CC BY
19УДК 004:005.584.1:502/504
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
В.В. Ничепорчук, кандидат технических наук.
Уральский институт ГПС МЧС России, г. Екатеринбург.
А.В. Калач, доктор химических наук, профессор.
Институт вычислительного моделирования Сибирского отделения
Российской академии наук.
А.С. Крутолапов, доктор технических наук, доцент. Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России
Статья посвящена обеспечению природно-техногенной безопасности, защите территорий от чрезвычайных ситуаций. Разработана архитектура систем и информационных ресурсов на основе системного анализа процессов обеспечения безопасности территорий. В общем, показано решение проблем формирования ресурсов и использования информационных технологий для разработки интегрированных информационно-аналитических систем по обеспечению территориальной безопасности.
Ключевые слова: алгоритм, безопасность, информационная система, управление, угрозы
DESIGN OF AN INFORMATION AND ANALYTICAL SUPPORT SYSTEM NATURAL AND MAN-MADE SAFETY
V.V. Nicheporchuk. Ural institute of State fire service of EMERCOM of Russia, Yekaterinburg. A.V. Kalach.
Institute of computational modeling of the Siberian branch of the Russian academy of sciences. A.S. Krutolapov. Saint Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia
The article is devoted to ensuring natural and manufactured safety, protection of territories from emergencies. The architecture of systems and information resources based on the system analysis of the processes of ensuring the security of territories is developed. In general, the solution of the problems of resource formation and the use of information technologies for the development of integrated information and analytical systems for ensuring territorial security shown. Keywords: algorithm, security, information system, management, threats
Введение
Защита населения и территорий от чрезвычайных ситуаций (ЧС), обеспечение сбора, обработки, обмена и выдачи информации для предупреждения и ликвидации ЧС в России определены как основные задачи Единой государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций (РСЧС) [1].
Обеспечение природно-техногенной безопасности включает управление силами и средствами федеральных и региональных органов исполнительной власти, местного самоуправления, а также организаций, в полномочия которых входит решение вопросов защиты населения, территорий, акваторий от ЧС различного характера [2-4].
Управленческие решения формируются и реализуются в центрах управления в кризисных ситуациях (ЦУКС) субъектов Российской Федерации, единых дежурно-
57
диспетчерских системах (ЕДДС) муниципальных образований, противопожарных гарнизонах и других органах управления. Координация действий сил и средств РСЧС возложена на МЧС России.
Сложность процессов управления РСЧС обуславливает необходимость постановки и решения задач их информационного обеспечения с позиций системного анализа.
На рис. 1 представлена схема иерархии управления и взаимодействия в РСЧС, на которой показана типовая структура территориальной подсистемы обеспечения природно-техногенной безопасности во взаимодействии с вышестоящими (федерального уровня) и подчинёнными органами управления (местного и объектового уровней).
Федеральный уроВень управления
—► упраЬлЕние —> йзаимоЗейстВие, коорйинация ^ Временна действующие органы управления
Рис. 1. Структурная схема организации управления РСЧС (ПБ - пожарная безопасность)
Обеспечение природно-техногенной безопасности территорий является национальным стратегическим приоритетом России. Изменение климата, рост сложности и энергоёмкости производств, антропогенного влияния на окружающую среду обуславливают необходимость исследований опасностей и угроз, предотвращение и парирование которых позволит снизить негативные последствия для общества и экономики.
58
Уровень развития современных технологий получения и обработки данных, большие объёмы детализированной информации об объектах и процессах окружающей среды и техносферы, повышение точности моделей ЧС, накопленный опыт управления в нештатных ситуациях определяют возможность развития принципов построения нового поколения информационно-аналитических систем комплексной поддержки управления территориальной безопасностью [5].
Функционал существующих программных систем территориального управления обеспечивает частичное решение задач мониторинга, сбора данных, моделирования ситуаций, оценки рисков. Формирование решений зачастую происходит на основе неформализованной информации (оперативных донесений, отчётов), форматы представления которой не позволяют использовать средства анализа, динамической визуализации. Требуется разработка технологий создания информационно-аналитических систем, реализующих единые принципы консолидации и обработки информационных ресурсов, использующихся для информационной поддержки обеспечения территориальной безопасности.
Построение таких систем позволит унифицировать процессы аналитической обработки данных оперативного мониторинга окружающей среды и объектов техносферы и обеспечить формирование управленческих решений.
