CC BY
31
11. Фридман, А. Я., Фридман О. В. Модели и методы координации решений по управлению региональным промышленно -природным комплексом // Вестник КНЦ. Апатиты: КНЦ РАН, 2012. Вып. 2. С. 65-78.
12. Игнатьев М. Б., Путилов В. А., Смольков Г. Я. Модели и системы управления комплексными экспериментальными исследованиями. М.: Наука, 1986. 232 с.
13. Шишаев М. Г., Диковицкий В. В. Технология синтеза адаптивных пользовательских интерфейсов для мультипредметных информационных систем // Труды Кольского научного центра РАН. 2014. № 5 (24). С. 101-108.
Сведения об авторах
Вицентий Александр Владимирович
к.т.н., старший научный сотрудник e-mail: alx 2003@inail.ru Vicentiy Alexander PhD (Tech. Sci.), senior researcher
Шишаев Максим Геннадьевич
д.т.н, доцент, профессор РАН, главный научный сотрудник ИИММ КНЦ РАН е-mail: shishaev@iimm. ru Maxim G. Shishaev
Dr.Sci. (Tech.), lead researcher of IIMM KSC RAS
РСН: 10.25702/КБС.2307-5252.2019.9.59-68 УДК 004.9
А. В. Шестаков1, А. С. Шемякин12, С. Ю. Яковлев12
1 Институт информатики и математического моделирования ФИЦ КНЦ РАН
2 Филиал ФГБОУ ВО МАГУ в г. Апатиты
ТРЁХМЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ЗАДАЧАХ РАСЧЁТА И ВИЗУАЛИЗАЦИИ РЕГИОНАЛЬНЫХ ТЕХНОГЕННО-ЭКОЛОГИЧЕСКИХ РИСКОВ*
Аннотация
В работе обсуждаются возможности применения геоинформационных технологий для решения задач оценки промышленно-природных опасностей и рисков. Основное внимание уделено вопросам учёта рельефа прилегающей местности. На простом учебном примере расчёта зоны поражения при аварии показаны значимость этого фактора и возможности использования современных геоинформационных программных средств. Ключевые слова:
геоинформационные технологии, ГИС, риски, чрезвычайные ситуации, 3й-моделирование.
* Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования РФ (тема НИР № 0226-2019-0035), а также при частичной финансовой поддержке РФФИ (проект № 18-07-00167-а).
A. V. Shestakov, A. S. Shemyakin, S. Yu. Yakovlev
3D MODELING IN TASKS OF CALCULATION AND VISUALIZATION OF REGIONAL TECHNOGENICAL-ECOLOGICAL RISKS
Abstract
The paper discusses possibility of applying geographic information technologies to solve problems of assessing industrial-natural hazards and risks. The main attention is paid to consideration of surrounding area relief. On a simple educational example of calculating affected area in an accident, significance of this factor and possibility of using modern geoinformation software are shown.
Keywords:
geoinformation technologies, GIS, risks, emergency situations, 3D-modeling. Введение
Проблема использования геоинформационных технологий для моделирования опасностей и рисков охватывает достаточно широкий круг теоретических вопросов и приложений. Чтобы ограничить рамки исследования, в настоящей работе трёхмерное моделирование будет рассматриваться как развитие спроектированной ранее информационно-аналитической системы прогнозирования, предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций техногенного и природного характера (ИАС ПБЧС), связанных с хозяйственной и иной деятельностью в Арктической зоне РФ. Структура и функции ИАС ПБЧС описаны в [1, 2].
Разработка и использование пространственных моделей промышленно-природных опасностей обусловлены стремлением повысить точность и наглядность результатов. Целесообразность привлечения таких моделей определяется балансом между возможным «выигрышем» и «затратами» на их создание и/или эксплуатацию. Так, в работе [3] в качестве критерия предлагается величина возможного ущерба от аварии или чрезвычайной ситуации (ЧС). Актуальность трёхмерного моделирования промышленно-природных комплексов и опасностей обсуждается в [3, 3], при этом основное внимание уделено визуализации как средству, направленному на снижение неопределённости.
В настоящей работе, наряду с блоком визуализации (см. [3]), также рассматривается и аналитический блок, т.е. расчётные математические методы и модели анализа и оценки риска.
