Тип публикации: диссертация
Год издания: 2023
Ключевые слова: Прогнозирование ЧС, модели и методы прогнозирования ЧС, системы поддержки принятия решений, антикризисное управление, нейронные сети, предупреждение ЧС, риски, управление, методы, пожароопасные события, пожарная безопасность, сельские поселения, объекты защиты, жилые дома, населенные пункты, риск-ориентированные модели, сложная организационная система, развитие пожара, тушение пожара, обучение, пожарные подразделения
Аннотация: Актуальность темы исследования. Активное освоение северных и арктических регионов является приоритетной научно-технической задачей Российской Федерации. Однако, интенсивное освоение ресурсов и развитие добывающих отраслей промышленности в северных и арктических регионах, а также глобальное изменение климата приводит к росту опасныхПоказать полностьюприродных явлений и крупных техногенных катастроф. В соответствии с Указом президента Российской Федерации основными задачами в сфере обеспечения защиты населения и территорий арктической зоны Российской Федерации от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера является развитие систем мониторинга обстановки и прогнозирования чрезвычайных ситуаций, а также развитие системы антикризисного управления в единой государственной системе предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций (далее – РСЧС). РСЧС состоит из функциональных и территориальных подсистем, задачи организации управления которыми возложены на постоянно действующие органы управления, функцию которых выполняет МЧС России. Оперативное управление и контроль функционирования подсистем и звеньев РСЧС возложены на органы повседневного управления РСЧС, ведущую роль в которых выполняют центры управления в кризисных ситуациях. Анализом научной проблемы эффективного управления рисками ЧС занимались многие авторы, так в диссертации А.В. Матвеева «Системное моделирование управления риском возникновении ЧС» продемонстрирована базовая модель управления риском возникновения ЧС на региональном уровне, которая позволяет оценить интенсивность деятельности соответствующих подсистем РСЧС. Проблема эффективного управления сложной организационной системой РСЧС исследована многими авторами и были получены следующие научно-значимые результаты: разработан алгоритм принятия управленческих решений с использованием методов многомерного статистического анализа. На его основе сформирована структура информационных потоков для целей анализа данных при комплексном мониторинге и алгоритм выбора оптимальной модели представления данных, который повышает точность разработки и проектирования системы информационно-аналитической поддержки. Определены требования к оценке рисков. База данных информационной поддержки применена для оценивания уровней рисков и их ранжирования в модифицированном методе Файна-Кинни. Разработан алгоритм принятия решений в условиях децентрализованного управления, включающий минимизацию целевых функций и расчет комбинаторной энтропии. Показана актуальность преодоления кризиса управления природно-техногенной безопасности территорий. Анализ публикаций показал, что остаются недостаточно изученными проблемы реагирования на природные и техногенные риски северных и удаленных территорий при управлении организационной системой РСЧС, поскольку применяются подходы, не учитывающие специфику этих территорий. Также остается недостаточно освещенной проблема цифрового межведомственного информационного обмена и формирования единой цифровой межведомственной платформы управления организационной системой РСЧС регионального уровня. Данные проблемы обуславливают необходимость разработки методов и моделей для РСЧС на региональном уровне с использованием технологий интеллектуальной поддержки принятия управленческих решений и автоматизации процессов управления системой предупреждения и ликвидации ЧС, что обусловливает востребованность и актуальность темы диссертационной работы. Степень разработанности темы исследования. Задачи организационных систем ликвидации чрезвычайных ситуаций различной причины рассматривались в ряде публикаций У. С. Постниковой, А. Г. Мусайбекова, В. А. Малько, в общетеоретическом плане управление в организационных системах обобщено в фундаментальной монографии Д.А. Новикова. Вопросы природно-техногенной безопасности регионов Сибири исследовались В. В. Москвичевым, вопросы региональной цифровизации управления безопасностью изложены в части публикаций Л.Ф. Ноженковой, В.В. Ничепорчука. Применение марковских цепей к задачам поддержания готовности организационных и технических систем приведены в работе Л. Т. Танклевского А.А. Таранцева. Научно-практическая проработка вопросов формирования единого информационного пространства для систем безопасности жизнедеятельности, в том числе системы предупреждения и ликвидации ЧС, а также разработки методов, моделей и алгоритмов осуществляются в течение достаточно обозримого периода времени, как российскими, так и зарубежными исследователями. В разные годы в России данные вопросы исследовали Д.В. Тараканов, О. А. Зыбина, А.