CC BY
13ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ
Радоуцкий В.Ю., канд. техн. наук, проф., Васюткина Д.И., асс.
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
Кудинова А.И., препод.
Белгородский юридический институт МВД России
АНАЛИЗ МОДЕЛЕЙ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЛИКВИДАЦИЕЙ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ В ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЯХ
zchs@intbel.ru
Рассмотрены проблемы математического моделирования процессов управления в условиях чрезвычайных ситуаций. Приведены результаты анализа основных подходов к моделям оперативного управления ликвидацией чрезвычайных ситуаций, принципы математического моделирования, этапы моделирования и свойства систем оперативного управления.
Ключевые слова: чрезвычайная ситуация, моделирование, управление, иерархия, информационная система.
Введение. В Российской Федерации вообще и в системе высшего профессионального образования (ВПО) в частности сохраняется тенденция к росту количества и масштабов чрезвычайных ситуаций (ЧС). Это связано как с объективными причинами (мировой среднегодовой прирост последствий ЧС составляет по числу погибших - 4 %, по материальному ущербу -более 10 %), так и с неудовлетворительным состоянием безопасности образовательных учреждений [1].
Средний уровень индивидуального риска для населения России, в том числе и для учащихся и студентов, примерно в 100 раз превышает уровень достигнутый в ряде развитых стран [2].
В связи с этим проблема защиты студентов, преподавателей и сотрудников учреждений ВПО от чрезвычайных ситуаций различного характера остается актуальной. Для ее решения необходимо принимать новые методы и подходы.
Чрезвычайные ситуации, как правило, развиваются быстро, сопровождаются не только материальными, но и людскими потерями, поэтому очень важно своевременно и правильно принять решения по ликвидации ЧС, смягчению и ликвидации ее последствий.
Сделать это очень сложно, так как процесс принятия решений происходит в условиях дефицита времени, неполной и неточной информации, требует учета множества аспектов - технических, организационных , психологических и других.
Важным направлением повышения оперативности и качества управленческих решений по предупреждению и ликвидации ЧС в высших учебных заведениях (ВУЗ) является создание информационных систем поддержки принятия решений. Основой создания таких систем является математические модели динамических процессов развития ЧС, содержащих трудно формализуемые элементы, функционирующие в условиях неопределенности [3].
Основная часть. Трудность задачи моделирования ЧС связана с тем, что характер развития каждой опасной ситуации сугубо индивидуален, происходит в условиях неопределенности, когда не известны ни масштабы бедствия, ни сложность предстоящих аварийно-спасательных работ, ни объем необходимых сил и средств [4].
Сложным вопросом остается также оперативное распределение ограниченных ресурсов между отдельными направлениями восстановительных работ [5].
Чрезвычайные ситуации в ВУЗе как объект управления имеет ряд специфических особенностей [6]:
- для максимального сокращения людских и материальных потерь решения должны приниматься в сжатые сроки;
- неопределенность параметров развития ЧС и предстоящих аварийно-спасательных и восстановительных работ;
- большой объем и недостаточная точность информации о состояния объекта;
- сложность процессов, характеризующих
ЧС.
Отсюда следуют требования к моделям развития ЧС и моделям процессов управления в условиях ЧС:
- модели должны отображать слабоструктурированные и трудно формализуемые процессы развития ЧС и управления их ликвидацией;
- следует обеспечить возможность моделирования взаимосвязанных процессов различной природы;
- модели должны отражать пространственно-временные аспекты развития ЧС;
- необходимо формализовать и учесть в моделях знания и опыт экспертов по ликвидации ЧС.
Для моделирования процессов управления в условиях ЧС наибольшее применение получили аналитические и имитационные методы [7].
Прежде всего, разработанная модель должна быть адекватна реальной ситуации, т.е. правильно отражать ее особенности. В то же время модель не должна быть слишком детальной, т.к. в этом случае она становится необозримой и труднореализуемой. Поэтому модель должна отражать лишь наиболее существенные характеристики ЧС и быть пригодной для практического использования в режиме реального времени.
Математическое моделирование ЧС, которое может быть основой создания систем оперативного управления, должно базироваться на следующих принципах:
- системный подход при описании реальных объектов и ситуаций;
- иерархичный и многоуровневый характер модели;
- множественность моделей.
Системный подход предполагает рассмотрение всех составляющих ЧС в их взаимосвязи.
Принцип иерархического многоуровневого моделирования предполагает использование семейства моделей, каждая из которых описывает развитие ЧС на различных уровнях абстрагирования. Различают два направления иерархии:
- иерархия по вертикали, при которой различные уровни моделирования определяется структурно-функциональными особенностями;
- иерархия по горизонтали, при которой уровни моделирования ситуации определяются применяемыми методами исследования.
В иерархии по вертикали различают три уровня моделей [8]:
- уровень простейших базовых моделей, на основе которых строятся модели более высоких уровней;
- уровень локальных моделей, отражающих отдельные особенности ситуаций и позво-
ляющих решать частные задачи анализа и синтеза;
- уровень глобальных моделей, охватывающих всю ситуацию с достаточно высокой степенью локализации.
