Методология исследования, анализа и рационального управления территориально распределенной системой жизнеобеспечения на основе социально-экономических показателей, эколого-информационного мониторинга и многовариантного моделирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Методология исследования, анализа и рационального управления территориально распределенной системой жизнеобеспечения на основе социально-экономических показателей, эколого-информационного мониторинга и многовариантного моделирования

Специальность: 05.13.10 - Управление в социальных и экономических системах

Куприенко Павел Сергеевич

Воронеж - 2010

Работа выполнена в ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»

Научный консультант доктор технических наук, профессор Федянин Виталий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Федорков Евгений Дмитриевич;

доктор технических наук, профессор Леденева Татьяна Михайловна;

доктор технических наук, профессор Сербулов Юрий Стефанович

Ведущая организация ГОУ ВПО «Курский государственный технический университет»

Защита состоится «25» июня 2010 г. в 16⁰⁰ часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.03 ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Родионов О.В.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Неуправляемые антропогенное и техногенное воздействия приводят к существенному загрязнению окружающей среды (ОС), неблагоприятно влияя на здоровье населения. Формирование и поддержание высокого качества сред обитания являются основным принципом природоохранной деятельности в соответствии с законом «Об охране природной среды».

Разработка целенаправленных управленческих решений по оптимизации экологической ситуации, оценка риска здоровью человека на современном этапе требуют внедрения информационных технологий управления, включающих методы оценки и прогнозирования состояния окружающей среды, жизнеобеспечения и здоровья населения на основе мониторинговых подходов.

В связи с этим возникает проблема рационализации принятия управленческих решений в социально-экологической сфере региона по выбору и планированию профилактических и природоохранных мероприятий на основе построения комплексной системы автоматизированного контроля и управления экологической ситуацией, что определяет состояние среды обитания, заболеваемости населения региона и требует новых подходов в управлении системой жизнеобеспечения региона.

Реализация возможностей геоинформационных технологий позволяет проводить анализ пространственно-распределенной информации и отслеживать данные с учетом временного аспекта, а также разрабатывать подсистемы принятия решений, использующие результаты моделирования. Слежение за экологической обстановкой региона дает возможность осуществлять контроль за уровнем жизнеобеспечения в регионе. Методы геоинформационных технологий могут быть использованы для разработки информационно-справочных систем различного назначения, что обеспечивает принципиально новые возможности экологической экспертизы, систематизации и быстрой выдачи пространственно-распределенной информации для мониторинга и задач управления экологическим состоянием различных территорий.

В настоящее время в связи с быстрым развитием и внедрением компьютерной сети Internet и региональных сетей в различные сферы деятельности можно использовать данные виды связи для передачи и представления информации специалистам на расстоянии. Именно при помощи дистанционного обслуживания можно предоставить широкому кругу специалистов МЧС информационно-справочную информацию в различных областях применения.

Помимо экономических и социальным проблем функционирования предприятий возникает задача поддержания, улучшения и постоянного совершенствования системы управления охраной окружающей среды. Экономически эта задача связана с необходимостью затрат на поддержание заданного, допустимого уровня окружающей среды при эксплуатации предприятий, ликвидацию последствий аварий и компенсацию за природопользование. Поэтому необходима сбалансированность между затратами на экологическую безопасность и ущербом от воздействия на окружающую среду при ликвидации аварий за счет компенсации последствий аварий, штрафных санкций, а также выплат за ущерб, наносимый в процессе эксплуатации предприятий.

При определении ущерба от техногенных и экологических факторов в современных условиях возникает необходимость минимизации экономических затрат при ликвидации техногенных воздействий, жизнеобеспечения региона и финансового обеспечения безопасной работы предприятий.

Одним из путей повышения эффективности работы системы ГОЧС является переход к автоматизированному анализу состояния и принятия управленческих решений как для улучшения условий жизнеобеспечения, так и в экстремальных условиях, что требует разработки информационного и программного обеспечения автоматизированной системы ГОЧС.

Таким образом, актуальность диссертационного исследования обусловлена необходимостью многовариантного моделирования ситуаций в регионе с учетом прогнозных оценок на базе ГИС-технологий, разработки методов экономической оценки ущерба от экологических и техногенных воздействий и системы автоматизированного анализа, прогнозирования и принятия управленческих решений.

Работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2010» и в рамках одного из основных научных направлений Воронежского государственного технического университета «Проблемно-ориентированные системы управления».

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка методов анализа и прогнозирования техногенных и экологических ситуаций на основе информационного мониторинга и формирование системы автоматизированного принятия решений в территориально распределенной системе жизнеобеспечения региона.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

осуществить выбор методов анализа состояния и прогнозирования системы жизнеобеспечения территориально распределенного региона;

сформировать информационный мониторинг экологического и техногенного воздействия и разработать прогностические модели развития ситуации в регионе;

разработать процедуру классификации экономического и экологического ущерба от воздействия техногенных источников на основе оценки комфортности проживания;

сформулировать и разработать принципы и алгоритмы организации и информационного обеспечения экологического мониторинга;

разработать методические основы управления безопасной эксплуатацией предприятий с учетом экономической оценки;

разработать структуру и информационное обеспечение автоматизированной системы управления ГОЧС.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе используются методы теории управления, принципы и основные положения теории вероятностей и математической статистики, методы экономической теории и геоинформационных технологий.