Использование большого количества программных комплексов, решающих частные задачи поддержки управления на основе фрагментарных данных, диктует необходимость разработки архитектуры систем и информационных ресурсов на основе системного анализа процессов обеспечения безопасности территорий. Для повышения эффективности мероприятий по предупреждению ЧС и снижению рисков необходима разработка критериев раннего обнаружения опасностей и использование средств аналитической обработки данных комплексного мониторинга.
Для поддержки экстренного управления требуется повышение информативности ситуационного моделирования, переход от расчётов динамики распространения опасных факторов к комплексному описанию последствий негативных событий и способов действий по их ликвидации и проведению мероприятий защиты, соответствующих масштабу ситуации и складывающимся условиям.
Решение проблемы формирования ресурсов и использования информационных технологий для разработки интегрированных информационно-аналитических систем по обеспечению территориальной безопасности представляется актуальной и значимой.
В общем виде процессы решения задач управления I можно представить как
Для обозначения отображения ^ будем использовать обозначение представляемой задачи: ё - представляет исходные информационные ресурсы; у - результаты решения задачи; / - функции, выполнение которых необходимо для решения задачи; И - используемые информационные технологии.
Такое представление интерпретируется как получение результатов решения задач I в виде элементов множества у с использованием информационных ресурсов ё и информационных технологий И, реализующих функции ¥.
Рассмотрим конкретные представления для перечисленных выше задач:
Представление процессов решения управленческих задач
л
У
Ь №ь с!2, с13, с14/ с15, с16}
оЬ+Нг+'Лз), (¡и+Нз+Н4)
/»/ /)2/ />4, /г5
{тьиьа2}
оперативная идентификация опасностей и угроз;
59
- формирование сценариев ситуаций;
- прогнозирование обстановки;
- оповещение и информирование;
- ликвидация опасных факторов ситуаций;
проведение мероприятий защиты;
- оценивание рисков;
t32: {d3, d4, d5} —:
¡31, f32, f 34, ¡36
(ib+fc+its), (its+its+iu)
{a2,ubm3}
- контроль проведения мероприятий по снижению территориальных рисков.
При решении задач управления требуются различные виды информационных ресурсов Я. Например, в процессе оценивания территориальных рисков 3 задействованы все виды Я, поскольку для комплексного анализа требуются практически все данные мониторинга опасностей, характеристики территорий О2, состояние сил и средств территориальной подсистемы РСЧС О3.
Оперативная идентификация опасностей и угроз
Реализация процесса решения задачи оперативной идентификации опасностей и угроз
представлена на рис. 2 в виде диаграммы IDEF3.
После выполнения консолидации данных в хранилище по заданному расписанию обновляется OLAP-модель оценки оперативной обстановки и формируется xml файл с обновлёнными результатами наблюдений для отображения на динамической карте. Кросс-таблица преобразуется в html-формат с подсвеченными данными.
Процесс веб-публикации графика наблюдений выполняется только в случае выхода показателей наблюдений за допустимые пределы, установленные критериями опасностей и угроз, и сохранённые в виде справочника свойств (характеристик) пунктов наблюдений. Если для идентификации опасностей достаточно простое сравнение показателей и критериев, то для идентификации угроз используется несколько различных методов анализа: близость к критериям опасности, резкое изменение значений, прогностический тренд и др. После формирования набора представлений специальная служба обновляет контент сайта - данные оперативных обстановок, календарь обстановок и архив наблюдений.
60
Рис. 2. Процесс решения задачи - идентификации опасностей и угроз в потоках данных оперативного комплексного мониторинга обстановки
Для добавления данных в архив используется OLAP-модель фильтрации данных. Например, представления оперативных обстановок могут содержать данные за предыдущие 2-5 суток, тогда как в архив добавляются только последние наблюдения.
При использовании приборов наблюдений в архив записываются два-три значения: среднесуточные и экстремальные показания.
Формирование возможных сценариев ЧС
Реализация процесса решения задачи формирования возможных сценариев ЧС
представлена на рис. 3 (диаграмма IDЕF3).
Особенностью процесса решения задачи t¡2 является учёт существования и возможность программной реализации расчётных методик, на основе которых формируется описание ситуации, её последствий и происходит оценка объёмов работ по ликвидации опасных факторов ЧС и проведения мероприятий защиты.
61
Рис. 3. Процесс решения задачи t12 - формирование возможных сценариев ЧС
Использование цифровой карты (как правило М1:10 000 и крупнее для опасных ситуаций техногенного характера и М 1:100 000 для природных ЧС) позволяет сформировать перечень защищаемых объектов О2, от количества и характеристик которых зависит объём и содержание мероприятий защиты, состав и возможности формируемой группировки сил и средств О3.
