Исследование и разработка компьютерных технологий поддержки принятия решений по снижению последствий воздействия цунами на береговую зону тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.11, кандидат технических наук Андреев, Алексей Константинович

• Андреев, Алексей Константинович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Андреев, Алексей Константинович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. КОМПЬЮТЕРНАЯ СИСТЕМА ПОДДЕРЖКА ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПРИ УГРОЗЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЦУНАМИ НА БЕРЕГОВУЮ ЗОНУ.

1.1. Структура и задачи служб предупреждения о цунами.

1.2. Назначение компьютерных технологий поддержки принятия решений при угрозе воздействия цунами на береговую зону.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. ПРОЦЕДУРА ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПРИ УГРОЗЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЦУНАМИ НА БЕРЕГОВУЮ ЗОНУ.

2.1. Схема компьютерной процедуры поддержки принятия решений.

2.2. Организация пользовательского интерфейса системы.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПРИ УГРОЗЕ ЦУНАМИ.

3.1. Расчет времен добегания волн цунами.

3.2. Расчет высот волн в защищаемых пунктах.

3.3. Предвычисление приливов.

3.4. Выделение и идентификация волн цунами.

3.5. Применение разработанных методов и программных средств в Автоматизированной информационно-управляющей системе Центра предупреждения о цунами.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРТНОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОСЛЕДСТВИЙ ПОВРЕЖДЕНИЯ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ВОЛН ЦУНАМИ.

4.1 Задача прогнозирования состояния системы жизнеобеспечения.

4.2 Описание этапов процедуры прогнозирования состояния системы жизнеобеспечения.

4.2.1 Формирование и оценка набора значимых факторов воздействия чрезвычайной ситуации на инфраструктуры отдельных подсистем жизнеобеспечения.

4.2.2 Оценка состояния инфраструктуры отдельных подсистем жизнеобеспечения в результате воздействия чрезвычайной ситуации.

4.2.3 Оценка нарушений в осуществлении технологических процессов отдельных подсистем жизнеобеспечения.

4.2.4. Оценка качества функционирования всей системы жизнеобеспечения.

4.3 Процедуры определения исходных данных для прогнозирования системы жизнеобеспечения при воздействии цунами.

4.3.1. Формирование схемы инфраструктуры и схемы технологического процесса подсистемы жизнеобеспечения.

4.3.2. Формирование множества возможных факторов воздействия на блоки элементов инфраструктуры.

4.3.3. Формирование таблиц степеней повреждения блоков элементов инфраструктуры и весов воздействий факторов.

4.3.4. Формирование функций влияния элементов инфраструктуры.

4.3.5. Формирование множества значимых факторов воздействия на элементы инфраструктуры.

4.3.6. Выбор технологических параметров операций и режимов функционирования.

4.3.7. Формирование технологических характеристик операций.

4.3.8. Формирование матриц воздействий блоков элементов инфраструктуры на технологические операции.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка компьютерных технологий поддержки принятия решений по снижению последствий воздействия цунами на береговую зону»

Явление цунами заключается в возникновении в океанах и морях длиннопериодных волн вследствие подводных землетрясений, извержений подводных или островных вулканов и оползней больших масс земных пород.

Цунами оказывают разрушительное воздействие на население и хозяйственную инфраструктуру в наиболее развитых и плотно заселенных частях суши, какими во многих странах являются участки морского побережья, характеризующиеся высоким риском техногенных катастроф. Кроме того, развитие индустрии туризма приводит к тому, что прибрежные территории во многих странах превращаются в сплошную курортную зону, которую посещают десятки миллионов людей в год.

Цунами являются редкими событиями, но наносимый ими ущерб усиливается полной внезапностью, быстротечностью, разрушениями и высокой вероятностью фатальных исходов среди людей. Предотвращение или смягчение последствий от этого стихийного бедствия осложняется близостью очагов многих цунами к побережью, при этом время прихода первой волны к берегу составляет не более 20-30 мин.