Научная новизна результатов исследования. В работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

методика анализа состояния и прогнозирования развития территориально распределенной системы жизнеобеспечения региона, позволяющая оценивать во времени техногенные и экологические ситуации и их влияние на среду проживания населения;

информационный мониторинг показателей жизнеобеспечения и экстремальных условий, позволяющий оценивать состояние и прогнозировать развитие ситуаций пожарной безопасности и техногенных воздействий;

метод классификации экономического и экологического ущерба от воздействия техногенных источников, позволяющий на основе комфортности среды проживания и риска техногенного развития минимизировать финансовые затраты при профилактических мероприятиях по территориальным единицам и по региону в целом, формировать программу экологической безопасности и распределения экономического ресурсного обеспечения;

региональная методика оценки аварийного состояния геоэкологического риска, ущерба и воздействия на окружающую среду от аварий на гидротехнических сооружениях, позволяющая осуществлять меры по снижению чрезвычайных ситуаций, последствий аварий и принятию управленческих решений по управлению геоэкологическими рисками;

информационное обеспечение, алгоритмы и программное обеспечение принятия решений, обеспечивающих целенаправленное рациональное принятие решений в системе жизнеобеспечения региона;

функциональная и логическая схема системы оценки безопасности объектов техносферы и программно-информационное обеспечение СППР, позволяющие рационально формировать комплекс мер по ликвидации последствий аварии и снижению риска для здоровья населения, попавшего в зону заражения;

система автоматизированного прогнозирования и принятия решений в системе управления ГОЧС, обеспечивающая возможность принятия опережающих профилактических мероприятий на территориях риска техногенных воздействий.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Разработанные в диссертации подходы и методы являются основой рациональной организации эколого-информационного мониторинга. Разработанные методы и алгоритмы являются основой создания территориальных систем контроля и управления системой жизнеобеспечения региона для определения эффективной стратегии проведения природоохранных и профилактических мероприятий, оценки состояния условий проживания и окружающей среды по прогнозным показателям жизнеобеспечения и среды проживания населения региона.

Предложенная технология обработки данных позволяет реализовать информационную поддержку принятия управленческих решений в задачах практического управления жизнеобеспечения и представить дополнительную визуальную информацию.

Разработанный модифицированный алгоритм принятия управленческих решений позволяет уменьшить дефицит исходной информации при рассмотрении многокомпонентной ситуации в регионе.

Материалы исследования состояния и прогнозирования развития техногенных воздействий по территориальным административным единицам позволяют формировать целевые комплексные программы в системе ГОЧС и минимизировать экономические затраты при их реализации.

Результаты исследования используются в учебном процессе кафедры «Технология и обеспечение гражданской обороны в чрезвычайных ситуациях» ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» при обучении студентов специальностей 280103 «Защита в чрезвычайных ситуациях» и 280101 «Безопасность жизнедеятельности в техносфере».

Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: научно-практической конференции «Современные проблемы тушения пожаров» (Москва, 1999); I Межвузовской конференции «Проблемы совершенствования учебно-воспитательного процесса в высших военно-учебных заведениях МО РФ» (Воронеж, 1999); Всероссийской конференции «Интеллектуальные информационные системы» (Воронеж, 2002, 2003); Всероссийской конференции «Интеллектуализация управления в социальных и экономических системах» (Воронеж, 2004, 2005); совещаниях и коллегиях МЧС (Москва, 2001-2004); Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы обеспечения безопасности в чрезвычайных ситуациях» (Воронеж, 2006); Международной конференции «Обеспечение экологической безопасности в чрезвычайных ситуациях» (Воронеж, 2006, 2007); научных семинарах кафедры «Технология и обеспечение гражданской обороны в чрезвычайных ситуациях» (Воронеж, 2002-2008); научно-тематическом семинаре ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» «Проблемно-ориентированные системы управления» (Воронеж, 2004, 2005, 2007, 2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 55 научных работ, в том числе 13 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 2 монографии.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателем обоснован выбор методов анализа состояния и прогнозирования системы жизнеобеспечения региона [7, 24, 26]; сформирован банк данных и дана интерпретация результатов информационного мониторинга экономического и экологического воздействия [10, 20, 29]; разработана классификация экономического и экологического ущерба от воздействия техногенных источников на основе оценки комфортности среды проживания и риска техногенного воздействия [3, 4, 15, 16, 21, 22, 23, 30, 31, 35, 36, 54, 55]; разработаны основы управления безопасной эксплуатацией предприятием с учетом экономической оценки [17, 27, 29, 37]; разработана и реализована структура автоматизированной системы ГОЧС [5, 18, 19]; сформулирована методология и принципы организации и управления рациональным жизнеобеспечением в территориально распределенной системе региона, предложены методы оценки безопасности и риска и ущерба от техногенных геоэкологических воздействий при чрезвычайных ситуациях по экономическим и социальным показателям [1, 8, 9, 10, 11, 12, 32, 34, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложения, списка литературы из 153 наименований. Основная часть работы изложена на 281 странице и содержит 80 рисунков и 37 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность проблемы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены основные научные положения, определена практическая значимость, приведены сведения об апробации и внедрении работы.

В первой главе рассмотрены методы анализа состояния техногенных и экологических ситуаций в регионе и управления системой жизнеобеспечения региона.