В первом разделе выполнен обзор методов, технологий и систем 3D-моделирования промышленно-природных рисков.
Во втором разделе продемонстрирован пример использования геоинформационных технологий для задачи расчёта и визуализации аварии.
В третьем разделе предложена структура ИАС ПБЧС, дополненной функцией пространственного моделирования.
1. Обзор существующих решений в сфере трёхмерного моделирования ЧС
Хорошее представление об уровне зарубежных исследований даёт статья [5], где показаны возможности применения трёхмерных моделей в задачах борьбы с ЧС. Интересно отметить масштабы моделируемых объектов: используются как модели отдельных зданий, так и крупных промышленных
комплексов. В некоторых случаях создаются трёхмерные модели крупных территорий. Например, в [5] упоминается, что в Южнокалифорнийском центре по прогнозированию землетрясений создана модель совокупности тектонических блоков, охватывающая значительную часть штата Калифорния в США.
Что касается отечественных исследований, отметим прежде всего недостаточность нормативно-методической базы: авторам удалось обнаружить лишь ведомственные рекомендации 2009 года [6]. Несмотря на малое общее количество российских наработок, можно выделить несколько исследований.
В работе [7] описывается трёхмерная модель аварийного разлива нефти из резервуара. Расчёты в модели могут проводиться по одной из двух методик на выбор пользователя: математической модели на основе уравнения Бернулли либо методики, указанной в [8]. Входными данными модели являются геометрические параметры резервуара, геометрические параметры отверстия и время истечения нефти. Помимо этого на вход расчётной модели подаются геоинформационные данные, такие как отметки высот и изолинии. На выходе расчётной модели формируется двумерное представление разлива нефти, на основе которого формируется трёхмерная модель разлива при помощи сторонних средств. В частности, в [7] для этого используется приложение ArcScene от компании ESRI [9]. Для большей наглядности полученное трёхмерное изображение дополняется вручную созданными объёмными моделями резервуаров. Для создания моделей резервуаров использовался программный продукт Sketch Up [10].
В работе [11] предлагается теоретико-множественное описание объектов трёхмерной модели промышленного объекта, на основе которого задаются отношения объектов в трёхмерном пространстве. На основании этого описания становится возможным переход от двумерного представления пространственных данных к трёхмерному. Необходимость разработки предлагаемого теоретико-множественного описания обуславливается тем, что в задачах планирования борьбы с чрезвычайными ситуациями использование трёхмерных моделей имеет ряд преимуществ. При этом большая часть существующей пространственной информации, собранной для нужд борьбы с ЧС - двумерная. На основе предложенного теоретико-множественного описания авторы [11] разработали трёхмерную модель объектов нефтяной промышленности.
Результаты, полученные в [11], используются в [12] для задачи формирования информационного пространства на основе технологий трёхмерного геоинформационного моделирования. В рамках поставленной задачи разработана схема принятия решений по борьбе с ЧС с использованием этих технологий. На основе предложенной схемы составлен алгоритм использования трёхмерной пространственной информации при оперативном планировании борьбы с ЧС. Полученные результаты апробированы на программной системе визуализации промышленных площадок нефтеперерабатывающего предприятия.
Отметим также две практические разработки [13] и [15].
В [13] моделируется распространение аварийно химически опасного вещества (АХОВ) на территории населённого пункта в результате аварии на химически опасном производстве. Расчёты в подобных случаях должны проводиться на основе методики [14], подразумевающей выбор нужных значений из таблиц. Такой подход удобен для использования людьми, но не удобен для автоматизации расчётов на компьютере. По этой причине авторы [13]
модифицировали методику [14]: табличные данные были заменены на функции, полученные в результате кубической аппроксимации этих данных. В результате для проведения расчётов нужно выбрать необходимую функцию и подставить соответствующие параметры. Упрощённая методика реализована в виде web-приложения, использующего Яндекс-карты.