Для планирования и организации выполнения мер по обеспечению безопасности населения, хозяйственной деятельности и уменьшения возможного ущерба от цунами создаются специализированные службы предупреждения об угрозе цунами (СПЦ). В условиях чрезвычайной ситуации, возникшей при угрозе цунами, СПЦ на основе поступающих оперативных, прогностических и экспертных данных необходимо решить следующие задачи:

• осуществить анализ быстро меняющейся ситуации на основе прогноза и фактических данных;

• оценить степень угрозы возникновения цунами и масштаб вероятного воздействия цунами на защищаемую территорию;

• принять решение об объявлении тревоги цунами,

• принять решения по организации мер, обеспечивающих безопасность населения и уменьшение возможного ущерба от цунами, а также оценить их эффективность;

• принять решения в процессе ликвидации последствий воздействия цунами и осуществить контроль их реализации.

Решение перечисленных задач осуществляется, как правило, в условиях острого недостатка времени, неопределенности и недостаточности информации о складывающейся ситуации генерации и распространения волн цунами. Надежный анализ складывающейся ситуации осуществляется на основе математического моделирования, требующего вычислений значительного объема, и невозможен без применения современных компьютерных технологий.

Определение опасности возникновения цунами в результате подводного землетрясения опирается на магнитудно-географический критерий, который заключается в разбиении акватории Тихого океана на отдельные области и сопоставлении каждой из этих областей порогового значения магнитуды. В случае попадания эпицентра землетрясения в определенную область в акватории Тихого океана и превышении порогового значения магнитуды, должна объявляться тревога об угрозе цунами. Разбиение акватории Тихого океана на области и определение пороговых значений магнитуд осуществляется отдельно для каждого Центра предупреждения о цунами.

Далее определяются (на основе магнитудно-географического критерия) пункты, для которых существует опасность цунами. По результатам расчета времен подхода волн цунами до пунктов побережья формируется график подачи сообщений об угрозе цунами.

При наличии резерва времени, ведется непрерывный анализ поступающей информации с сети измерений уровня моря. Данные измерений уровня моря позволяют определить, как сам факт возникновения волны, так и её основные параметры: оценку времени прихода, амплитуду первой волны и другие.

Наличие инструментальных наблюдений за уровнем моря позволяет подтвердить или отменить тревожное сообщение, переданное в соответствующий пункт, до которого волна цунами должна дойти позже.

При этом отмена угрозы цунами производится по данным сети измерений уровня моря. Состояние угрозы цунами отменяется, если в течение нормативного времени после прихода волны цунами ни в одном пункте измерений не зафиксирован факт прихода волны цунами.

Постоянное дежурство при функционировании СПЦ возложено на дежурного океанолога - специалиста службы цунами, ответственного за обработку поступающей оперативной информации и выдачу предупреждений и сигналов тревоги.

Цель работы. Повышение качества функционирования службы предупреждения о цунами на основе разработки и внедрения компьютерной технологии поддержки принятия решений при ликвидации последствий воздействия цунами на береговую зону.

Основные задачи диссертационной работы:

1. Исследование и разработка методов, алгоритмов и программных средств системы поддержки принятия решений в чрезвычайных ситуациях, связанных с возникновением цунами.

2. Создание на их основе компьютерной системы генерации и согласования решений, связанных с реализацией действий по обеспечению безопасности населения в прибрежных районах и уменьшению возможного ущерба от цунами.

3. Исследование на практике эффективности созданной компьютерной системы, а также эффективности заложенных в ней методов, алгоритмов и программ поддержки принятия решений.

При этом основная научно-техническая задача заключается в модернизации российской системы предупреждения о цунами (СПЦ) в рамках Федеральной целевой программы «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в РФ до 2010 года». Решение данной задачи обеспечивается за счет теоретического обобщения и исследования проблем и прикладных задач поддержки принятия решений в области обеспечения безопасности населения и хозяйственной деятельности в прибрежных районах и уменьшения возможного ущерба от цунами, стоящих перед органами государственной исполнительной власти различного уровня.

