CC BY
891
УДК 502.22 517:519.8
СИСТЕМНО-ЦЕЛЕВОЙ ПОДХОД К АНАЛИЗУ
ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ СИСТЕМ
Татьяна Юрьевна Бугакова
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент, заведующая кафедрой прикладной информатики, тел. (383)343-18-53, e-mail: [email protected]
Игорь Георгиевич Вовк
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры прикладной информатики, тел. (383)343-18-53, e-mail: [email protected]
Решение проблемы оценки риска техногенных систем основано на принципах системно-целевого подхода и осуществляется в результате решения алгоритма, состоящего из взаимосвязанных задач: 1) определение пространственно-временных состояний объектов для оценки техногенных рисков; 2) моделирование пространственно -временного состояния техногенных систем по геодезическим данным; 3) оценка риска в техногенных системах по результатам моделирования изменения их пространственно-временного состояния.
Ключевые слова: модель, пространственно-временное состояние, техногенная система, риск.
SYSTEM-TARGETED APPROACH TO THE ANALYSIS OF SPATIAL-TEMPORAL STATES TECHNOGENIC SYSTEMS
Tatiana Y. Bugakova
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, Ph. D., Assoc Prof, Head of the Department of Applied Computer Science, tel. (383)343-18-53, e-mail: [email protected]
Igor G. Vovk
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Applied Computer Science, tel. (383)343-18-
53,
e-mail: [email protected]
Addressing risk assessment of man-made systems, based on the principles of a system-oriented approach and implemented by solving algorithm, consisting of interrelated tasks: 1) determining the spatio-temporal states of objects to assess technological risks, 2) modeling of space-time state of man-made systems for geodetic data, 3) risk assessment in man-made systems, simulation results change their spatial- temporal state.
Key words: model, space-time status, a technological system risk.
Техногенная система (ТГС) - это сложная, искусственно созданная человеком система, которая работает в контакте с природной окружающей
средой как единое целое на основе определенного типа обмена веществом, энергией, информацией.
Проблемы риска и производственной безопасности техногенных систем в настоящее время имеют большое значение. Особую актуальность они приобретают в связи с возникновением техногенных катастроф при строительстве и эксплуатации крупных инженерных сооружений, например, в атомной энергетике, химической промышленности, машиностроении, на транспорте и других отраслях хозяйственной деятельности. Причинами катастроф в основном являются неправильная эксплуатация человеко-машинных систем и различные геодинамические процессы и явления.
Обеспечение безопасности ТГС связано с решением совокупности задач относящихся к различным областям знаний. К ним относятся задачи политического, социально-экономического, управленческого,
технологического характера и т.д. Далеко не последнюю роль в этом списке занимает задача обеспечения безопасности техногенных систем геодезическими методами, решение которой дает информацию о пространственно-временном состоянии (ПВС) техногенных систем.
Как известно абсолютную безопасность техногенной деятельности гарантировать в принципе невозможно и поэтому проявляется необходимость оценивать меру этой опасности, т. е. оценивать риск опасных последствий техногенной деятельности. Этим обосновывается актуальность темы исследований.
Основным противоречием обеспечения безопасности ТГС по геодезическим данным является следующее.
С одной стороны, имеется современное высокоточное геодезическое оборудование, способное выполнить геопространственные измерения в любой момент времени. С другой стороны нет формальной методологии выявления причинно-следственных связей между результатами геодезических измерений и изменением пространственно-временного состояния техногенной системы в целом. В результате отсутствует достаточная информация для оценки риска ТГС, обусловленного изменением ее пространственно-временного состояния, и моделирования сценариев изменения ПВС.
Следовательно, главной проблемой обеспечения безопасности ТГС по геодезическим данным, является отсутствие формальной модели, увязывающей в единую систему определение ПВС ТГС по геодезическим данным, оценку риска и определение сценариев изменения ПВС для своевременного принятия решений и предупреждения чрезвычайных ситуаций (ЧС).
Поэтому главной целью исследования проблемы оценки риска техногенных систем, является не определение повреждения объекта как уже свершившегося факта, а предупреждение опасной ситуации, поиск управления ПВС объекта, обеспечивающее снижение риска до приемлемого уровня [1].