Методика [14] также использовалась в системе моделирования [15], использующей полноценные ГИС-технологии. Важной особенностью предлагаемой системы является то, что размер зоны поражения производится с учётом влияния местности. Однако в контексте работы [15] под влиянием учёта местности подразумевается не рельеф, а обобщённый тип прилегающей территории: городская застройка, сельская застройка или лесные\садовые насаждения. К сожалению, не уточняется, какая именно геоинформационная система использовалась автором.
Анализ отечественных работ показывает, что использование трёхмерной геоинформации при моделировании ЧС является актуальным. Однако, в исследованиях присутствует некоторая «разобщённость» используемых технологий: для анализа пространственной информации используются одни программные средства, для построения изображения - другие, расчётные модели реализуются в виде отдельных программ. В результате трёхмерная модель развития ЧС является результатом работы комплекса программ, что создаёт некоторые неудобства при модификациях модели и обновлениях используемых программных продуктов.
При этом современные ГИС позволяют всё реализовать в рамках единой платформы. Например, открытая ГИС QGIS [16] имеет как средства построения трёхмерных изображений [17], так и возможность создания дополнительных модулей к системе [18].
Иными словами, в настоящий момент уровень развития ГИС-технологий таков, что реализовать модель возникновения и развития ЧС можно средствами единой геоинформационной системы, имея при этом возможность использовать множество функций, заложенных в систему и обращаясь к пространственным данным через API-интерфейс. В данной работе даётся пример создания трёхмерной модели распространения условного опасного вещества (УОВ) средствами QGIS, иллюстрирующий возможности этой ГИС для решения задач борьбы с ЧС.
2. Использование 0С18 для задачи моделирования распространения УОВ
Создание трёхмерной модели будем рассматривать на примере следующей ситуации. В горном районе расположен склад УОВ, представляющего собой жидкость плотностью 900 кг/м3, способную растекаться на ровной твёрдой поверхности слоем толщиной 5 см. Форма пятна разлившейся жидкости в этом случае будет представлять собой круг. Пусть в результате аварии произошла утечка 100000 м3 жидкости.
Исходя из заданных условий, без учёта рельефа местности, зона поражения УОВ представляет собой круг радиусом около 800 м и площадью 2 млн м2 (
Рис. 1).
Рис. 1. Зона поражения, рассчитанная без учёта рельефа местности
Покажем, как может измениться зона поражения, если в расчётах учитывать рельеф.
Для построения трёхмерной модели будем использовать ГИС QGIS. В качестве источника данных о рельефе местности предлагается использовать ASTER GDEM [19] (цифровая модель рельефа, ЦМР). Источником двумерных картографических данных будут данные сервиса OpenStreetMap.ru [20].
Для удобства импорта в QGIS ЦМР была предварительно обработана при помощи демонстрационной версии Global Mapper [21]. Данное программное обеспечение было выбрано из-за легкости получения нужных карт высот и большого функционала для их редактирования. Предварительная обработка заключалась в том, что исходные данные ASTER GDEM были загружены в Global Mapper и затем требуемый участок земного полотна экспортировался в файл в формате GeoTIFF [22], где помимо основного изображения хранятся метаданные о географической привязке. Этот файл совместно с картографическими данными является основой для построения трёхмерной модели местности (
Рис. 2).
Средствами QGIS ЦМР совмещается с картографическими данными и в результате строится наглядное трёхмерное изображение. На основе простой расчётной модели была построена зона поражения УОВ, учитывающая рельеф местности. В этом случае площадь поражённой территории составляет примерно 17,8 тыс.м2. Это обуславливается тем, что вытекающее УОВ в силу особенностей окружающего рельефа будет заполнять близлежащий карьер.
Для большей наглядности на р показаны как зона поражения
Рис. 1, (красная линия), так и зона поражения, построенная с учётом рельефа местности (оранжевая заливка).
Рис. 2. Трёхмерная модель местности
Рис. 3. Зона поражения с учётом и без учета рельефа
Можно констатировать, что учёт рельефа местности в расчётах может существенно повлиять на планирование мероприятий по борьбе с ЧС, поскольку значительно могут изменяться размер и форма зоны поражения. В нашем примере, если мы учитываем рельеф при расчёте площади разлива, то мероприятия по локализации и ликвидации последствий аварии территориально ограничены близлежащим карьером. В противном случае - борьба с ЧС должна вестись на значительно большей площади и включать в себя мероприятия по эвакуации населения посёлка, поскольку он попадает в зону поражения. Ясно, что отклонения могут случиться и в противоположном направлении - когда учёт рельефа приведёт к существенному возрастанию возможного ущерба.
