CC BY
98
УДК 620.91:001.18 А.Г. Массель
КОГНИТИВНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УГРОЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
Предлагается подход к анализу угроз энергетической безопасности, основанный на качественных методах их оценки. Для этой цели используется когнитивное моделирование. Дается математическое описание постановки задачи и приводятся примеры когнитивных карт.
Ключевые слова: энергетическая безопасность, когнитивные карты, природные угрозы.
~П Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО
-Я-М РАН ведутся комплексные исследования, важную роль в которых играют исследования проблемы энергетической безопасности. Энергетическая безопасность (ЭБ) рассматривается как часть национальной безопасности, а именно как защищенность граждан, общества, государства, экономики от угроз дефицита в обеспечении их обоснованных потребностей топливноэнергетическими ресурсами приемлемого качества. В исследованиях энергетической безопасности (ЭБ) выявлены и систематизированы неблагоприятные события, получившие название «угроз» ЭБ: техногенные, экономические, природные, социально-политические, внешнеэкономические и внешне-политические, а также вызванные несовершенством управления (управленческо-правовые).
В статье предлагается подход к анализу угроз ЭБ, основанный на качественных методах их оценки, а именно на использовании когнитивного моделирования (моделирования с помощью когнитивных карт).
Каждая из угроз реализуется вследствие сочетания ряда факторов, влияющих на возникновение чрезвычайной ситуации (ЧС). Для описания этих факторов и их взаимовлияний предлагается использовать когнитивное моделирование, под которым понимается построение когнитивных моделей, или, иначе, когнитивных карт (ориентированных графов), в которых вершины соответствуют факторам (концептам), а дуги - связям между факторами (положи-
тельным или отрицательным), в зависимости от характера причинного отношения [1].
Математическое описание постановки задачи построения и анализа когнитивных карт для исследований проблемы энергетической безопасности можно сформулировать в следующем виде.
Имеется совокупность индикаторов энергетической безопасности {I} и множество угроз энергетической безопасности {и}, определяющих внутреннее состояние энергетической системы (ЭС) и возможное влияние внешней среды (возмущения). Каждая из угроз реализуется вследствие сочетания ряда факторов, влияющих на возникновение чрезвычайной ситуации (ЧС).
Требуется определить множество факторов {¥^}, влияющих на развитие ЭС (или на развитие чрезвычайной ситуации в ЭС), и множество связей между ними {Я'}, а также:
а) определить характер влияния факторов друг на друга (знак связи Я/):
+ , если увеличение Fi приводит к увеличению Fj или уменьшение Я/ Fi приводит к уменьшению Fj;
■ , если уменьшение Fi приводит к увеличению Fj или увеличение Fi приводит к уменьшению Fj
б) определить степень взаимовлияния факторов, т.е. найти множество весовых коэффициентов связей ^г};
в) определить, как факторы Fi связаны с угрозами ЭБ ик и индикаторами ЭБ I] , учитывая, что должно выполняться соотношение 1п <1] < 1с,
где 1п -значения индикаторов, определяющее нормальный уровень ЭБ; 1] - текущие значения индикаторов ЭБ; 1с -значения индикаторов, определяющих кризисный уровень ЭБ.
Назначение связям Я/ весов Wi, определяющих степень влияния одного фактора на другой ^ ^ Fj), позволит определить суммарный вклад факторов в создание ЧС. Построение когнитивных моделей и их анализ позволят ранжировать ЧС по степени их опасности и возможных последствий, а также определять превентивные мероприятия, направленные на предотвращение ЧС. Из всего множества угроз выбраны природные угрозы, приведенные в таблице, а из них две - наиболее типичные для Иркутской области (когнитивные карты приведены на рис. 1 и 2.
Природные угрозы энергетической безопасности
Угроза Следствия угроз
Стихийные бедствия (землетрясения, ураганы, наводнения, цунами, сели, оползни, гололедные явления, в том числе инициированные или усиленные деятельностью человека - снижение объемов транспорта из ... в ... ь го энергоресурса на ...% в течение ... - снижение мощностей ... объекта ТЭК на .% - снижение уровня запасов 1-го ресурса Ь-й категории на .% - снижение нормативного объема запасов категории h 1-го ресурса - снижение объемов заданного потребления 1-го энергоресурса ^й категорией потребителей .%
Суровые зимы с превышениями нормальных температурных условий, которые учитываются при проектировании отопления/тепло-снабжения; в пределах этих условий, но при наложении на аварийные ситуации и/или в условиях недостаточности резервов и запасов Дефицит тепловой энергии, электроэнергии и топлива (снижение объемов запасов и увеличение объемов потребления) - увеличение объемов заданного потребления 1-го энергоресурса ^й категорией потребителей на .%
Длительное маловодье на реках с гидроэлектростанциями Снижение мощностей ... ГЭС на .%
Рис. 1. Когнитивное моделирование последствий реализации угрозы «Суровая зима»: С^ - угроза (понижение температуры); С2 - потребление электроэнергии; С3 - потребление тепловой энергии; С4 - потребление топлива; С5 - запасы топливно-энергетических ресурсов (ТЭР); С6К - управляющее воздействие (возобнов-
ление ТЭР). Понижение температуры С^ приводит к увеличению потребления ТЭР (С2, С3, С4) и, соответственно, к уменьшению их запасов С5 (отрицательные связи), что может привести к опасности возникновения чрезвычайной ситуации (ЧС), связанной с недостатком ТЭР. Управляющее воздействие С6К (возобновление ресурсов) предотвращает наступление ЧС и позволяет поддерживать возросшее потребление (положительные связи).