Методы исследования. Проведенные теоретические и прикладные исследования базируются на методах системного анализа, теории графов, методах математической статистики, методах оптимизации систем, методах теории выбора и многокритериальной оптимизации.

Научная новизна работы заключается:

1. В исследовании и разработке теоретических и методических основ для построения компьютерных систем поддержки принятия согласованных решений в чрезвычайных ситуациях, связанных с воздействием волн цунами, позволяющих осуществлять функционально-структурное проектирование и тестирование процессов поддержки принятия согласованных решений;

2. В генерации возможных решений по порядку объявления тревоги цунами и её отмены на основе компьютерного моделирования и оперативно поступающей информации;

3. В оценке последствий воздействия волн цунами на население и инфраструктуру защищаемых пунктов;

4. В исследовании и разработке алгоритмов и программ, реализующих процесс поддержки принятия согласованных решений по обеспечению безопасности населения и хозяйственной деятельности в прибрежных районах и уменьшению возможного ущерба от цунами;

Достоверность научных положений, выводов и практических результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждена:

1. результатами практической проверки методов, алгоритмов и программного обеспечения на примере реальных событий цунами,

2. сопоставлением с результатами, полученными с помощью существующих аналитических решений и специально разработанных тестов на основе существующих методик,

3. корректным обоснованием и анализом, а также результатами использования разработанных в диссертации алгоритмических и программных методов и средств.

Внедрение и реализация результатов работы. Разработанные методы, алгоритмы и программные средства поддержки принятия решений вошли в состав математического и программного обеспечения автоматизированной информационно-управляющей системы (АИСПЦ), которая является компьютерной системой поддержки принятия решений в условиях чрезвычайной ситуации, вызванной цунами. На основе полученных результатов работы создана и внедрена автоматизированная информационно-управляющая система в Центрах цунами ГУ «Камчатское УГМС», ГУ «Сахалинское УГМС», ГУ «Приморское УГМС».

Публикации и апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международных и всероссийских конференциях, в том числе:

1. на Международной конференции «24-th International Tsunami Symposium,

July 14-17» г. Новосибирск, 2009;

2. на II Международной конференции «Геоинформатика: технологии, научные проекты», г. Барнаул, 20 - 25 сентября 2010;

3. на X научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций. Оценка рисков возникновения чрезвычайных ситуаций», Московская область, пос. Быково, 5-6 октября 2010.

Основные результаты диссертации опубликованы в 6 научных публикациях в виде научных статей и тезисов докладов, в том числе в издания, рекомендованных ВАК, - 2 статьи.

Условия выполнения работы.

Работа выполнена в Государственном учреждении «Научно-производственное объединение «Тайфун» Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды при Министерстве природных ресурсов и экологии Российской Федерации в рамках Федеральной целевой программы «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в РФ до 2010 года».

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю доктору технических наук Д.А. Камаеву за предоставленные материалы и помощь в работе.

Заключение диссертации по теме «Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей», Андреев, Алексей Константинович

Выводы по главе 4

Разработанная система прогнозирования состояния системы жизнеобеспечения может использоваться для решения следующих задач:

1. прогнозирования состояния системы жизнеобеспечения в условиях чрезвычайной ситуации, вызванной воздействием волн цунами;

2. моделирования возможных состояний системы жизнеобеспечения, которые могут возникнуть в результате реализации гипотетических сценариев воздействия волн цунами.

Использование системы для осуществления экспертного прогнозирования последствий повреждения систем жизнеобеспечения при воздействии волн цунами позволяет осуществить учет различных точек зрения при формировании вариантов прогноза и обеспечивает его выработку практически в реальном масштабе времени.