3. Структура и функции модифицированной ИАС ПБЧС
Ранее в [2] были описаны основные блоки информационно-аналитической системы. Обобщённая архитектура системы, снабжённой функцией пространственного моделирования, представлена на Рис. 4.
Предполагается, что для каждого модуля системы будет разработан программный интерфейс. В случае, когда используются готовые программные решения (например, СУБД для работы с базами данных), то по возможности будет использоваться существующий API. Организация взаимодействия между модулями через предоставляемые интерфейсы позволит реализовать работу ИАС ПБЧС в распределённой сети.
ППД - пользовательская планирующая документация БД НМБ - база данных нормативно-методической документации 3D ГИС-модуль - модуль трёхмерного моделирования, использующий ГИС-технологии
Рис. 4. Общая архитектура системы
Работу 3D-модуля ГИС для рассматриваемого в статье примера можно схематично изобразить следующим образом - см. Рис. 5
Рис. 5. Схема работы 3D ГИС-модуля
Заключение
Продемонстрированы возможности применения геоинформационных технологий в задачах расчёта и визуализации региональных техногенно-экологических рисков. В качестве модельного примера рассматривалась аварийная ситуация, в результате которой произошла утечка условного опасного вещества. С использованием штатных средств QGIS и цифровой модели рельефа была построена зона поражения, учитывающая рельеф местности. Расчётную модель можно реализовать как модуль расширения QGIS, тем самым задачу оценки опасности можно решать на платформе выбранной геоинформационной системы.
Таким образом, отличительной особенностью данной статьи является то, что задачу расчёта и визуализации риска предлагается решать в рамках единой программной платформы, в то время как в существующих работах для этих целей использовались наборы автономных программ. Это позволяет осуществить наращивание спроектированной ранее информационно-аналитической системы [1, 2] блоком пространственного моделирования.
Отметим, что в статье подробно рассмотрен лишь один вопрос - расчёт зоны поражения при аварии. Однако трёхмерное моделирование может понадобиться и при оценке других показателей, таких как вероятность (частота) аварии, возможный ущерб от аварии, достаточный состав сил и средств борьбы с ЧС и др. [1]. Эти направления авторы планируют осветить в последующих работах.
Результаты исследования смогут найти применение при реализации основных направлений государственной политики Российской Федерации в Арктике на период до 2035 года на территории Мурманской области в части разработки средств поддержки принятия решений для информационно-аналитического обеспечения региональных ситуационных центров [23].
Литература
1. Шемякин А. С., Яковлев С. Ю., Олейник Ю. А., Маслобоев А. В.
Автоматизация разработки планирующей документации по снижению
промышленно-экологических рисков // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. Т. 20. № 9. С. 74-85. DOI: 10.21285/1814-3520-2016-9-74-85.
2. Yakovlev S., Putilov V., Masloboev A. Information and analytical support for the industrial and ecological safety management of Arctic communications // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. Vol. 302 4th International Scientific conference Arctic: History and Modernity 17-18 April 2019, Saint Petersburg, Russian Federation. DOI: 10.1088/1755-1315/302/1/012032.
3. Шемякин, А. С., Яковлев, С. Ю., Маслобоев, А. В. Компьютерная визуализация в задачах информационной поддержки принятия решений // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Серия: Экономика. Информатика. 46 (3). 2019. С. 540-552. DOI: 10.18413/2411-38082019-46-3-540-552.
4. Шемякин А. С., Яковлев С. Ю., Рыженко А. А., Тихонов Д. Е. Разработка графического компонента трёхмерной модели регионального промышленно-природного комплекса (на примере Хибинского горнорудного района) // Труды Кольского научного центра РАН. Информационные технологии. Вып. 2. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН. 4/2011(7). 2011. С. 156-163.
5. Клименко А. С. Методы и средства повышения реалистичности моделирования и визуализации в системах виртуального окружения // В сборнике «Международная конференция RESILIENCE2014 международного центра по ядерной безопасности института физико-технической информатики». Протвино, 25-28 ноября 2014 г. 2014. C. 110-134.