Рис. 2. Когнитивное моделирование последствий реализации угрозы «Землетрясение»: С! - добыча/производство энергоресурсов; С2 - объем запасов ТЭР; С3 - транспорт ТЭР; С4 - мощность объекта ТЭК; С5и - природная угроза (стихийное бедствие - землетрясение); С6 - нормативный объем запасов ТЭР; С7 - потребление энергоресурса; С8К - управляющее воздействие (меры по ликвидации последствий ЧС - землетрясения). Увеличение добычи/производства энергоресурсов С! требует увеличения объемов транспорта С3; уменьшение их приводит к снижению мощности объекта ТЭК С4 (связи положительные, т.к. явления одного знака). Рост потребления С7 требует повышения мощности объектов ТЭК С4 или увеличения объемов добычи/производства энергоресурсов ^.Увеличение запасов ТЭР С2 позволяет увеличить потребление С7. Стихийное бедствие С5и отрицательно отражается как на энергетических и транспортных объектах, снижая мощность первых С4, и объемы транспорта С3, так и объектах потребления С7. В условиях ЧС (при выходе из строя объектов ТЭК) увеличение потребления С7 приводит к уменьшению запасов С2; уменьшение их ниже нормы С6 может, в свою очередь, привести к возникновению ЧС. Поэтому управляющее воздействие С8К с одной стороны, может включать ликвидационные меры, а с другой стороны, быть направленным на восстановление нормативных запасов ТЭР С6.
По результатам анализа когнитивных карт строятся матрицы отношений концептов, приведенные ниже (отношения характеризуются знаками +, -), в случае отсутствия взаимовлияния концептов ставится 0. При назначении связям весовых коэффициентов, определяющих степень влияния одного фактора на другой, возможно определять суммарный вклад факторов в создание ЧС, и, таким образом, ранжировать ЧС по степени их опасности и возможных последствий, а также предлагать превентивные мероприятия, направленные на предотвращение ЧС.
Матрицы отношений концептов, рис. 1
Сіи С2 Сз О4 О5 ОбК
Сіи X - - - + 0
С2 0 X 0 0 - 0
Сз 0 0 X 0 - 0
С4 0 0 0 X - 0
С5 0 + + + X 0
О 0 0 0 0 + X
Матрицы отношений концептов, рис. 2
Сі С2 Сз С4 С5° С С7 С со
Сі X 0 + + 0 0 0 0
О2 0 X 0 0 0 + 0 0
Сз 0 + X 0 0 0 0 0
О4 0 0 + X 0 0 0 0
С5° - - - - X 0 - 0
О 0 0 0 0 0 X 0 0
С7 + 0 0 + 0 - X 0
О со + + + + 0 + + X
Заполнение матриц концептов числовыми значениями (экспертными оценками) позволяет обрабатывать их, например, с помощью системы «Прогноз»*, которой располагают авторы.
*Программная система «Прогноз» разработана в Российской академии государственной службы при президенте РФ
Предполагается, что построение и анализ когнитивных карт будут первым этапом вычислительного эксперимента (ВЭ), в результате которого исследователь уточняет стратегию ВЭ и определяет варианты, которые хочет рассчитать. Для расчетов используются программный комплекс ИНТЭК для исследований направлений развития ТЭК с учетом требований энергетической безопасности [2] и его мультиагентная версия ИНТЭК-М [3]. В этом случае конкретизированные значения следствий угроз, приведенные в табл. 1, будут являться корректировками матрицы условий общей задачи линейного программирования, решаемой в рамках ПК ИН-ТЭК.
Работа выполняется при частичной поддержке грантами РФФИ №07-07-00265, РФФИ №08-07-00172, РГНФ №07-02-12112 и Программы Президиума РАН №2.15.
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Трахтенгерц Э.А. Компьютерная поддержка принятия решений.-М.: СИНТЕГ,1998.-376с.
2. Массель Л.В., Болдырев Е.А., Макагонова Н.Н. и др. Интеграция информационных технологий в системных исследованиях энергетики.- Новосибирск: Наука, 2003.- 320 с.
3. Аршинский В. Л., Массель А.Г., Фартышев Д.А. Мультиагентный про-
граммный комплекс для исследований проблемы энергетической безопасности / Труды IV Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении», т.3, 2009. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН,- С. 283-289. ВШЭ ' ' '
Massel A G.
COGNITIVE MODELING OF ENERGY SECURITY THREATS.
It’s proposed the approach to analysis of energy security threats based on the qualitative methods of its estimate. The cognitive modeling is used for this goal. Mathematical description of statement is given and some examples of cognitive maps are made.
Key words: energy security, cognitive maps, natural threats.
— Коротко об авторе -------------------------------------------------
Марель Лпе^ей Геннадьевич - аспирант Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН, г. Иркутск,
E-mail: massel@isem. se. irk.ru