Изложенные обстоятельства свидетельствуют, что сформулированная цель работы является многовариантной, многошаговой (многоходовой) и многокритериальной. Её решение, основано на принципах системно-целевого подхода и осуществляется в результате решения алгоритма, состоящего из взаимосвязанных задач [2, 3].
1. Анализ проблемы определения пространственно-временных состояний объектов для оценки техногенных рисков [1, 4, 5].
В настоящее время появились новые технические возможности проведения геодезического контроля ПВС объектов, например, лазерное сканирование, также в последнее время активно развивается и применяется спутниковая технология на основе глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Новые технологии имеют очевидные преимущества перед классическими, основанными на применении традиционных измерительных средств, в том числе тахеометров, нивелиров, дальномеров:
1) отображение объекта в виде множества (облака) точек в пространстве с координатами Х,У,7, например, лазерное сканирование;
2) обеспечение непрерывного (независимо от времени суток, погодных и климатических условий) потока информации, например, со спутниковых датчиков, установленных в контрольных точках;
3) высокий уровень автоматизации, слежения за геометрическими параметрами сооружений и т. д.
В связи с появлением новых возможностей получения пространственной информации об объектах (ТГС), основанных на использовании современных технологий, стало возможным определять, и как следствие, анализировать изменение пространственного положения объекта в целом, используя формальные процедуры системного анализа, а не выводить суждение об изменении ПВС объекта по отдельным контрольным точкам.
Моделирование целостной картины изменения пространственно-временного состояния ТГС, основанное на формальных методах и процедурах, является новым, актуальным и востребованным научным направлением в настоящее время.
2. Моделирование пространственно-временного состояния техногенных систем по геодезическим данным [5-9].
Исходными данными для моделирования служат временные ряды координат Х(1:),У(1:),7(1:) множества (облака) точек исследуемого объекта.
Для контроля пространственно-временного состояния (ПВС) техногенных систем необходимы данные об их геометрических свойствах, как функциях времени. К ним относятся форма, размеры и положение объекта (ТГС) в пространстве. Выполнить непосредственное измерение таких свойств даже современными техническими средствами чаще всего не удаётся и поэтому для определения целостной картины изменения пространственно-временного состояния ТГС необходимо применить методы математического моделирования.
Например, для определения ориентации системы в пространстве необходимо найти плоскость Б, наилучшим образом аппроксимирующую
зависимость = (X), У)) такой, что сумма квадратов расстояний точек облака от нее минимальна [13]. Ориентация плоскости в пространстве полностью определяется нормалью N к этой плоскости (рис. 1).
• Изменение положения
60-
40 —
20—
0-
боюаь^
нормали, проведенной к плоскости, будет
характеризовать ориентацию облака точек в пространстве.
Для определения изменения поверхности облака точек нужно аппроксимировать его сферой А. Изменение размеров этого облака (расширение, сжатие), а так же изменение расстояний точек от поверхности сферы будут характеризовать локальные деформации поверхности.
Изменение положения облака точек в пространстве и времени позволяет выводить суждение о движении объекта. Движение D объекта традиционно представляют в виде композиции поступательного (Dp), вращательного (Dw) и относительного (Do) движений.
-30-
-зо-
-40—
-60-
Рис. 1. Моделирование пространственно-временного состояния плоскостью
В = Вр + Вм + Во (1)
Результат декомпозиции
позволит выявить причинно-следственные связи изменения пространственно-временного состояния ТГС для оценки риска ПВС.
С точки зрения системно-целевого подхода каждый из приведенных примеров представляет собой конструирование агрегата по элементарным данным (точкам). Если имеются физические или конструктивные предпосылки того, что облако может быть представлено в виде нескольких частей, то эту работу нужно делать для каждой части. Полученные результаты являются основой для прогнозирования изменения ПВС (эволюции) и оценки риска возникновения опасной ситуации.
3. Оценка риска в техногенных системах по результатам моделирования изменения их пространственно-временного состояния.
Рис. 2. Сферическая модель объекта
Для оценки техногенного риска необходимо знать не только состояние системы, но и возможные сценарии её эволюции, а также распределение вероятностей сценариев эволюции.
Определение будущего ПВС ТГС всегда основано на некоторых правдоподобных гипотезах, достоверность которых, как правило, неизвестна. Для уменьшения меры неопределённости при выборе наиболее полезного решения вводится понятие риска, которое характеризуется величиной ущерба из-за выбора решения и вероятностью выбора этого решения. Следовательно, риск, как случайная величина, в полной мере характеризуется своей функцией распределения.