6. Рекомендации по созданию трехмерных геоизображений (моделей) территорий и объектов жизнеобеспечения, потенциально-опасных, критически важных для национальной безопасности / Нормативно-методические документы по вопросам организации выполнения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. М.: ВНИИ ГОЧС, 2009. 41 с.
7. Баишева А. Р., Сайфутдинова Г. М. Геоинформационное моделирование аварийного разлива нефти при решении задач трехмерной визуализации чрезвычайных ситуаций на территории резервуарного парка // Геоинформационные технологии в проектировании и создании корпоративных информационных систем. Уфа: ГОУ ВПО УГАТУ. 2012 С. 109-115.
8. Постановление Правительства РФ от 21.08.2000 № 613 «О неотложных мерах по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов» (ред. от 15.04.2002).
9. Работа в ArcGlobe и в ArcScene. Режим доступа: http://desktop.arcgis.com/ru/arcmap/10.3/main/get-started/choosing-the-3d-display-environment.htm.
10. ПО для проектирования в 3D. Режим доступа: https://www.sketchup.com/ru
11. Обработка двумерной пространственной информации в составе 3D модели промышленного объекта / Павлов С.В. и др. // Нефтегазовое дело. Т. 13. 2015. № 1. С. 152-158.
12. Христодуло О. И., Павлов С. В., Соколова А. В. Информационная поддержка принятия решений по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций на промышленных объектах на основе технологий трехмерного геоинформационного моделирования // Auditorium. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2019. № 1(21). С. 24-34.
13. Сакова Н. В., Скрынник А. А. Моделирование химической аварии на предприятии г. Рыбинска // Вестник ыбинской государственной авиационной технологической академии им. П.А. Соловьева. 2015. № 2(33). С. 145-149.
14. РД 52.04.253-90. Методика прогнозирования масштабов заражения сильнодействующими ядовитыми веществами при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и транспорте. М.: Госгидромет СССР, 1991. 24 с.
15. Грехова Ю. С. Система моделирования масштабов зон заражения АХОВ при аварии на ХОО с применением ГИС-технологий // «Научное сообщество студентов. Междисциплинарные исследования»: Электронный сборник статей по материалам XLVI студенческой международной научно-практической конференции. Новосибирск: Изд. АНС «СибАК». 2018. № 11(46) / [Электронный ресурс] Режим доступа. URL: http://www.sibac.info/archive/science/11(46) .pdf.
16. QGIS - Свободная географическая информационная система с открытым кодом. Режим доступа: https://qgis.org/ru/site/.
17. Working with QGIS 3D - Part 1. Режим доступа: https://www.lutraconsulting.co.uk/blog/2018/03/01/working-with-qgis-3d-part-1/.
18. Поваренная книга разработчика PyQGIS. Режим доступа: https://docs.qgis.org/3.4/ru/docs/pyqgis_developer_cookbook/index.html.
19. Общее описание ASTER GDEM. - Режим доступа: http://gis-lab.info/qa/aster-gdem.html.
20. О проекте Openstreetmap.ru. Режим доступа: http://openstreetmap.ru/about/org.
21. Global Mapper - All-in-one GIS Software. Режим доступа: https://www.bluemarblegeo.com/products/global-mapper.php.
22. GeoTIFF Format Specification. Режим доступа: http://geotiff.maptools.org/spec/geotiffhome.html.
23. Маслобоев А. В. Информационное измерение региональной безопасности в Арктике / А. В. Маслобоев, В. А. Путилов. Апатиты: КНЦ РАН, 2016. 222 с.
Сведения об авторах
Шестаков Алексей Владимирович
стажёр-исследователь e-mail: shestakov@iimm.ru Alexey V. Shestakov research assistant
Шемякин Алексей Сергеевич
младший научный сотрудник е-mail: shemyakin@iimm. ru Alexey S. Shemyakin
junior researcher
Яковлев Сергей Юрьевич
к.т.н., с.н.с., доцент e-mail: yakovlev@iimm. ru Sergey Yu. Yakovlev
Ph. D., senior researcher, associate professor
