Последние конференции
- Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности, образовании и экологии
- Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности и экологии
- Современные проблемы экологии
- Экологические проблемы окружающей среды, пути и методы их решения
- Экология, образование и здоровый образ жизни
Разработка методов оценки, прогнозирования и предупреждения развития чрезвычайных ситуаций техногенного характера
Э.М. Соколов, В.М. Панарин, А.А. Зуйкова,
Ю.Н. Пушилина, Н.А. Телегина
Тульский государственный университет,
г.Тула
Статья подготовлена по результатам Государственного контракта П216 «Проведение поисковых научно-исследовательских работ по направлению «Снижение риска и уменьшение последствий природных и техногенных катастроф» в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы
В статье рассматриваются методы оценки, прогнозирования и предупреждения чрезвычайных ситуаций техногенного характера, в том числе связанных с выбросами аварийно химически опасных веществ.
Ключевые слова: чрезвычайная ситуация, аварийно химически опасные вещества, зараженное облако, безопасность, техногенный риск
Прогнозирование возможностей возникновения чрезвычайных ситуаций (ЧС) техногенного характера и превентивное планирование базируются на регулярной оценке тенденций развития текущей ситуации, а также ресурсов, необходимых и для ее улучшения, стабилизации и снижения тяжести последствий ее развития.
Отсутствие необходимой информации часто становится основным препятствием для организации системы раннего предупреждения. Во многих случаях это обусловлено недостаточно активным поиском, выявлением и использованием необходимых данных. Чтобы не потерять и полностью использовать имеющиеся возможности и преимущества, необходимо не только совершенствовать работу подсистемы противоаварийного упреждающего планирования, но и повышать готовность руководителей к работе в условиях высокой степени неопределенности, их умение учитывать долгосрочные прогнозы, несмотря на их расплывчатость и неполноту [1].
Задача защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций техногенного характера в качестве составляющих включает создание и применение комплексной оценки обстановки на территориях и осуществление мер по предупреждению аварий.
В связи с вышеизложенным представляется актуальной проблема разработки процедуры распределения ресурсов на защиту территорий от воздействия ЧС.
Для сравнительной оценки потенциально-опасных объектов предлагается ввести понятие «Интегральный показатель ранжирования». Введение этого понятия обусловлено необходимостью ранжирования объектов на определенной территории по выбранному критерию в системе поддержки принятия управленческих решений. Рассмотрим, например, чрезвычайную ситуацию, связанную с выбросом ававрийно-химически опасных веществ (АХОВ). В данной работе таким критерием принимается поражающий фактор. Главным поражающим фактором при возникновении аварии на химичеки опасных объектах (ХОО) является заражение АХОВ территории, приводящее к поражению людей, находящихся в зоне действия ядовитых веществ. Одной из характеристик данного поражающего фактора является зона химического заражения, которая зависит от ряда показателей: количества АХОВ, имеющегося на ХОО, его физико-химических и токсических свойств, метеорологических условий, характера местности и т.д. Поэтому значения интегрального показателя ранжирования получают как результат «свертки» обобщенных свойств-показателей. В работе сформирована система свойств, состоящая из следующих групп, характеризующих: физико-химические свойства АХОВ; условия производства, переработки, хранения и транспортировки АХОВ; объект, на котором осуществляется производство, переработка, хранение или транспортировка АХОВ; плотность населения, проживающего в зоне возможного поражения, обеспеченность средствами индивидуальной защиты населения; средства ликвидации химической аварии; характер рельефа, растительности, застроек, на которой располагается объект и другие. Таким образом, интегральный показатель включает в себя свойства, которые могут влиять на масштабы заражения АХОВ территории и последствий от этого заражения. Интегральный показатель объединяет свойства, отличающиеся качественной природой и видом размерности измеряемой величины, без существенных изменений своей структуры.
Интегральный показатель ранжирования обозначает следующее: чем выше его значение для рассматриваемого ХОО, тем большие масштабы заражения территории АХОВ и последствия от этого заражения будут иметь место при аварии на этом объекте по сравнению с другими исследуемыми объектами на территории [2-3].