Прогнозирование обстановки
Реализация процесса решения задачи прогнозирования ситуаций:
Прогнозирование заключается в оценке вероятности возникновения и возможных масштабов опасных ситуаций, зависящих от неблагоприятных метеорологических, гидрологических и других факторов, и строится на основе доступных краткосрочных прогнозов сторонних организаций (рис. 4).
В качестве источника прогностической информации используются данные краткосрочного прогноза погоды (до 10 суток), обновляемые один раз в два-шесть часов из внешних интернет-ресурсов (GRIB - Росгидромет, NASA, Ecmwf, OpenWeahterMap и др.), прогнозы уровней воды на водомерных постах (данные Росгидромета), а также характеристики территорий, представленные в виде формализованных паспортов безопасности, атласов рисков, статистических баз данных [5-7].
Для видов ЧС, не зависящих от погодных условий, используется оценивание рисков задач tu , основанное на статистических методах.
Разработана обобщенная системная архитектура информационной поддержки процессов управления природно-техногенной безопасностью территорий, позволяющая
62
создавать мультизадачные проблемно ориентированные программные комплексы территориального управления.
Рис. 4. Процесс решения задачи - прогнозирование обстановки на территории региона
В отличие от известных подходов к проектированию информационно-управляющих систем в сфере природно-техногенной безопасности системная архитектура позволяет определить функционал синтезируемой информационно-аналитической системы с использованием элементов системной модели для разных режимов функционирования и разных уровней управления природно-техногенной безопасностью территорий, обосновать выбор программных компонентов и рациональных способов комплексного решения задач управления.
На основе рассмотренных элементов модели, представлений процессов и принципов реализации управленческих задач разработана обобщенная системная архитектура информационной поддержки процессов управления природно-техногенной безопасностью территорий, позволяющая создавать мультизадачные проблемно ориентированные программные комплексы территориального управления.
Системная архитектура определяет функционал синтезируемой информационно-аналитической системы на основе элементов системной модели М для разных режимов функционирования G и разных уровней управления L природно-техногенной безопасностью территорий, обосновывает выбор программных компонентов для рациональных способов комплексного решения задач управления.
Обобщенная системная архитектура описывает следующие компоненты: источники данных, блок консолидации информационных ресурсов, подсистемы и сервисы обработки данных, человеко-машинный интерфейс.
Обобщённая системная архитектура (рис. 5) описывает региональный уровень управления ¡¡.
63
Источники данных
Правила и требования:
Мониторинг природниых ЧС
9,92 г2
Приборы наблюЗении за обстановкой
Систематизация источников
Консолидация информационных ресурсов
Структура хранилища данных
'хЛ Функции ¿ду сбора ванных
9,92 г,
Подсистема сбора
- прием экстренных сообщении.
- сбор Занесений и отчетов,
- регистрации заявок
9, 92 г2
Приборы контроля объектов техносферы
О-
9, 92 '.Л'.
ОбьектоЬые системы мониторинга
<я
it2i Г4
Подсистема ведения справочников
• сазбание и импорт спрабочникоб, ■ созбание и экспорт оглавлений
Использующиеся технологии:
it, ft.
Подсистемы (сервисы) обработки данных
Структура моделей OLAP Требования расчетных методик Реализация процессов решения задач управления t через функции информационных систем
f f ff
' 21* 31 4>'S
Человеко-машинный интерфейс
Структура представлений результатов обработки
Функции Кя}) визуализации
Оперативная
идентификация i(
j опасностей и угроз '
Контроль ^
мероприятий по (t,
снижению рисков ^
Прогнозирование /7~\ и) обстановки vvj/
Информиробоние и оповещение ^^
Ликбибауия опасных ситуаций
Формирование возможных сценариев ЧС
Проведение мероприятий защиты
Информирование и оповещение
©О
Комплексная оценка рисков территорий
Прогнозирование обстановки
Информирование и оповещение
© ® © © ® ®
Специализированные АРМ
» аналитического моделирования » ситуационного моделирования
Веб-сайты
• оператибного мониторинга
• архивных донных.