Для принятия управленческих решений с учетом экологической ситуации в территориально распределенной системе региона требуется формирование экологического мониторинга на основе ГИС-технологий.

При формировании экологического мониторинга необходимо получать информацию не только о вредном воздействии среды, но и о воздействии ее на человеческий организм, то есть располагать биологической информацией. Объединение баз данных обоих типов в интегрированном виде позволяет принимать решения, близкие к оптимальным, и существенно повысить эффективность управления природоохранной деятельностью. С этой целью в общий экологический мониторинг составной частью должен входить медицинский мониторинг. Эколого-медицинский мониторинг и определяет оценку среды обитания. Поэтому на первом этапе исследования рассматриваются принципы организации и алгоритмизации процедур принятия решений в системе экологического мониторинга (СЭМ).

Исходя из макрозадачи системы экологического мониторинга управление заключается в минимизации суммарного ущерба D в течение времени T от источников воздействия на окружающую среду (СЭМ). Для формирования описания критерия D введем функцию мгновенного ущерба (в единицу времени) i-го источника:

(1)

(2)

- ущерб в единицу времени в стоимостном выражении; p_ij^d - норматив платы за ущерб; U(t) - единичная ступенчатая функция:

(3)

Тогда критерий D определяется следующим образом:

(4)

а цель системы экомониторинга

(5)

Для достижения этой цели СЭМ использует управляющее воздействие (управление)

. (6)

Определение рациональных стратегий управления в данной СЭМ (так же, как и интерпретацию понятия рациональной стратегии) осуществляют несколькими способами: 1) применение методов имитационного моделирования, что связано с необходимостью постановки и проведения имитационных экспериментов на ЭВМ; 2) задачу после ряда упрощений, основанных на некоторых предположениях (как правило, выполняемых на практике или оправданных с практической точки зрения), можно свести к задаче определения рациональных стратегий в статической иерархической игре двух лиц. жизнеобеспечение техногенный экологический

Управленческие решения подкрепляются материальными ресурсами, распределение которых должно осуществляться в условиях ограничений рациональным образом с учетом данных трансформации визуализации информации с применением ГИС-технологий.

Процесс ресурсного обеспечения рассматривается как система массового обслуживания с устойчивыми состояниями на некоторых интервалах (Дt) календарного периода t, функционирование которых определяется следующими характеристиками: x_ir - интенсивность обращений за i-м видом ресурсов на r-й территориальной единице за интервал времени Дt; м_irs(t )- интенсивность поступления i-го вида ресурса на территориальной единице по s-му () каналу обеспечения за интервал времени Дt.

Указанные данные, сформированные на основе мониторинга ресурсного обеспечения с использованием геоинформационной системы, позволяют определить вероятность надежного обеспечения i-м видом ресурсов в зависимости от временного интервала и сформировать оптимизационную модель:

; (7)

(8)

(9)

где с_i - средние затраты на реализацию i-го вида ресурсов в определенный период времени; С - консолидированные средства для системы ресурсного обеспечения.

Необходимой организационно-методической основой управления экологической безопасностью производств является разработка подсистем обработки данных экологического мониторинга.

Функциональная структура системы статистической обработки данных реализуется через этапы сбора информации (путем измерения и контроля) и решения задач регулирования и эффективного управления формирующими процессами.

На основе тематических карт (картографирования), динамики показателей и прогнозирования их развития формируется целевая комплексная программа для принятия управленческих решений для коррекции неблагоприятного состояния системы жизнеобеспечения населения в предыдущие периоды времени на основе ретроспективной информации по территориальным единицам региона.

Во второй главе анализируется ситуация в территориально распределенной системе региона по техногенным, природным и биолого-социальным чрезвычайным ситуациям. Проведен статистический анализ чрезвычайных ситуаций по районам Воронежской области, получена классификация административно-территориальных единиц региона на базе геоинформационных технологий. Проведена оценка динамики возникновения чрезвычайных ситуаций в регионе, а также проведено краткосрочное прогнозирование их возникновения на ближайший период. На основе кластерного и дискриминантного анализа проведена классификация районов на классы в зависимости от риска возникновения различных чрезвычайных ситуаций.

В комплексе мероприятий защиты населения и объектов народного хозяйства от последствий чрезвычайных ситуаций важное место занимают выявление и оценка радиационной, химической, инженерной и пожарной обстановки, каждая из которых является важнейшей составной частью общей оценки обстановки, складывающейся в условиях чрезвычайных ситуаций.

На первом этапе был проведен анализ различных чрезвычайных ситуаций по Воронежской области (ВО), информация о чрезвычайных ситуациях рассматривалась по административным территориям за период с 2000 по 2007 гг. Распределение общего количества чрезвычайных ситуаций (ЧС) по основным видам представлено на рис. 1, из которого видно, что наибольшее количество чрезвычайных ситуаций по Воронежской области приходится на техногенные ЧС (80,9 %), далее преобладают природные ЧС (13,9 %), а на долю биолого-социальных ЧС приходится всего 5,2 %.

Рис. 1. Соотношение техногенных, природных и биолого-социальных ЧС по Воронежской области за 2000-2007 гг.

Анализ соотношения различных видов чрезвычайных ситуаций по Воронежской области (рис. 2) показал, что наиболее распространенными ЧС являются пожары и взрывы, далее следуют транспортные аварии, аварии на коммунальных системах, опасные метеорологические явления и также инфекционные болезни.