Ранжирование объектов осуществляется в более дифференцированной форме. Для более наглядного отображения информации используются электронные карты местности, на которой нанесены различные промышленные объекты, в том числе и химически опасные объекты, объекты хозяйственного назначения, жилые комплексы, природные объекты, автомобильные и железные дороги и т.д. В основе ранжирования лежит рассчитанный интегральный показатель, который включает в себя основные свойства, характеризующие объект. Объекты, имеющие различные запасы одного и того же АХОВ, могут быть отнесены к одинаковой степени химической опасности. При наличии же на объекте нескольких АХОВ прогнозирование масштабов заражения и оценка степени химической опасности объекта производятся по тому веществу, авария с выбросом (проливом) которого может представлять наибольшую опасность для населения. Во всех случаях исходят из того, что авария происходит на единичной максимальной по объёму емкости АХОВ, которая подвергается полному разрушению [4].
Развитие вычислительной техники, широкое применение мощных современных компьютеров для решения экологических задач позволило разрабатывать новые сложные математические модели и проводить моделирование протекающих процессов в реальном масштабе времени.
В общем случае можно говорить о моделировании территорий, при котором все объекты, находящиеся на определенной территории, описаны векторными функциями вида [47]:
,
где 
– вектор параметров объекта.
Вектор параметров в общем виде имеет вид
,
где 
– функция нескольких переменных
Функции описывают свойства объекта. В частном случае функция может быть константой. Значение свойств объекта рассматривается как в зависимости от времени, так и в зависимости от вероятности возникновения некоторого события.
Взаимодействие объектов между собой описывается матрицей взаимодействий. При этом изменение свойств одного объекта будет вызывать изменение свойств другого. Матрица взаимодействий имеет следующий вид:
.
Здесь mij– элемент, показывающий есть ли связь между объектами или нет. Связь может осуществляться по нескольким параметрам, как временным так и вероятностным.
Это особенно актуально при исследовании процессов развития аварий. Установление новых закономерностей и разработка математического описания процессов развития аварийных ситуаций на химически опасных объектах с точки зрения их дальнейшей компьютерной реализации для моделирования и исследования процессов возникновения, развития, протекания и ликвидации позволит в реальном времени отслеживать события и принимать оптимальные решения.
При исследовании развития аварий с выбросом АХОВ должны устанавливаться не только закономерности возникновения, развития, протекания и ликвидации, но и рассматриваться проблемы, связанные прогнозированием их возникновения, возможностью оценки потерь, материального ущерба. Кроме того, должны рассматриваться проблемы оптимального распределения сил и средств для борьбы с последствиями аварий.
С целью выявления закономерностей процессов развития и ликвидации химической аварии, установления зависимостей и построения моделей для дальнейшего их использования при разработке методов принятия оптимальных решений наиболее приемлемым является объектный подход. При этом каждый потенциально химически опасный объект, а также все другие объекты описываются свойствами, присущими этим объектам
J{s1,s2,s3…sN},
где J – потенциально химически опасный объект,
s1, s2, s3…sN – свойства объекта.
Тогда набор потенциально химически опасных объектов можно представить в виде матрицы
.
Свойства потенциально химически опасных объектов в общем случае представляют собой функции многих переменных, принадлежащих множеству
S Î s{х, t},
и определены на каждом интервале времени.
В частном случае свойство объекта может представлять собой числовое значение, не зависящее от времени и других каких-либо переменных.
При таком представлении в каждый текущий момент времени состояние потенциально химически опасного объекта полностью определено в рамках его выбранных свойств [1].
Выбор набора свойств, описывающих потенциально опасный химический объект, представляет собой отдельную задачу, связанную с анализом химических, физических, механических и других характеристик объекта. Свойства потенциально опасного химического объекта изменяются во времени и характеризуют его состояние. Анализ свойств, их сравнение с некоторыми заданными значениями, «рассогласование» свойств может оказаться полезным при прогнозировании возникновения аварий с выбросом АХОВ. Непосредственное развитие аварийных ситуаций приводит к изменению свойств объекта, по которым возможна оценка этого развития. На свойства потенциально опасного химического объекта возможно воздействие других объектов, в частности объектов предназначенных для ликвидации последствий аварии. Нахождение свойств потенциально опасного химического объекта в каждый текущий момент времени позволяет проводить компьютерное моделирование протекающих процессов.