На рис. 3 приведен
пример оценки техногенного риска методом
экспоненциального сглаживания [10,11].
В рассматриваемом
примере интервал
прогнозирования представлен состоящим из трёх шагов одинаковой длительности. На каждом шаге рассмотрено четыре сценария эволюции,
соответствующие четырём значениям постоянной
сглаживания а = 0.1, 0.4, 0.7, 0.9. Предполагается, что на каждом шаге значение а принимает одно из четырёх значений. После трёх шагов
получим 64 прогнозных состояния системы и соответствующие им значения вероятностей. Зная эмпирическую функцию техногенного риска, нетрудно найти вероятность того, что величина
Рис. 3. Пример оценки техногенного
риска методом экспоненциального
сглаживания
техногенного ущерба на интервале исследования не превзойдёт
заданной величины или установить интервал, в котором величина техногенного ущерба будет находиться с заданной вероятностью.
Приведенные математические методы определения ПВС ТГС и оценки техногенного риска предлагается использовать в комплексе с автоматизированными системами мониторинга (АСМ) для повышения уровня безопасности ТГС, раннего предупреждения и своевременного устранения причин, влекущих за собой аварии и чрезвычайные ситуации. АСМ в комплексе с мощным алгоритмом оценки и управления риском - это одна из актуальных научных задач, которая должна быть отнесена к разряду обязательных мер на уровне МЧС России по обеспечению безопасности и являться основополагающей по предупреждению чрезвычайных ситуаций [12].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Вовк И. Г. Бугакова Т. Ю. Теория определения техногенного геодинамического риска пространственно-временного состояния технических систем // ГЕ0-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). -Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 1, ч. 2. - С. 21-24.
2. Вовк И. Г. Системно-целевой подход в прикладной геоинформатике // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 2 (18). - С. 115-124.
3. Вовк И. Г. Математическое моделирование в прикладной геоинформатике // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 1 (17). - С. 94-103.
4. Бугакова Т. Ю., Вовк И. Г. Математическое моделирование пространственно-временного состояния систем // Материалы V Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства». - Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин), 2012. - Т.2. - С. 100-105.
5. Бугакова Т. Ю., Вовк И. Г. Математическое моделирование пространственно-временного состояния систем по геометрическим свойствам // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 3. - С. 26-31.
6. Вовк И. Г. Моделирование в прикладной геоинформатике // Вестник СГГА. -2011. - Вып. 1 (14). - С. 69-75.
7. Вовк И. Г. Методика преобразования рельефа в прикладной геоинформатике // Интеграция обрразовательного пространства с реальным сектором экономики: сб. материалов Междунар. научно-метод. конф., 27 февр. - 2 марта 2012 г., Новосибирск. -Новосибирск: СГГА, 2012. Ч. 4. - С. 39-41.
8. Вовк И. Г. Определение геометрических инвариантов пространственной кривой в прикладной геоинформатике // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 3 (19). - С. 52-61.
9. Бугакова Т. Ю., Вовк И. Г. Определение вращательного движения объекта по результатам многократных геодезических измерений // Интерэкспо Гео-Сибирь-2013: IX Междунар. науч. конгр., Междунар. научн. конф. «Раннее предупреждение и управление в кризисных и чрезвычайных ситуациях: предпринимаемые шаги и их реализация с помощью картографии, геоинформации, GPS и
дистанционного зондирования». (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. - С. 88-92.
10. Бугакова Т. Ю., Вовк И. Г. Математическое моделирование пространственно-временного состояния систем по геометрическим свойствам и оценка техногенного риска методом экспоненциального сглаживания // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 4 (20). - С. 4758.
11. T. Bugakova Mathematical simulation of systems time-space condition by geodetic data for technogenic risk assessment. European Science and Technology [Text] : materials of the V international research and practice conference, Vol. I, Munich, October 3rd - 4th, 2013 / publishing office Vela Verlag Waldkraiburg - Munich - Germany, С.350-354.
12. Бугакова Т. Ю. К вопросу оценки риска геотехнических систем по геодезическим данным // ГЕ0-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, ч. 1. - С. 151157.
© Т. Ю. Бугакова, И. Г. Вовк, 2014