В. Матвеев, М.П. Филяев, С.К. Шойгу, В.А. Акимов, С.А. Агеев, Г.А. Дорер, А.А. Волчек, И.А. Чучуева, А.П. Абрамов, А.А. Коробко, А.В. Максимов, А.А. Крупкин, и др., за рубежом – L. Mung, S. Russel, C. G. Rossa, F.Amato, M.J. Crozier, C. Sirca, J. Catalao, R.C. Garcia, R.C. Garcia, J.W. Taylor, R. Oliva, P. Bunnoon and et al. Анализ трудов исследователей в рассматриваемой области свидетельствует о наличии большого числа работ, но существует ряд нерешенные вопросов, связанных с недостаточным изучением особенностей северных территорий. Один из наиболее важных вопросов – это разработка методов и моделей c учетом особенностей таких территорий при прогнозировании ЧС. Остаются открытыми вопросы организации управления и выработки управляющих воздействий по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций на удаленных северных территориях органами управления региональной системы предупреждения и ликвидации ЧС. Проблема эффективного управления сложной организационной системой каковой является региональная система предупреждения и ликвидации ЧС с привлечением алгоритмов интеллектуальной поддержки составляет научную проблематику в исследуемой области. Объектом исследования является единая государственная система предупреждения и ликвидации ЧС регионального уровня управления. Цель исследования: повышение эффективности управления региональной системой предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций на северных территориях. Для достижения цели необходимо решить следующие задачи: 1. Разработать модель управления организационной системой предупреждения и ликвидации ЧС (п. 3 «Разработка методов и алгоритмов решения задач управления в организационных системах» паспорта научной специальности 2.3.4.) 2. Разработать методы и модели прогнозирования чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, учитывающих особенности северных территорий (п. 3 «Разработка методов и алгоритмов решения задач управления в организационных системах»; п. 5 «Разработка методов получения данных и идентификации моделей, прогнозирования и управления организационными системами на основе ретроспективной, текущей и экспертной информации»; п. 9 «Разработка методов и алгоритмов интеллектуальной поддержки принятия управленческих решений в организационных системах» паспорта научной специальности 2.3.4.). 3. На примере практической реализации разработанных подходов для северной и арктической территории Красноярского края предложить механизмы совершенствования управления организационной системой предупреждения и ликвидации ЧС на региональном уровне с помощью цифрового платформенного взаимодействия. (п.11 «Разработка практико-ориентированных технологий управления организационными системами» паспорта научной специальности 2.3.4.). Научная новизна работы состоит в разработке моделей, методов и алгоритмов интеллектуальной поддержки принятия управленческих решений в региональной системе предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций на северных территориях в целях повышения эффективности ее функционирования, которые включает впервые полученные научные результаты: 1. Модель управления региональной системой предупреждения и ликвидации ЧС. Модель позволяет детализировать процессы принятия управленческих решений в региональной системе предупреждения и ликвидации ЧС и позволяет автоматизировать ее процессы. Модель, связывает функциональные задачи и технологии их реализации, что является основой для формирования единых требований к структуре и информационной составляющей базы данных организационной системы. Данный подход позволил сформировать основные требования к создаваемой межведомственной цифровой платформе региональной системы предупреждения и ликвидации ЧС Красноярского края. Модель позволила разработать комплексный подход по управлению рисками на северных и удаленных территорий и повысить эффективность управления при использовании методов и алгоритмов интеллектуальной поддержки принятия управленческих решений через нахождение факторов, влияющих на ее эффективность, в целях достижения ее максимального значения. 2. Модель в северных и арктических территориях. В отличие от примиряемых в системе РСЧС аналитических моделей оперативного прогнозирования, в предложенной модели заложен комплексный подход к прогнозированию и сопровождению паводковых рисков учитывающий особенности северных и арктических территорий, на основе комбинирования статистических и структурных моделей охватывающий весь горизонт прогнозирования опасных гидрологических явлений. Изложенный в модели подход учитывает совокупность факторов влияния на развитие опасных гидрологических процессов, в том числе фактор влияния гидроэлектростанций. Модель позволяет детально прогнозировать уровень возможной зоны затопления территорий при различных сценариях развития обстановки. Модель позволяет повысить эффективность управления рисками развития опасных гидрологических процессов на северных и арктических территориях, а также организовывать заблаговременное планирование и проведение комплекса превентивных мероприятий. 