При выработке решений по разработке мер, направленных на обеспечение безопасности населения и хозяйственной деятельности в прибрежных районах и уменьшение возможного ущерба от цунами, результаты экспертного прогнозирования поведения систем жизнеобеспечения позволяют обнаружить неприемлемые и ошибочные решения, а также вводить в соответствии со складывающейся обстановкой необходимые коррективы в составленные ранее планы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Исследована и разработана компьютерная система поддержки принятия решений по объявлению тревоги цунами, обеспечивающая:

• отображение и контроль поступающих сообщений и оперативных данных;

• проведение расчетов с целью прогнозирования высот и времен прихода волн цунами в защищаемые пункты, отображение и контроль результатов расчетов;

• автоматический выбор схемы оповещения по данным о подводном землетрясении и результатам расчетов;

• автоматическую генерацию последовательности действий дежурного океанолога в соответствии со схемой оповещения и действующим регламентом;

• непрерывный анализ поступающих от автоматизированных постов данных об уровне моря и проведение расчетов с целью обнаружения возникновения волны цунами и оценки её основных параметров: времени прихода, амплитуды первой волны, периода;

• прогнозирование последствий воздействия волны цунами на прибрежную территорию по данным о подводном землетрясении;

• отображение пространственно распределенных данных на картографической основе;

• формирование и автоматическую передачу в каналы связи всех выходных сигналов и сообщений по регламенту работы в соответствии со схемами оповещения;

• автоматическое протоколирование всех этапов обработки событий.

2. Разработан адаптируемый к месту установки автоматизированного поста измерений уровня моря алгоритм и программное обеспечение для непрерывного анализа поступающих данных об уровне моря с целью автоматического обнаружения волны цунами и оценки её характеристик: времени прихода волны, высоты и длины волны.

3. Разработаны алгоритмы и программы прогнозирования повреждения систем жизнеобеспечения при воздействии волн цунами на береговую зону.

4. Исследована на практике эффективность созданной компьютерной системы, а также эффективность заложенных в ней методов и алгоритмов поддержки принятия решений.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Андреев, Алексей Константинович, 2011 год

1. Автоматизированная система моделирования цунами // Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВНЦ АН СССР. 1986. - 4 с.

2. Алексеев A.C., Гусяков В.К., Чубаров Л.Б., Шокин Ю.И. Численное исследование генерации и распространения цунами при реальной топографии дна. Линейная модель // В кн.: Изучение цунами в открытом океане. Москва: Наука.-1978.-С. 5-20.

3. Бокс Дж., Дженкинс Г. Анализ временных рядов. Прогноз и управление. -М.: Мир, 1974, вып. 1,2

4. Бухтеев В.Г., Клещева Г.П., Плинк Н.Л. и др. Некоторые вопросы численного моделирования цунами // В кн.: Распространение и набегание на берег волн цунами. Москва: Наука. - 1981. - С. 132-138.

5. Бухтеев В.Г, Плинк Н.Л. Использование математических моделей в целях прогнозирования изменения параметров цунами при реальном рельефе дна // В кн.: Исследование и освоение Мирового океана. Ленинград: ЛГМИ - ЛПИ. -1980.-Вып. 71.-С. 93-100

6. Бухтеев В.Г, Плинк Н.Л. Численное моделирование реального случая цунами // В кн.: Изучение цунами в открытом океане. Москва: Наука. - 1978. - С. 33-42.

7. Войт С.С. Длинные волны и приливы. Итоги науки и техники // В кн.: Океанология. Москва: ВИНИТИ. - 1973. - Том 2. - С. 46-49.

8. Гасанов А.З, Рыжов И.В, Чеботарев С.С. Экономические последствия чрезвычайных ситуаций и методические подходы к оценке социально -экономического ущерба. Учебное пособие, Академия гражданской защиты, Новогорск- 1999.

9. Гусяков В.К. О связи волны цунами с параметрами очага подводного землетрясения // В кн.: Математические проблемы геофизики. — Новосибирск: ВЦ СО АН СССР. 1974. - Вып. 5. - С. 118-140.

10. Грошев Е.Б., Марчук Ан.Г., Чубаров Л.Б. Распространение волн цунами от источников, расположенных близко к берегу // Исследования цунами. — Москва: 1986. -№ 1.-С. 94-101.