При анализе состояния чрезвычайных ситуаций по региону в целом, наряду со статистическими методами исследования, целесообразным является применение медико-географических методов. Это обусловлено тем, что одни статистические выводы, без учета картографического анализа, не всегда раскрывают роль факторов внешней среды в распространении чрезвычайных ситуаций, особенно применительно к конкретным территориям.

Взаимодействие статистического моделирования с картографическим анализом предлагается решать с использованием геоинформационных систем. ГИС являются современными средствами интеграции статистического анализа и математического моделирования со средствами управления базами данных для исследования пространственно-организационных данных.

Геоинформационное моделирование проводилось с использованием пакета ArcView 3.0. Применение ГИС-вьювера ArcView 3.0 позволило более наглядно представить ситуацию по чрезвычайным ситуациям по районам Воронежской области. На рис. 2 представлена картограмма, отражающая классификацию районов Воронежской области по количеству техногенных, природных и биолого-социальных чрезвычайных ситуаций за 2000-2007 гг.

Рис. 2. Классификация районов Воронежской области по количеству техногенных, природных, биолого-социальных чрезвычайных ситуаций (2000-2007 гг.)

Общий результат классификации районов на базе ГИС-технологий по основным видам ЧС приведен на рис. 3.

Рис. 3. Ранги районов Воронежской области по распространенности различных видов ЧС (I - группа районов с низким уровнем ЧС; II - группа районов со средним уровнем ЧС; III - группа районов с высоким уровнем ЧС)

На следующем этапе был проведен геоинформационный анализ по территориальным единицам Воронежской области и городу Воронежу по количеству пожаров за последние восемь лет, т.к. данный фактор является наиболее опасным в структуре возникновения ЧС.

Полученные результаты по исследованию чрезвычайных ситуаций в регионе на основе визуализации и трансформации информации показали перспективность и актуальность исследования и необходимость дальнейшего анализа информации - оценки динамики возникновения чрезвычайных ситуаций в Воронежской области.

Данные по количеству техногенных, природных и биолого-социальных чрезвычайных ситуаций по Воронежской области по годам за период с 2000 по 2007 гг. представлены в табл. 1.

Таблица 1 Количество случаев техногенных, природных и биолого-социальных ЧС

Вид ЧС	2000 г.	2001 г.	2002 г.	2003 г.	2004 г.	2005 г.	2006 г.	2007 г.
Техногенные ЧС	34	35	44	50	53	33	34	24
Природные ЧС	5	6	13	8	5	8	10	16
Биолого-социальные ЧС	3	3	7	0	1	1	4	2
Всего	42	44	65	58	59	42	48	42

Динамика количества техногенных природных и биолого-социальных чрезвычайных ситуаций по Воронежской области представлена на рис. 4, из которой можно сделать вывод об устойчивом уменьшении техногенных и биолого-социальных ЧС.

Рис. 4. Динамика различных видов ЧС по Воронежской области

Полученные цепные коэффициенты роста общего количества ЧС по Воронежской области T_цt=(Y_t -Y_t-1)/Y_t-1*100 на протяжении восьми последних лет в целом носят смешанный характер: T₂₀₀₁=+ 4,72 %, T₂₀₀₂= + 47,73 %, T₂₀₀₃= - 10,77 %; T₂₀₀₄ = +1,72 %; T₂₀₀₅= -28,81 %; T₂₀₀₆= +14,29 %; T₂₀₀₇= -12,5 %. То же самое характерно и для возникновения техногенных ЧС по Воронежской области - T₂₀₀₁=+2,94 %, T₂₀₀₂= +25,71 %, T₂₀₀₃= +13,64 %, T₂₀₀₄ = +6,0 %, T₂₀₀₅= -37,74 %; T₂₀₀₆= +3,03 %; T₂₀₀₇= -29,41 %,. Базисный прирост Т_б=(Y_t-Y₀)/Y₀*100 общего количества ЧС за последние восемь лет по области составил T_б= +0 %; по техногенным ЧС - T_б= -29,41 %, биолого-социальным ЧС - T_б= +33,3 %, что свидетельствует о снижении данных видов ЧС.

Из полученной информации по анализу динамики количества погибших и травмированных людей во время пожаров, можно сделать вывод об уменьшении количества погибающих людей во время пожаров так, например, количество погибающих людей по области за восемь лет сократилось на 5,53 %, а по городу Воронежу - на 27,03 %, то же самое характерно и для количества травмированных людей, по области их количество уменьшилось на 11,91 %, по городу Воронежу - на 13,79 %, по районам - на 10,84 %.

Для построения прогноза развития чрезвычайных ситуаций, в частности пожаров, использовалась экстраполяция временного ряда. В качестве основной модели ряда рассматривается его представление в виде полинома невысокой степени, коэффициенты которого медленно меняются со временем:

, (10)

где--a - параметр сглаживания.

Для исследования чрезвычайных ситуаций было проведено краткосрочное прогнозирование возникновения различных ЧС на 2008 и 2009 гг. Прогнозирование осуществлялось при помощи пакета Statistica 5.0. На рис. 5 представлен результат краткосрочного прогнозирования общего количества чрезвычайных ситуаций по Воронежской области, из которого видно, что в целом по области прогнозируется уменьшение количества ЧС.