3. Модель прогнозирования лесных пожаров на северных и арктических районах Красноярского края. Разработанная модель в отличие от существующих моделей ориентированных на оперативное моделирование возникших лесных и ландшафтных пожаров, позволяет производить долгосрочное прогнозирование рисков возникновения лесных и ландшафтных пожаров на основе обработки больших массивов данных, в целях оценки риска их возникновения вблизи населенных пунктов, что является основой для планирования превентивных мероприятий. 4. На основе многомерной базы данных о состояние окружающей среды, сформированной за длительное время наблюдения, разработана модель оценки площади розлива легковоспламеняющихся жидкостей на потенциально опасных объектах северных и арктических территорий. В разработанной модели впервые применены нейросетевые алгоритмы к решению задачи оценки площади розлива нефтепродуктов. Применение модели позволяет разрабатывать различные сценарии развития обстановки связанных с розливом нефтепродуктов и производить заблаговременное планирования Теоретическая значимость и практическая реализация результатов исследования заключается в формировании комплексного программно-ориентированного взгляда на предметную область диссертации, в том числе обобщении процесса принятия управленческого решения в региональной системе предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций. Теоретико-методологические положения исследования основаны на фундаментальных научных принципах таких областей, как: теория управления организационными системами; теория управления рисками; теория принятия решения; теория управления случайными процессами; системного анализа; детерминированное и стохастическое ситуационное управление; математическое моделирование; синтез иерархических структур управления; статистические методы анализа; методы сравнения и наблюдения; методы дедукции для теоретического обоснования выводов; технологии больших данных и машинного обучения. Положения, выносимые на защиту: 1. Модель управления региональной системой предупреждения и ликвидации ЧС. 2. Модель прогнозирования паводковых рисков при организации безопасного пропуска паводковых вод в северных и арктических территориях. 3. Модель прогнозирования лесных пожаров в северных и арктических районах. 4. Метод оценки риска розлива легковоспламеняющихся жидкостей, нефтепродуктов, на потенциально опасных объектах, расположенных в арктической зоне с использованием нейросетевых алгоритмов. 5. Структура системы информационно-аналитической поддержки принятия управленческих решений в региональной системе предупреждения и ликвидации ЧС, как основа технического задания на проектирование. Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность и надежность результатов, представленных в данной диссертации, была подтверждена использованием объективной и достоверной информационной базы данных о чрезвычайных ситуациях, мониторинговых данных, государственных докладов о состоянии защищенности региона. В основе исследования использованы данные о реальных возникших чрезвычайных ситуациях и происшествиях. Результаты были согласованы и непротиворечивы, подтверждены строгими ограничениями и допущениями, а также согласованы с библиографическим и теоретическим материалом непротиворечивым с исследователями в данной отрасли. Результаты исследования докладывались и обсуждались на международных и отраслевых конференциях, семинарах и форумах и демонстрируют надежность и достоверность полученных выводов. Разработки автора приняты для практического использования в территориальном центре управления в кризисных ситуациях Главного управления МЧС России по субъекту РФ и используются при организации повседневного управления единой системой предупреждения и ликвидации ЧС, что подтверждается актами внедрения. Основные результаты научной работы были представлены и обсуждались на следующих конференциях: международной научной студенческой конференции МНСК (г. Новосибирск, 2018, 2023); Международный круглый стол «Технологии Industry 4.0 в Арктике»(г. Санкт-Петербург); Международном молодежном научном форуме «Ломоносов» (г. Москва, 2021, 2023); Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР» (2021, 2023); Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «ПРОСПЕКТ СВОБОДНЫЙ (г. Красноярск 2021,2023); международной научной конференции MIP Engineering-III (г. Красноярск, 2021); международной конференции ICEST-II-2021(г. Санкт-Петербург, 2021); международная научная конференция «Агробизнес, экологический инжиниринг и биотехнологии» AGRITECH-V – 2021 (г. Бухарест, 2021); международной конференции «Агроинженерия и решения для зеленой инфраструктуры» AEGIS-III-2023 (г. Ташкент, 2023); международной конференции «Передовые технологии в аэрокосмической отрасли, машиностроении и автоматизации» MIST Aerospace-V-2023 (г. Красноярск, 2023); международной конференции «Новые достижения в прикладной физике и математике» AAPM-2023 (г. Ташкент, 2023). Государственная премия Красноярского края в сфере профессионального образования «за высокие результаты в научных разработках, направленных на социально-экономическое развитие края, достигнутые в 2021 году» (распоряжение Губернатора Красноярского края от 01.09.2022 № 557-РГ). Публикации. Результаты диссертации представлены в 25 научных трудах, 5 статей, опубликованных в рецензируемых периодических изданиях, рекомендованных ВАК, из них: 1 научный труд индексируемый в международных базах и приравненных к изданиям категории К1, 1 научный труд индексируемый в международных базах и приравненных к изданиям категории К2, 3 научный труда индексируемый в международных базах и приравненных к изданиям категории К3; 11 научных трудов опубликованных в научных изданиях из перечня (Web of Science, Scopus), 9 научных трудов из перечня РИНЦ. Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, словаря терминов, списка использованной литературы и приложений. Содержание работы изложено на 156 страницах текста, включая в себя 7 таблиц, 25 рисунка, список литературы из 126 наименований и 2 приложений. Диссертационное исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-37-90090 «Разработка комплекса мероприятий защиты населения и территории на основе нейросетевой оценки возникновения чрезвычайных ситуаций в Красноярском крае». ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность и значимость исследования, определены предмет и объект исследования, сформулирована цель и задачи исследования, определена научная новизна, теоретическая и практическая значимость результатов исследования. В первой главе проведен анализ предметной области исследования, определены проблемные вопросы функционирования РСЧС на региональном уровне управления, исследованы пути их решения. Проанализированы риски северных и арктических территорий Красноярского края. Определена частота и вероятность их возникновения. По результатам анализа выделены три наиболее вероятных риска характерных для данных территорий. Два из них природного характера: риск подтоплений (затоплений), риск перехода лесных и ландшафтных пожаров на населенные пункты. Один техногенного характера, связанный с активным промышленным освоение этих территорий – риск техногенных аварий. (рис.1). Риски техногенных пожаров и риски возникновения ЧС на объектах автомобильного транспорта не рассматривались в силу незначительного масштаба, материального ущерба и значительного влияния человеческого фактора. При принятии управленческого решения, важным компонентом является информированность органа управления о складывавшейся оперативной обстановке и прогнозировании ее развития. Одним из эффективных методов решения данной задачи, является построение моделей прогнозирования с в целях снижения неопределённости выбора одной из множеств стратегий эффективного управленческого решения. Рис. 1 – Количество ЧС и аварий на северных и удаленных территориях Красноярского края с разбивкой по рискам возникновения. В соответствии с проведенным анализом территориальных рисков характерных для северных и арктических территорий, постулируется необходимость построения моделей прогнозирования с учетом специфики данных территорий и разработки различных сценариев развития обстановки, для снижения вероятности их возникновения, в целях повышение эффективности управления сложной организационной системой предупреждения и ликвидации ЧС на региональном уровне. Данные положения формирует проблематику исследования, которая заключается в разработке модели управления региональной организационной системой предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций, в целях эффективного управления рисками северных и арктических территорий. Во второй главе рассмотрены принципы функционирования региональной организационной системы предупреждения и ликвидации ЧС, которые заключаются в прогнозировании и реагирования на возникающие риски и угрозы, складывающиеся из их оценки, на основе обработки данных комплексного мониторинга, а также оперативной информации, поступающей от очевидцев происшествия или ЧС. На основе данных принципов была разработана базовая модель управления региональной организационной системой предупреждения и ликвидации ЧС при реагировании на возникающие риски и угрозы, имеющая следующий вид: R = <A, U, E, B, T> Где R – модель, описывающая взаимодействие органов управления региональной организационной системы предупреждения и ликвидации ЧС; A – множество агентов, представляющих взаимодействующие органы повседневного управления РСЧС, организующих территориальное управление при реагировании на риски и угрозы. U – множество функций прогнозирования рисков ЧС используемых при принятии управленческих решений агентов, влияющих на действия агента при реагировании на возникающие риски и угрозы и взаимодействии с управляющим центром B. E – множество наборов стратегий агентов. B – управляющий центр, которым является координационный орган управления РСЧС, оказывающий управляющие воздействия на основе информации о развитии обстановки предоставляемой агентом. T – множество функций эффективности стратегии E выбранной управляющим центром B, на основе информации, предоставленной агентом A, определяемой при