• шлюз доступа
• сбора данных, в геосербер
Мобильные приложения
I оповещения,
> информирования,
> сбора данных,
» регистрации заявок
> визуализации обстановки
АРМ администрирования
• управления данными
• управления доступом
/О it
Рис. 5. Архитектура региональной информационно-аналитической системы (АРМ - автоматизированное рабочее место)
Таким образом, обобщенная системная архитектура построена на основе системной модели поддержки управления природно-техногенной безопасностью региона. Процесс построения системной архитектуры представляет собой декомпозицию задач управления с детализацией и трансформацией информационных ресурсов. Архитектура конкретизирует системную модель в виде описаний источников данных, блока консолидации информационных ресурсов, подсистем и сервисов обработки данных, человеко-машинных интерфейсов. Источники данных и процессы консолидации описываются в соответствии с классификацией информационных ресурсов и информационных технологий, введённых в системной модели. Функционирование подсистем и сервисов обработки данных реализует аналитическое и ситуационное моделирование, а также динамическую визуализацию результатов формирования решений.
Человеко-машинные интерфейсы включают всё разнообразие доступа к информации для лиц, формирующих и принимающих управленческие решения, - настольные программные комплексы, веб-сайты и мобильные приложения.
Литература
1. О единой государственной системе предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций: постановление Правительства Рос. Федерации от 5 нояб. 1995 г. № 1113 (в ред. от 8 авг. 2003 г.). Доступ из справ.-правового портала «Гарант».
2. Раннее предупреждение о чрезвычайных ситуациях / М.И. Фалеев [и др.]. М.: МЧС России, 2015. 232 с.
3. Черных А.К., Малыгин И.Г., Клыков П.Н. Выбор показателей для оценки реализации целевых программ создания информационных систем органов государственного управления в чрезвычайных ситуациях // Науч.-аналит. журн. «Вестник С.-Петерб. ун-та ГПС МЧС России». 2019. № 2. С. 78-86.
4. Комплексная модель информационного обеспечения автоматизированного управления силами и средствами МЧС России / И.Г. Малыгин [и др.]: монография. СПб.: С.-Петерб. ун-т ГПС МЧС России, 2017. 161 с.
64
5. Martinovich N.V., Mel'Nik A.A., Kalach A.V., Akulov A.Yu. Functional model of activity of the fire and rescue unit // Journal of Physics: Conference Series. 2020. 1479(1). 012007.
6. Ничепорчук В.В., Ноженкова Л.Ф. Информационные системы природно-техногенной безопасности Красноярского края // Вычислительные технологии. Новосибирск: ИВТ СО РАН, 2003. Т. 8. С. 70-79.
7. Ничепорчук В.В. Метод использования критериев опасностей для идентификации рискоопасных ситуаций // Обработка пространственных данных в задачах мониторинга природных и антропогенных процессов: сб. трудов Всерос. конф. Новосибирск: ИВТ СО РАН, 2019. С. 427-433.
References
1. O edinoj gosudarstvennoj sisteme preduprezhdeniya i likvidacii chrezvychajnyh situacij: postanovlenie Pravitel'stva Ros. Federacii ot 5 noyab. 1995 g. № 1113 (v red. ot 8 avg. 2003 g.). Dostup iz sprav.-pravovogo portala «Garant».
2. Rannee preduprezhdenie o chrezvychajnyh situaciyah / M.I. Faleev [i dr.]. M.: MCHS Rossii, 2015. 232 s.
3. Chernyh A.K., Malygin I.G., Klykov P.N. Vybor pokazatelej dlya ocenki realizacii celevyh programm sozdaniya informacionnyh sistem organov gosudarstvennogo upravleniya v chrezvychajnyh situaciyah // Nauch.-analit. zhurn. «Vestnik S.-Peterb. un-ta GPS MCHS Rossii». 2019. № 2. S. 78-86.
4. Kompleksnaya model' informacionnogo obespecheniya avtomatizirovannogo upravleniya silami i sredstvami MCHS Rossii / I.G. Malygin [i dr.]: monografiya. SPb.:S.-Peterb. un-t GPS MCHS Rossii, 2017. 161 s.
5. Martinovich N.V., Mel'Nik A.A., Kalach A.V., Akulov A.Yu. Functional model of activity of the fire and rescue unit // Journal of Physics: Conference Series. 2020. 1479(1). 012007.
6. Nicheporchuk V.V., Nozhenkova L.F. Informacionnye sistemy prirodno-tekhnogennoj bezopasnosti Krasnoyarskogo kraya // Vychislitel'nye tekhnologii. Novosibirsk: IVT SO RAN, 2003. T. 8. S. 70-79.
7. Nicheporchuk V.V. Metod ispol'zovaniya kriteriev opasnostej dlya identifikacii riskoopasnyh situacij // Obrabotka prostranstvennyh dannyh v zadachah monitoringa prirodnyh i antropogennyh processov: sb. trudov Vseros. konf. Novosibirsk: IVT SO RAN, 2019. S. 427-433.
65