Рис. 5. Краткосрочный прогноз общего количества чрезвычайных ситуаций по Воронежской области

Для классификации административно-территориальных единиц Воронежской области по различным видам чрезвычайных ситуаций использовался кластерный анализ. В качестве меры близости использовалось расстояние Евклида. Обработка проводилась при помощи пакета Statistica 5.0.

В третьей главе дается анализ техногенных источников и рассматриваются методы оценки безопасности объектов техносферы, оценка последствий и анализ риска возникновения чрезвычайных ситуаций, прогнозирование и моделирование аварийных ситуаций на химически опасных объектах, экологические характеристики пожаров и радиационного загрязнения.

К основным видам техногенных опасностей относятся химическая, радиационная и бактериологическая опасность. Химическая опасность проявляется в аварийном и систематическом токсическом поражении людей и загрязнении окружающей среды, в пожарах и взрывах.

Большие проблемы возникают по мониторингу случайных источников выбросов, к которым относятся продукты горения пожаров. Продукты горения пожаров отрицательно влияют на окружающую среду, то есть на территориально обособленный объем биосферы - биогеоценоз, выводя его из положения устойчивости и разрушая взаимосвязи биосферы.

При пожарах выделяются основные вредные загрязняющие окружающую среду вещества (диоксиды азота, серы, оксида углерода и суммация диоксидов азота и серы). Аналогичные загрязняющие вещества присутствуют при пожарах в закрытых помещениях. Эти объекты при пожаротушении представляют собой объекты с распределенными параметрами, а распределенные параметры образуют физические поля, которые находятся в сложной взаимосвязи. Исследование физических полей при пожарах можно проводить на физических и математических моделях.

Разработка целенаправленных управленческих решений по оптимизации экологической ситуации при техногенных воздействиях, оценка риска здоровью человека на современном этапе требуют внедрения информационных технологий управления, включающих методы оценки и прогнозирования состояния окружающей среды, жизнеобеспечения и здоровья населения на основе мониторинговых подходов.

Рассматриваются анализ причин высокого уровня аварийности и определение ущерба, наносимого окружающей природной среде в результате негативного воздействия чрезвычайных ситуаций техногенного характера.

Основными причинами высокого уровня аварийности, выявленного Госгортехнадзором России, по-прежнему являются неудовлетворительное техническое состояние оборудования (47 %), неудовлетворительные организация и проведение опасных видов работ (13 %), нарушение технологической дисциплины (21 %), нарушение при пуске установок после ремонта и длительного простоя (5 %), неработоспособность средств автоматики и природного обеспечения, нарушения производственной дисциплины (7 %).

Полный ущерб складывается из прямого и косвенного, но надо учитывать экономическую, социальную и экологическую составляющие прямого и косвенного ущерба.

В общую сумму убытков обычно входят затраты на произведение работ по оценке вредного воздействия на окружающую природную среду, исчислению убытков и оформлению соответствующих документов и, естественно, убытки потерпевшей стороны, связанные с ликвидацией последствий экологического правонарушения. Убытки, связанные с ликвидацией последствий аварии, понесенные лицом, совершившим правонарушение, при определении общей суммы убытков не учитываются.

Существует две трактовки понятия риска как количественной меры опасности: риск - вероятность появления неблагоприятного события (априорная трактовка); риск - максимальный ущерб, нанесенный событием (количественная оценка).

Кроме того, риск определяется как вероятностная мера возникновения техногенных или природных явлений, сопровождающихся формированием и действием вредных факторов, а также нанесенного при этом социального, экологического, экономического и других видов ущербов:

R = R₁ R₂ R₃, (11)

где R - уровень риска, то есть вероятность нанесения определенного ущерба человеку и окружающей среде; R₁ - вероятность возникновения события или явления, обусловливающего формирование и действие вредных факторов; R₂ - вероятность формирования определенных уровней физических полей, нагрузок, полей концентрации вредных веществ в различных средах и их дозовых нагрузок, воздействующих на людей и другие объекты биосферы; R₃ - вероятность того, что указанные уровни полей и нагрузок приведут к определенному ущербу.

Для решения задач управления риском необходимо создание комплекса программных средств (КПС), ориентированного на решение задач информационной поддержки процессов управления рисками при эксплуатации опасных производств.

Базой для проведения анализа риска возникновения чрезвычайных ситуаций является автоматизированный банк данных, содержащий сведения об объектах и оборудовании опасного производства. На основании анализа схем функциональной целостности, разработанных на основании описания технологического процесса (схемы надежности) и систем противоаварийной защиты (схемы безопасности), проводится расчет вероятности выполнения/невыполнения заданного сценария с учетом выбранных критериев оценки, а также расчет значимости или ролевые функции различных узлов (отдельного оборудования, установок и т.п.) при реализации заданного сценария. По заданному сценарию аварии рассчитываются возможные масштабы аварии, оценка потерь и разрушений химически опасного объекта с учетом заданных критериев оценки. Затем выполняется анализ результатов, полученных при моделировании, проводится расчет интегральных показателей надежности, безопасности и риска с учетом заданных сценариев и критериев оценки.

Обобщенные оценки передаются в систему информационной поддержки по управлению риском.

В основе комплекса программных средств лежат концепции единого информационного пространства и открытых систем. Концепция единого информационного пространства предполагает использование общих для всех блоков структур данных, способов представления и интерпретации моделей и критериев. Концепция открытых систем предполагает возможность наращивания КПС для решения конкретных задач пользователя за счет использования настраиваемых протоколов обмена информацией и сетевых технологий.