Иерархия по горизонтали включает в себя четыре уровня моделирования:
- модели, допускающие точную реализацию в виде аналитических зависимостей или численных результатов;
- модели, поддающиеся приблизительному или оценочному анализу с приемлемой для инженерных приложений точностью;
- имитационные модели, основанные на статистических расчетах;
- комбинированные аналитико-имитационные модели.
Оба направления иерархического моделирования обычно используются совместно. Так, базовые модели, как правило, допускают точные решения и позволяют получить результат в явном виде. Для реализации локальных моделей дополнительно привлекаются имитационные методы. Расчеты на основе глобальных моделей требуют применение всех методов: от точных до аналитико-имитационных.
Наиболее эффективным является комбинированный подход к моделированию, предполагающих использование различных видов моделей и методов моделирования.
Применение иерархического многоуровневого моделирования требует структурно-функциональные декомпозиции исследуемой ситуации. Такая декомпозиция позволяет существенно упростить как само моделирование, так и создание на его основе систем оперативного управления.
Принцип множественности моделей заключается в возможности отображения многих объектов и процессов с помощью одной и той же достаточно общей модели, а также в возможности описания одной и той же ситуации или объекта с помощью множества моделей различного вида и степени детализации.
Математические модели развивающихся ЧС должны учитывать быстрое изменение внутренней и внешней среды, прогнозировать последствия ЧС, а также оценивать результаты реализации управленческих воздействий.
Моделирование и его использование для поддержки принятия решений в условиях ЧС включает в себя следующие этапы [9]:
1) сбор и систематизация информации о потенциальных источниках (причинах возникновения) ЧС;
2) системное исследование ЧС, т.е. выделение всех ее составляющих и их взаимосвязей;
3) систематизация и структурирование знаний о ЧС, как об объекте управления;
4) построение концептуальной модели ЧС;
5) оценка адекватности концептуальной модели ЧС;
6) структурно-функциональная декомпозиция концептуальной модели;
7) синтез методов и алгоритмов управления;
8) моделирование сценариев управления;
9) комплексный анализ результатов моделирования;
10) принятие и реализация решений.
Системное исследование ЧС включает
в себя:
- выявление параметров, характеризующих объект - ВУЗ и определение их критических значений;
- выявление параметров внутренних и внешних воздействий (угроз), которые могут привести к ЧС;
- выявление объектов, которым может угрожать ЧС, возникших в ВУЗе.
Рассмотренные выше положения образуют методологическую основу моделирования процессов управления локализацией и ликвидацией последствий ЧС в ВУЗах.
В настоящее время проблема моделирования развития ЧС и процессов управления ее ликвидацией ведется по нескольким направлениям [10].
Традиционным является направление, связанное с использованием для описания динамики ЧС нелинейных дифференциальных уравнений.
При наличии достаточно большой априорной базы для описания развивающихся ЧС применяются различные модификации сетей Петри, которые позволяют моделировать различные сценарии развития ЧС, учитывая при этом возможные варианты поведения людей и результаты принимаемых управленческих решений.
Для обработки больших объемов априорной информации и прогнозирования на этой основе развития ЧС широко используется нейросемантический подход.
Для анализа и прогноза развития ЧС используются также когнитивные модели (карты). Когнитивные модели строятся на основе знаковых и взвешенных графов, которые позволяют формализовать связи, существующие между подсистемами. При создании когнитивных моделей может быть использована неполная, нечеткая и даже противоречивая информация. Когнитивные карты дают общую качественную картину развития ЧС в результате взаимодействия различных внутренних и внешних факто-
ров. Кроме того, когнитивные карты позволяют дать предварительную качественную оценку последствий принимаемых решений, а также выбрать множество управляющих решений, приводящих объект в благополучную ситуацию.
Широкое применение для моделирования оперативного управления в условиях ЧС получил системный подход и экспертные системы реального времени, которые используются в качестве инструмента интеллектуальной поддержки процесса принятия решений.
Эти системы путем интерпретации старых знаний могут генерировать новые знания, распознавать ситуацию и формировать соответствующее управленческое решение. Решения вырабатываются на основе продукционных правил, с помощью нечетких множеств, коэффициентов уверенности, интервалов доверия и других приемов.
Для моделирования ЧС и процессов управления в условиях ЧС применяется также ситуационный метод, на основе которого был разработан сценарный подход к прогнозированию развития ЧС. Сущность данного подхода состоит в предварительном расчете последствий и плана ликвидации наиболее опасных и наиболее вероятных аварий и бедствий.
Недостатком всех рассмотренных выше подходов является слабое внимание к динамике развития ЧС и недостаточный учет особенностей развития ЧС в моделях управления и ликвидации ЧС.
