной системы мониторинга и предупреждения ЧС природного и

техногенного характера на ПОО региона Российской федерации на примере Рязанской области.

На защиту выносятся следующие новые научные результаты:

- иерархическая структура геоинформационной системы мониторинга и предупреждения ЧС природного и техногенного характера на ПОО Рязанской области;

- методика оценки влияния применения информационных систем на вероятность возникновения ЧС на ПОО;

- технология совмещения разновременных изображений для оперативного мониторинг ПОО;

- технология создания трехмерных моделей ПОО для использования в геоинформационных системах;

- геоинформационная система мониторинга и предупреждения чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера на потенциально опасных объектах Рязанской области.

Практическая ценность работы состоит в том, что предложенные технологии, методики и алгоритмы позволяют существенно повысить эффективность мониторинга чрезвычайных ситуаций на ПОО региона РФ и оперативность принятия решений в экстренных ситуациях. Эти технологии доведены до практической реализации в виде геоинформационной системы мониторинга и предупреждения ЧС природного и техногенного характера на ПОО Рязанской области, с помощью которой осуществляется информационная поддержка процедур принятия управленческих решений по предупреждению чрезвычайных ситуаций.

Реализация и внедрение. Диссертация выполнена в Рязанском государственном радиотехническом университете.

Результаты диссертационной работы внедрены в Главном управлении МЧС России по Рязанской области, что подтверждает научную новизну, актуальность и практическую значимость проведенных исследований.

Результаты научных исследований, полученные в процессе работы над

диссертацией, использованы при выполнении следующих научно-исследовательских работ в РГРТУ:

1. НИР 7-08Г «Разработка методов и информационных технологий совмещения синхронно формируемых и разновременных изображений», г.р. № 01200802811.

2. НИР 36-09 «Информационная система предупреждения и прогнозирования развития чрезвычайных ситуаций на техногенных комплексах хранения горюче-смазочных материалов» г.р. № 01200963517, выполненной в рамках Государственного контракта № П2390 от 18 ноября 2009 г. по Федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.

Результаты исследований и разработанные в процессе работы над кандидатской диссертацией программные комплексы «ГисКор - модуль привязки аэрокосмических изображений к электронной карте для геоинформационных систем» (Свидетельство о регистрации электронного ресурса ОФЭРНиО № 16976 от 07.04.2011) и «ИмКор - программный комплекс исследования построения взаимно-корреляционной функции изображений» (Свидетельство о регистрации электронного ресурса ОФЭРНиО № 16977 от 07.04.2011) внедрены в учебном процессе кафедры электронных вычислительных машин Рязанского государственного радиотехнического университета и используются студентами направления 230100 «Информатика и вычислительная техника» в курсах «Теория вероятностей, математическая статистика и случайные процессы» и «Обработка аэрокосмических изображений».

Соответствие паспорту специальности. Содержание диссертации соответствует п.6 - «Разработка и совершенствование методов получения и обработки информации для задач управления социальными и экономическими системами» и п. 10 - «Разработка методов и алгоритмов интеллектуальной поддержки принятия управленческих решений в экономических и социальных системах» паспорта специальности 05.13.10 «Управление в социальных и

экономических системах».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XIV Всероссийской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в научных исследованиях и образовании» (Рязань, 2009); Седьмой всероссийской открытой ежегодной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, 2009), 16-й Международной научно-технической конференции «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» (Рязань, 2010) и IV Всероссийской научно-практической конференции «Научное творчество XXI века» с международным участием (Красноярск, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 статей (4 статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ) и 2 тезиса доклада на международных и всероссийских конференциях, получено 2 свидетельства о регистрации электронных ресурсов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и приложения, которое содержит документы о внедрении и практическом использовании полученных результатов, а также свидетельства о регистрации электронных ресурсов. Основной текст работы содержит 140 страниц, 45 рисунков, 7 таблиц. Список литературы включает 96 наименований.

1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ

ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ ПРОЦЕДУР ПРИНЯТИЯ УПРАВЛЕНЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЮ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ

1.1 Существующие проблемы мониторинга и предупреждения ЧС природного и техногенного характера

Под мониторингом (от лат. «Monitor» - предостерегающий) понимается определенная система наблюдения, оценки и прогноза состояния и развития природных, техногенных, социальных процессов и явлений [3]. Мониторинг состоит в слежении за состоянием каких-либо объектов, структур, процессов и явлений, а его результаты применяются для предупреждения о возникающих критических ситуациях и обеспечения данными информационных систем принятия управленческих решений.

Мониторинг чрезвычайных ситуаций может осуществляться различными средствами - от непосредственных измерений характерных признаков до дистанционных методов, выявляющих надвигающуюся опасность по косвенным признакам. Целесообразно применение геопространственных технологий и данных, полученных средствами дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Однако сами по себе космические снимки не содержат информацию об опасности в явном виде. Чтобы получить эту информацию, данные ДЗЗ нужно дешифрировать, для чего необходимы соответствующие алгоритмы или специальные программные средства.

Подавляющее большинство современных ГИС-пакетов позволяют отображать снимки в качестве подложки для картографической информации, представленной в векторном виде, однако для всестороннего дешифрирования этого недостаточно. Здесь нужны специальные алгоритмы сравнения аэрокосмических изображений (АКИ), позволяющие выделить изменения на них, что при своевременном реагировании может предотвратить возникновение ЧС. Для этого используются специальные программные пакеты, например, система обработки изображений Erdas Imagine, распространяемая компанией

«Оа1а+». Эта система позволяет выполнять самые разные преобразования: от простейшего контрастирования до сложнейших математических преобразований, дающих качественно новое представление исходных снимков. Для задач мониторинга потенциально опасных объектов наибольшую значимость имеют такие функции, как сравнение разновременных снимков с выделением малейших отличий, тонкая геометрическая коррекция изображений для возможности совместного анализа снимков, полученных разными съемочными системами. Но ни одна из известных систем обработки изображений не позволяет выполнить необходимые для мониторинга ЧС операции в автоматическом режиме.

Чрезвычайная ситуация есть любое изменение сочетания условий и обстоятельств жизнедеятельности общества, приводящее к нарушению окружающей природной среды, человеческим жертвам или материальным потерям [13].

Обычно ЧС разделяются на две группы:

- вызванные природными факторами;

- вызванные техногенными авариями.

Оперативный космический мониторинг природных и техногенных ЧС в последние годы стал важнейшим и обязательным компонентом информационного обеспечения национальных служб мониторинга, предотвращения и ликвидации чрезвычайных ситуаций развитых государств. Для России с её огромными территориями применение космической информац