Риск аварии R определяется как математическое ожидание вероятности возникновения потенциально опасных факторов и возможного ущерба от аварии:

,(12)

где P_ОФ - вероятность проявления потенциально опасных факторов, следствием которых может быть авария; C - ожидаемый ущерб от действия рассматриваемых опасных факторов в случае возникновения аварии.

Вероятность P_ОФ является функцией от надежности различных групп оборудования, эффективности функционирования персонала, условий, способствующих развитию аварий.

Ожидаемый ущерб C определяется с использованием моделей оценки последствий аварий. На основании сведений о месте аварии, действующих опасных факторах, объеме и составе участвующих в аварии опасных веществ рассчитываются зоны и с использованием ГИС-технологий определяются объекты, попавшие в зоны поражения. В зависимости от выбранного для оценки риска критерия (социальный риск, территориальный риск и т.д.) определяется ожидаемый ущерб C либо в форме материального ущерба от аварии (прямого и косвенного), либо как число возможных жертв аварии.

На последнем этапе процедуры анализа риска производится выработка рекомендаций по управлению риском.

Функция управления заключается в организации инженерно-технических мероприятий, направленных на исключение факторов, способствующих развитию аварии и предотвращению каскадного развития аварии. На рис. 6 приведен типовой сценарий развития аварии.

Рис. 6. Типовой сценарий развития аварии

Информационная структура включает в себя три уровня. Первый (верхний) уровень служит для настройки на конкретную задачу или специалиста. На втором, среднем, осуществляется выбор объекта управления - совокупности опасных процессов. На третьем уровне проводится обработка документов и данных, а также реализуются этапы управления (мониторинг, оценка, прогноз, рекомендации). На этом уровне осуществляется работа с базами данных и математическими моделями.

Основные задачи системы: повышение обоснованности и оперативности принимаемых решений; обеспечение комплексного и непрерывного управления; сопряжение различных уровней иерархии управления; распределение функций и координация работ по управлению безопасностью, представление лицам, принимающим решения, всей необходимой информации в максимально удобной форме.

Основные функции системы: сбор и предварительная обработка информации; регистрация информации, ведение баз данных; наглядное отображение информации в графическом, а при необходимости в картографическом виде; анализ и оценка динамики обстановки; оперативный и долгосрочный прогноз с использованием математических моделей; выработка рекомендаций.

Аварии развиваются, как правило, по сложному сценарию, включающему разные типы событий чрезвычайных ситуаций, наиболее часто наблюдаются пожары, взрывы, выбросы опасных веществ.

На рис. 7 представлена схема развития аварии при освобождении взрывоопасных и токсических газов.

Рис. 7. Схема развития при освобождении газовоздушной смеси

Разработана методика для распределения концентрации внутри облака «ТОКСИ-3», верифицированная по ряду экспериментальных данных. Проведено сравнение с другими методиками и моделями, показавшее, что эта методика более точно описывает процесс рассеяния газа.

На рис. 8 представлена структурная схема математического моделирования аварийных ситуаций. Первый этап (блок 1) состоит в математическом моделировании преинцидентных сочетаний аварийных событий. На данном этапе на моделях исследуются опасные инициирующие события. С помощью моделей можно проимитировать различные комбинации аварийных событий, то есть провести компьютерное моделирование. При выполнении подобного моделирования могут быть использованы подходы и методы, применяемые при разработке аппаратурно-технологического оформления химико-технологических процессов.

Рис. 8. Структурная схема математического моделирования аварийных событий

Четвертая глава посвящена методам оценки риска возникновения чрезвычайных ситуаций на гидротехнических сооружениях (ГТС). Рассматриваются факторы, влияющие на возникновение чрезвычайных ситуаций (ЧС) на ГТС, прогнозирование геоэкологических последствий и анализ риска ЧС на ГТС, приводятся результаты зонирования административных районов по геоэкологическому риску возникновения чрезвычайных ситуаций.

Для оценки возможности возникновения аварий на гидротехнических сооружениях (ГТС) необходимо выявить те причины, которые приводят к их появлениям, поэтому целью исследования является анализ факторов, приводящих к авариям на гидротехнических сооружениях гидроузлов IV класса ответственности (малые или сельские ГТС) Воронежской области.

Все факторы, влияющие на возникновение аварий на гидроузлах, разделяют на внешние, влияние которых не предусмотрено заранее конструкциями данного сооружения, и факторы, связанные с техническими нарушениями самого гидроузла. Кроме того, следует выделить и человеческий фактор, от которого во многом зависит устойчивая эксплуатация технического сооружения.

Для решения задачи прогнозирования чрезвычайных ситуаций на малых реках, связанных с половодьем, предлагается воспользоваться существующей связью обеспеченности наводнения с площадью водосбора реки. Данные зависимости для характерных лет выявлены и представлены на рис. 9.

Рис. 9. Графики связи вероятности превышения (Р %) наблюдаемых расходов воды от размеров водосборов рек (F) в характерные годы

Из представленных графиков представляется возможность получить усреднённую вероятность превышения (Р %) расхода воды от размера водосбора реки (F), данная зависимость представлена на рис. 10.