Источниками ЧС являются различные опасные явления. Явления, которые нельзя отнести к управляющим воздействиям образуют обстановку. Совокупность обстановки, принимаемых решений и действий создает ситуацию.
Для эффективной ликвидации ЧС необходима система оперативного управления (СОУ) аварийно-спасательными работами [11].
Система оперативного управления в ЧС должна обладать следующими свойствами:
1. Высокая маневренность;
2. Способность быстро и адекватно реагировать на изменение ситуации;
3. Способность к адаптации путем изменения своей организационной структуры, алгоритмов принятия решений;
4. Способность принятия интеллектуальных решений в условиях неопределенности;
5. Способность системы к самосохранению и самозащите;
6. Способность к прогнозированию развития ЧС;
7. Способность быстро обрабатывать большие объемы информации.
Чрезвычайная ситуация в ВУЗе может быть формализована следующим образом:
S(t) = <Д0, Щ, Щ^>, (1)
где Х{() - вектор переменных состояний образовательного учреждения, в котором возникла ЧС; - вектор внутренних и внешних негативных
При экстремальных значениях негативных возмущений fj(t) переменные состояния ВУЗа x(t) принимают недопустимые (запредельные) значения, что приводит к возникновению ЧС и необходимости незамедлительного принятия управленческих воздействий Uk(t). Задача управления в условиях ЧС сводится к отысканию таких управляющих воздействий Uk(t), при которых переменные состояния ВУЗа принимают (или стремятся) только к допустимым значениям
X(t) е По, (2)
где По - область допустимых состояний ВУЗа.
Вывод. Для создания системы оперативного управления в условиях ЧС необходима разработка системы информационной поддержки принятия управленческих решений по предупреждению, локализации и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций органами управления ВУЗа.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Добровольский В.С., Овечкин А.Н., Павлов А.А. Состояние и обеспечение безопасности объектов образования от проявлений террористических угроз: Аналитический обзор. М.: Ми-нобрнауки России, 2006. 230 с.
2. Радоуцкий В.Ю., Шаптала В.Г., Шуль-женко В.Н., Глызин В.Н. Нормирование рисков техногенных чрезвычайных ситуаций // Вестник Белгородского государственного технологиче-
факторов (угроз), вызвавших ЧС; Щ0 - вектор управляющих воздействий, направленных на локализацию ЧС и смягчению ее последствий. Структура модели оперативного управления в условиях ЧС в ВУЗе представлена на рис. 1.
ского университета им. В.Г. Шухова. 2008. №4. С. 26-28.
3. Радоуцкий В.Ю., Шаптала В.Г., Шаптала В.В. Системы информационной поддержки принятия управленческих решений при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций органами управления ВУЗа // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. №4. 2012. С. 188-191.
4. Ямалов И.У. Моделирование процессов управления и принятия решений в условиях чрезвычайных ситуаций. М.: Лаборатория базовых знаний. 2009. 228 с.
5 .Радоуцкий В.Ю., Шаптала В.Г. Оптимальное распределение сил и средств, предназначенных для ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2013. №1. С. 138-140.
6. Радоуцкий В.Ю., Шаптала В.Г. Характеристика внутренних опасностей и угроз образовательных учреждений высшего профессионального образования // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2009. №2. С. 124-127.
7.Хенли Э. Дж., Кумамото Х. Надежность технических систем и оценка риска. М.: Машиностроение. 1981. 526 с.
8. Белов П.Г. Моделирование опасных процессов в техносфере. Киев, КМУГА. 1997.
к Я
ДИЮМгЩ|Нрл1
HS Iiis» ттщци дои Et
Hillen MfttlB ил
ЯЯЯ
IM
I ki^m.mMfi уиршмкэ мна 8Е ЕВШ1 I
ш
■! ДЯк-Cki
ja
Рис. 1. Структура модели оперативного управления ликвидацией ЧС в ВУЗе
9. Архипова Н.И., Кульба В.В. Управление в чрезвычайных ситуациях. М.: Рос. гос. гуманитар. университет. 1998. 324с.
10. Поспелов Д.А. Ситуационное управление: теория и практика. М.: Наука. 1986. 462 с.
11. Дубинин Н.М., Куликов О.М., Ямалов И.У. Синтез алгоритмов оперативного управле-
ния при ликвидации чрезвычайных ситуаций // Материалы II Всероссийской научно-практической конференции «Промлемы прогнозирования, предотвращения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций». Уфа. НИИ БЖД республики Башкортостан. 2001. С. 150153.
Radoutsky V.Yu., Vasyutkina D.I., Kudinova Ä.I.
ANALYZING THE MODELS OF OPERATIONAL CONTROL OF EMERGENCY MANAGEMENT IN HIGHER EDUCATION INSTITUTIONS
The problems of mathematical modeling of management process in emergency situations have been considered. The findings of analyzing the basic approaches to the models of operational control of emergency management, principles of mathematical modeling, stages of modeling and properties of operational control systems have been given.
Key words: emergency situation, modelling, managing, hierarchy, information system.