прогнозировании рисков и угроз U. Предположим, что множество рационального выбора стратегии центра B представляет собой следующий вид: B=E⊆A, отсюда следует, что рациональный выбор стратегии центра зависит от информированности о складывающейся обстановки и множества стратегий выбора Ei на основании предоставляемой агентом информационной составляющей о развитии обстановки на основе моделей прогнозирования обстановки Ui и формирует вектор управления V региональной организационной системой предупреждения и ликвидации ЧС B⊆V. При выборе центром одного из множеств управляющих стратегий E(V) реагирования на территориальные риски X, на основе прогноза предоставляемого агентом B(V) ⊆A, задача сводится к нахождению оптимальных управляющих воздействий на территориальные риски и угрозы имеющих максимальную эффективность, которую можно представить в следующем виде: E(V)=〖max〗_(X∈E(V) ) B(V,X) Исходя из этого можно применить принцип оптимистических оценок, в соответствии с которым значение целевой функции эффективности управления центра T(B) при использовании управляющего воздействия V равняется: T(B)→_(Xi⸦V) max Где T(B) – является критерием эффективности модели управления региональной организационной системой предупреждения и ликвидации ЧС. V – управленческое решение в организационной системе X – территориальные риски. Таким образом, задача управления организационной системой предупреждения и ликвидации ЧС сводится к нахождению стратегии оптимального управления территориальными рисками. Описанная базовая модель организации управления региональной организационной системой предупреждения и ликвидации ЧС при реагировании на возникающие риски и угрозы, определяет взаимодействие в процессах управления региональной организационной системой предупреждения и ликвидации ЧС, а также формирует подход к разработке необходимых управляющих воздействий региональной системой предупреждения и ликвидации ЧС на территориальные риски и угрозы ЧС, на основе моделей прогнозирования имеющих максимальную эффективностью. Данная модель позволяет сформулировать рабочую гипотезу, что качество принятия управленческих решений в системе предупреждения и устранения ЧС на региональном уровне определяется качеством прогнозов и оперативности поступающей в органы управления региональной организационной системой предупреждения и ликвидации ЧС и управляющих воздействий центра при реагировании на прогноз рисков ЧС. В соответствие с постулируемой гипотезой были разработаны модели прогнозирования рисков ЧС характерные для северных и арктических территорий на примере Красноярского края. Модель прогнозирования паводковых рисков при организации безопасного пропуска паводковых вод в северных и арктических территориях. Модель в формализованном виде может быть представлена следующим образом: Ω= < λ, Ψ, M, > где, Ω – модель прогнозирования паводковых рисков при организации безопасного пропуска паводковых вод. λ – физические показатели, влияющие на уровень подъема паводковых вод. Конкретный набор показателей и вид моделей индивидуальны для каждого участка реки в связи с различием условий образования заторов льда, которые являются одним из основных факторов затопления территорий. Ψ – база данных комплексного мониторинга физических показателей влияющие на уровень подъема паводковых вод. M– модели и методы прогнозирования уровня подъема паводковых и объема притока в водохранилище. M =( m1, m2, m3, m4), где m1 – модель долгосрочного прогнозирования уровня подъема паводковых вод, m2 – модель среднесрочного прогнозирования максимального уровня подъема паводковых вод, m3 – модель краткосрочного прогнозирования уровня подъема паводковых вод, m4 – модель прогнозирования объема притока воды в водохранилище. – множество сценариев реализации паводковых рисков на территории в зависимости прогнозируемого уровня подъема паводковых вод, на основе которых разрабатываются управляющие воздействия со стороны региональной системы предупреждения и ликвидации ЧС включающее комплекс необходимых превентивных мероприятий, их можно представить в виде множества = (1, 2,…. n). (рис. 3). Примененный комплексный подход позволяет охватить весь горизонт прогнозирования опасных гидрологических явлений и позволяет организовать управление паводковыми рисками на региональном уровне и производить заблаговременное планирование комплекса превентивных мероприятий, в региональной системе предупреждения и ликвидации ЧС. Схема комплексного подхода к организации управления паводковыми рисками на региональном уровне состоит из следующих основных элементов. Рис. 3 – Комплексный подход к организации безопасного пропуска паводковых вод Модель долгосрочного прогнозирования максимальных уровней паводка. При составлении долгосрочного прогноза уровня подъема паводковых вод, требуется учет совместного влияния поверхностных и грунтовых водопротоков, в основу решения задачи построения модели долгосрочного прогноза уровня подъема паводковых вод заложены уравнения Сен-Ванна и метод конечных разностей. Уравнение Сен-Ванна для прогнозирования для следующим видом: X_2+Y_2+(b_2 W_2