Рис. 10. Усредненная вероятность превышения (P %) расхода воды от размера водосбора реки (F)

В настоящее время большое развитие получили геоинформационные системы, в которых имеются обширные сведения о различных характеристиках местности и объектах, расположенных в исследуемых районах. ГИС - это совокупность программного и аппаратного обеспечения, которая делает возможным разработку, моделирование и вывод многослойной пространственной информации.

В МЧС России для расчета параметров волны прорыва и зоны затопления используется, в частности, программа «VOLNA 2» версия 2.0.

Программа предназначена для прогнозирования масштабов затопления местности и характеристик волны прорыва при разрушении гидроузлов, позволяет оценить последствия разрушения гидроузлов при использовании в работах по исследованию аварий и катастроф данного типа.

Определяются параметры затопления местности - максимальные: глубина затопления, ширина затопления и скорость течения, время прихода фронта, гребня и хвоста волны прорыва. Кроме того, в ответе приводятся данные о максимальном расходе воды в створе, высоте волны (превышение уровня воды над уровнем бытового потока) и максимальная отметка затопления.

Показано, что последствия аварии гидротехнического сооружения не ограничиваются каким-либо одним их видом. Первоначальная причина - образование прорыва в теле плотины -- влечет за собой последовательность событий, развивающихся по цепочке согласно «принципу домино».

Экологический вред, также как и материальный, имеет социальную основу своего возникновения, т.е. его оценка делается в конечном счете именно с точки зрения вреда для человека.

Таким образом, геоэкологические последствия при разрушении гидротехнических сооружений, особенно водохранилищ и разного рода отстойников, могут создать крайне напряженную обстановку в зонах затопления и прохождения волны прорыва. При этом в настоящее время становится чрезвычайно актуальным прогнозирование последствий аварий на гидротехнических сооружениях для верхнего и нижнего бьефов, основанного на расчете параметров зон затоплений и параметров волны прорыва по траектории прохождения напорного фронта, нанесение таких зон на карту местности с целью учета их при проведении территориальной градостроительной политики.

С целью наглядного представления о пространственном распределении административных районов по степени риска чрезвычайных ситуаций, обусловленных угрозой аварий на ГТС, на рис. 11 представлена карта - схема региона, на котором проведено зонирование.

Рис. 11. Зонирование административных районов Воронежской области по степени техногенного риска, обусловленного авариями ГТС

Согласно проведенному исследованию по оценке риска (рис. 11), в зоне приемлемого риска находится вся западная и центральная территория Воронежской области. К зоне жесткого контроля можно отнести северо-восточные районы: Грибановский, Таловский, Бутурлиновский, Калачеевский, Панинский и Кантемировский.

В соответствии с критериями (табл. 2) для каждого административного района рассчитаны риски техноприродных чрезвычайных ситуаций, обусловленных авариями ГТС.

Наиболее целесообразным методом для зонирования гидротехнических сооружений региона является метод оценки индивидуального (потенциального) риска аварий ГТС.

При использовании данного метода результаты анализа индивидуального (потенциального) риска аварии ГТС региона отображаются на карте (ситуационном плане) территории возможных техногенных чрезвычайных ситуации, связанных с авариями на напорных гидросооружениях, и прилегающих районов в виде линий равных значений. Такая карта позволяет судить о степени риска поражения людей в каждой точке территории.

Таблица 2 Матрица для определения опасности территорий (зон) по критерию «частота реализации - масштаб чрезвычайной ситуации»

Частота аварии ГТС, 1/год	Масштаб чрезвычайной ситуации
	Федеральные	Региональные	Территориальные	Местные	Локальные
>1	Зона неприемлемого риска,	Зона
1 - 10-1	необходимы неотложные меры	жесткого	контроля,
10-1 - 10-2	по уменьшению риска	необходима	оценка
10-2 - 10-3		целесообразности	мер по		Зона
10-3 - 10-4	уменьшению	риска		приемлемого	риска,
10-4 - 10-5		нет	необходимости	в
10-5 - 10-6	мероприятиях по	уменьшению	риска

Построение линий равного значения индивидуального потенциального риска осуществляется по формуле

,(13)

где P_Q(x,y) - вероятность воздействия на человека в точке с координатами (х,у) Q-поражающего фактора с интенсивностью соответствующей гибели (поражения) человека (здорового мужчины 40 лет) при условии реализации А_m-го события (аварии на гидротехническом сооружении); F(A_m) - частота возникновения А_m-го события в год; М - множество параметров, которое соответствует рассматриваемым событиям (авариям, опасным природным явлениям, катастрофам, стихийным или иным бедствиям); L - перечень поражающих факторов, возникающих при рассматриваемых событиях.

Зонирование по критериальным уровням позволяет выявить наиболее опасные участки территорий и проводить мероприятия по снижению степени риска дифференцированно, сообразуясь со степенью опасности в каждом административном районе.

Таким образом, для оценки результатов анализа риска аварии гидротехнического сооружения (ГТС) используются качественные методы, основанные на установлении категории вероятности (реализуемости) и последствий, а затем производится присвоение каждой категории сооружения определенного рейтинга. Сочетая количественную и качественную модели анализа риска, строится матрица качественно-количественных характеристик риска.