Аналогичным образом представляются все другие объекты, взаимодействующие или попадающие под действие потенциально опасного химического объекта. Объекты, попадающие в зону действия потенциально опасного химического объекта, характеризуются своим набором свойств
Z{s1,s2,s3…sN},
где Z – объект,
s1,s2,s3…sN – свойства объекта, попадающие в зону действия потенциально опасного химического объекта.
Состав объектов, попадающих в зону действия потенциально опасных химических объектов, определяется матрицей
.
Свойства объектов, попадающих в зону аварии, также представляют собой функции многих переменных и принадлежат ранее определенному множеству,
S Î s{х, t}.
Таким же образом представляются объекты, предназначенные для уменьшения последствий аварии и их ликвидации. Эти объекты также характеризуются своим набором свойств
L{s1,s2,s3…sN},
где L – объект,
s1, s2, s3…sN – свойства объекта, предназначенного для уменьшения последствий аварии и их ликвидации.
Состав таких объектов определяется матрицей
.
Свойства объектов, предназначенных для уменьшения последствий аварийных ситуаций и их ликвидации, представляют собой функции многих переменных и принадлежат ранее определенному множеству,
S Î s{х, t}.
Особенностью представления всех приведенных объектов является общее множество свойств. При этом под свойством, как было сказано ранее, понимается функциональная зависимость или число, причем если определенное свойство не присуще какому-либо объекту, то оно принимается равным нулю [3].
Исследование во времени взаимодействия свойств потенциально опасных химических объектов, а также объектов, попадающих в зону их действия и объектов, предназначенные для уменьшения последствий аварийных ситуаций и их ликвидации позволяет моделировать процессы возникновения, развития, протекания и ликвидации в реальном времени, отслеживать события и принимать оптимальные решения. Для этого достаточно исследовать взаимодействие свойств в матрицах P, Z и L.
При таком предположении, протекающую аварию с выбросом АХОВ можно рассматривать как целевую функцию, целью которой является уменьшение человеческих потерь. При этом аргументами данной функции будет являться:
t – время характеризующее протекание аварийной ситуации;
k – вероятность появления n-го события;
x – расстояние между объектами;
Первоочередной задачей при построении модели аварийной ситуации на химическом объекте является задача построения сектора возможного заражения. По сути, это будет один из объектов, имеющий такие свойства как глубина, ширина, площадь заражения и другие.
При ранжировании объектов используются свойства, отличающиеся качественной природой и видом размерности измеряемой величины. Допускается произвольное расширение множества показателей, используемых для описания опасности объекта с целью включения в него показателей, характеризующих и другие состояния и свойства объекта.
Список литературы
1. Повышение эффективности принятия управленческих решений при чрезвычайных ситуациях с выбросом аварийно химически опасных веществ / Э.М. Соколов, В.М. Панарин, А.А. Зуйкова, Р.В. Соколовский. – Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. – 161 с.
2. Зуйкова А.А. Повышение эффективности принятия управленческих решений при оценке и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций/ А.А. Зуйкова [и др.] // Вестник ТулГУ. Серия «Экология и безопасность жизнедеятельности». Выпуск 1. – Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. – с.179-183
3. Зуйкова А.А. Математические модели распространения загрязнений в атмосфере/А.А. Зуйкова, М.И. Буденков/ Современные наукоемкие технологии: теория, эксперимент и практические результаты: тезисы докладов междун. научно-практ. Симпозиума, 12-19 апреля 2008 г./ Под общ. Ред. Чл.-корр. РАН В.П. Мешалкина. – М., Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. – с. 69-70.
4. Зуйкова А.А. Выбор критерия при ранжировании химически опасных объектах/ В.М. Панарин, А.А. Зуйкова / Современные наукоемкие технологии: теория, эксперимент и практические результаты: Тезисы докладов междунар. науч.-практич. симпозиума 14 – 20 апреля 2007 г./ Под общ. ред. чл.-кор. РАН В.П. Мешалкина. – М.; Изд-во ТулГу, 2007. – 114-118 с.