11. Гусяков В.К., Венценосцева Е.Ю., Глускина Т.Е. Развитие и современное состояние систем предупреждения о цунами на Тихом океане (обзор) // Обнинск: 1988.-41 с.

12. Гусяков В.К., Осипова A.B. База данных о землетрясениях и цунами Курило-Камчатского региона // Препринт. — Новосибирск: ВЦ СО АН СССР. -1992.-№976.

13. Гусяков В.К., Чубаров Л.Б. Численное моделирование возбуждения и распространения цунами в прибрежной зоне // Физика Земли. 1987. -N11.-С.53-64.

14. Единая межведомственная методика оценки ущерба от чрезвычайных ситуаций техногенного, природного и террористического характера, а также классификация и учет чрезвычайных ситуаций. -М.: МЧС России, 2001.

15. Ириков В.И., Тренев В.Н. Распределенные системы принятия решений. М. Наука. 1999.

16. Карев В.Ю., Симонов К.В., Чубаров Л.Б., Шокин Ю.И. Вычислительный эксперимент в проблеме цунами: детальное цунамирайонирование Тихоокеанского побережья Камчатки // Исследование цунами. Москва: Наука. -1990.-Вып. 4.-С. 64-84.

17. Карев В.Ю., Судаков А.Н., Чубаров Л.Б. Методы расчета карт изохрон // В кн.: Методы интерпретации экспериментальных данных и численные расчеты. Красноярск: КрасГУ. - 1987. - С. 75-81.

18. Куликов Е.А.: Измерение уровня океана и прогноза цунами, Метеорология и гидрология, 1990, № 6, с. 61-68

19. Никифоров И.В. Последовательное обнаружение изменения свойств временных рядов. М.: Наука, 1983

20. Отчёт по проекту 4.2. ГНТП «Безопасность» «Разработка научно-методических основ организации и технологии ведения аварийно-спасательных PI других неотложных работ при катастрофических затоплениях». М.: ВНИИ ГО ЧС, 1995.-255с.

21. Отчет о НИР «Развитие региональных и специальных компонент ЕСИМО» (проект 8, книга 2). Обнинск, ЦКБ ГМП, 2004

22. Подъяпольский Г.С. Возбуждение длинной гравитационной волны в океане сейсмическим источником в коре // Изв. АН СССР. Физика Земли. -1968. -№ 1.-С. 7-24.

23. Подъяпольский Г.С. О связи волны цунами с порождающим ее погребным источником //В кн.: Проблема цунами. — Москва: Наука. 1968. - С. 51-62.

24. Поплавский A.A., Куликов Е.А., Поплавская JI.H.: Методы и алгоритмы автоматизированного прогноза цунами. М: Наука, 1988

25. Трахтенгерц Э.А. Компьютерная поддержка принятия решений. М: СИНТЕГ, 1998, 376 с.

26. Трахтенгерц Э.А. Методы генерации, оценки и согласования решений в распределенных системах поддержки принятия решений // АиТ, 1995. №4, с.3-52.

27. Трахтенгерц Э.А. Компьютерная поддержка принятия согласованных групповых решений // Информационные технологии. 2002. №3. Приложение к журналу.

28. Шапот М. Интеллектуальный анализ данных в системах поддержки принятия решений // Открытые системы №1, 1998, с. 30-35.

29. Шокин Ю.И., Чубаров Л.Б., Марчук А.Г., Симонов К.В. Вычислительный эксперимент в проблеме цунами // Новосибирск: Наука, СО, 1989. — 168 с.

30. Юдицкий С.А. Сценарный подход к моделированию поведения бизнес-систем. Серия «Управление организационными системами». М.:СИНТЕГ, 2001, 112 с.

31. Schölte J.G. Over het VerbandtussenZeegolvenMicroseismen // Ned. Acad. Wetenshap. gewoneVergader, Afdeel, Natuurk: 1943. - Vol. 52. - P. 669- 676.

32. Tsunami Detection Algorithm, 2004 http://nctr.pmel.noaa.gov/tdadocumentation.html.