В пятой главе рассмотрены методика и информационное обеспечение анализа антропогенного состояния и оценки ущерба в экологической системе региона. Сформирована оптимизационная модель управления мероприятиями жизнеобеспечения по минимизации функции ущерба, предложена модель системы управления профилактическими мероприятиями в виде статистической двухуровневой иерархической системы. На основании медико-экологического моделирования получены балльные оценки комфортности проживания населения по территориальным единицам региона.

В рыночных условиях возникает проблема комплексного подхода к оценке экономического ущерба и воспроизводства среды обитания и безопасной эксплуатации производства. В этих условиях требуется создание системы мониторинга состояния окружающей природной среды (системы экологического мониторинга).

Условно различают ущерб экологический, экономический, эстетический и социальный. Для каждого вида ущерба рассматриваются их оценки в зависимости от определяющих факторов, а для окончательного выбора стратегии регулирования качества окружающей среды привлекаются экономические оценки.

Экологический ущерб можно характеризовать степенью отклонения от оптимального состояния экологической системы, сообщества, популяции под влиянием данного воздействия и определять степень воздействия для n-й экосистемы (сообщества) в определенном регионе по следующей формуле:

(14)

где А_n - степень воздействия для n-экосистемы; I_il(R_i, t) - концентрация загрязняющего вещества (или интенсивность воздействия какого-либо фактора в пространстве и во времени); щ(t) и мl(t) - коэффициенты соответствующих превращений или переходов; С_ilm - геометрический фактор, учитывающий воздействие на данный организм (элемент биосферы), фактически распределенный во времени и пространстве I_il (R_i , t); е_ilm- эффект биологически вредного воздействия; N_т - количество организмов n-популяции n-экосистемы, подвергшихся воздействию; К_т - чувствительность m-популяции в экосистеме к данному воздействию; г_i,i+k- - коэффициент, характеризующий эффект одновременного воздействия i-го, (i+k)-го (или любого другого) ингредиентов; о_m,m+k - коэффициент, учитывающий эффект одновременного воздействия на m-ю, (т+k)-ю (или любую другую) популяцию данной экосистемы.

Для многих случаев п г_i,i+k , о_m,m+k=1, то есть пренебрегают дополнительным усилением или ослаблением суммарного воздействия при одновременном действии нескольких ингредиентов (отсутствие синергизма и антагонизма) или при одновременном действии какого-либо ингредиента на несколько популяций в экосистеме.

При этих условиях степень воздействия для популяций, для которых К?1, будет определяться уже по упрощенной формуле

(15)

Для оценки экономического ущерба в (14), (15) все величины в подынтегральном выражении берутся в абсолютных значениях и вводится коэффициент L_im, характеризующий экономический ущерб на единицу экологического ущерба для каждой популяции от i-го ингредиента.

Наиболее сложной является оценка эстетического ущерба. Количественная связь эстетического ущерба может быть установлена в том случае, когда можно определить ущерб, вызванный ухудшением эстетической ценности природной среды (так называемый рекреационный ущерб), либо в случае ухудшения здоровья людей.

Регулирование качества окружающей природной среды включает в себя организацию мониторинга, осуществление всестороннего анализа состояния природной среды, экономическую оценку возможного ущерба от антропогенных воздействий в сравнении со стоимостью природоохранных мероприятий.

Следовательно, окончательный выбор стратегии регулирования качества окружающей среды подразумевает привлечение экономических оценок.

Регулирование качества окружающей среды направлено на ограничение антропогенных воздействий (в первую очередь загрязнений), ведущих к негативным последствиям.

При разработке критериев ограничения загрязнений, поступающих в окружающую среду, исходят из того, что концентрации в окружающей среде у_i должны удовлетворять следующим требованиям:

, (16)

где у_i0 - величина ПДК i-го ингредиента в среде; q_i0 - количество вещества в данной части биосферы, соответствующие ПДЭН. Интегрирование концентраций у_i(R,t) проводится по времени и пространству, ограничивающему данный элемент биосферы.

Исходя из изложенного для каждого вида природной среды и вида загрязнений разрабатывается персональная схема управления экологической обстановкой, на основании которой составляется единая система управления экологической обстановкой.

Выбор метода-обезвреживания отходов зависит, прежде всего, от местных условий, а целесообразность применения того или иного способа определяется социальными и технико-экономическими показателями при обязательном учете санитарно-эпидемиологической обстановки, климатических условий и экологического мониторинга территории.

При выборе оптимального метода обезвреживания и переработки отходов необходимо сравнивать следующие показатели: социально-санитарно-гигиенические, престижность труда, использование вторичных ресурсов; технико-экономические - удельные капитальные затраты (т.е. затраты на строительство сооружений в расчете на 1 т их годовой мощности по приему отходов на переработку и обезвреживание); удельные эксплуатационные затраты (т.е. затраты на эксплуатацию с учетом амортизационных отчислений в расчете на 1 т годовой мощности сооружений при приеме отходов на переработку и обезвреживание); удельные трудовые затраты, удельные энергетические затраты; удельная занимаемая площадь; приведенные затраты S_Г, которые определяют по формуле

(17)

где С₁ - удельная себестоимость обезвреживания и переработки 1 т принимаемых отходов, р./т; Е_Н - нормативный коэффициент эффективности, принимаемый 0,12; К₁ - удельные капитальные затраты на 1 т годовой мощности по приему отходов, р./т; Q_Г - годовой объем перерабатываемых отходов, а также транспортные затраты; градостроительная и сельскохозяйственная стоимость земельного участка.

...