Методи і моделі підсистеми прогнозування виникнення лавинонебезпечних ситуацій

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Населення й територія України із численними господарчими об'єктами піддаються негативним впливам більш ніж 30 небезпечних природних і техногенних процесів. Сніжні лавини, як і землетруси, підтоплення, карсти, селі й т.ін. відносять до небезпечних природних явищ геологічного характеру. Відповідно до даних, представлених Міністерством України з надзвичайних ситуацій, Міністерством охорони навколишнього природного середовища та Національною академією наук України у «Національній доповіді про стан техногенної та природної безпеки в Україні у 2004 році», на території країни зафіксовано 20,7 тис. зсувів, що складає 63% від усіх надзвичайних ситуацій геологічного характеру, крім того більше половини з них знаходяться в активній стадії. Зсувні процеси призводять до катастрофічних наслідків і руйнують важливі господарчі об'єкти, матеріальні втрати від зсувів складають понад 34 млн. грн. щорічно.

Згідно з Указом Президента України № 80 від 9 лютого 2001 року «Про заходи щодо підвищення рівня захисту населення і територій від надзвичайних ситуацій техногенного та природного характеру» та Постанови Кабінету Міністрів України № 215 від 7 березня 2001 р. «Про утворення Координаційної ради із створення та функціонування Урядової інформаційно-аналітичної системи з питань надзвичайних ситуацій», головною метою створення та забезпечення функціонування Урядової інформаційно-аналітичної системи з питань надзвичайних ситуацій є запобігання і реагування на надзвичайні ситуації та захист населення і територій від надзвичайних ситуацій природного та техногенного характеру.

Аналіз, оцінювання та прогнозування небезпек, пов'язаних з утворенням лавин на потенційно небезпечних територіях, є актуальною проблемою, вирішення якої вимагає застосування сучасних інформаційних технологій. Якісна обробка й упорядкування величезних масивів лавинних даних, розрахунок динамічних характеристик лавин, оцінка лавинної небезпеки є основними задачами спеціалізованих геоінформаційних систем (ГІС).

Специфіка прогнозування лавинної діяльності полягає у випадковому характері стихійного лиха й швидкоплинності його протікання. Часова характеристика має найважливіше значення під час розробки й своєчасного проведення протилавинних заходів, до яких відносять виявлення лавинонебезпечних територій, визначення параметрів лавинонебезпечних процесів, будівництво захисних споруд і попереджувальний спуск лавин.

Відсутність розроблених методів аналізу часу сходу лавин впливає на ефективність прогнозів підсистеми прогнозування виникнення лавинонебезпечних ситуацій й ефективність роботи геоінформаційної системи в цілому. Вирішення даної проблеми вимагає розробки нових моделей і методів підсистеми прогнозування виникнення лавинонебезпечних ситуацій та впровадження сучасних інформаційних технологій прогнозування лавинної небезпеки.

Мета й задачі дослідження. Метою дослідження є розробка методів і моделей підсистеми прогнозування виникнення лавинонебезпечних ситуацій для підвищення ефективності прогнозів лавинної небезпеки та своєчасного проведення протилавинних заходів.

Для досягнення поставленої мети передбачено розв'язання таких задач:

провести аналіз складу геоінформаційних систем та виявити функціональні задачі геоінформаційних систем щодо лавинної тематики;

розробити метод аналізу часу сходу лавини для прогнозування лавинної небезпеки;

розробити модель інтерпретації часової характеристики сходу лавини;

розробити інтерпретаційну модель аналізу лавинного клімату для виявлення лавинонебезпечних та нелавинонебезпечних множин ситуацій;

дослідити та удосконалити інформаційну технологію прогнозування лавинної небезпеки, яка використовується у підсистемі прогнозування виникнення лавинонебезпечних ситуацій геоінформаційної системи.

1. Дослідження і аналіз існуючих геоінформаційних систем, їх структуру та склад, визначено основні функціональні задачі, пов'язані з попередженням лавинної небезпеки, розкрито зв'язки між функціональними задачами й елементами геоінформаційної системи, проаналізовано їх особливості

Проаналізовано методи й підходи, які застосовуються в геоінформаційних системах для забезпечення основних функціональних задач щодо лавинної тематики, таких як: виявлення зон зародження лавин, моделювання процесів й явищ, що обумовлюють умови сходу снігових лавин, визначення зон ураження, створення кадастрів і баз даних про лавини, прогнозування лавинної небезпеки. Виявлено переваги й недоліки даних методів, особливості й обмеження їх застосування.

Досліджено інформаційну технологію прогнозування лавинонебезпечних ситуацій та виявлено, що прогноз лавинної небезпеки, як правило, має альтернативний й імовірнісний характер. При альтернативному прогнозі ситуація класифікується нелавинонебезпечною, якщо спостерігається відсутність сходу лавин або незначні зрушення снігу обсягом до 10 м3, які не являють небезпеки для людей і господарчих об'єктів. Альтернативний прогноз передбачає обвалення мимовільних лавин. Прогноз вважається виправданим, якщо зійшла хоча б одна лавина (за винятком випадків прогнозу масового сходу лавин).

Проведений порівняльний аналіз математичних методів і моделей аналізу часу сходу лавини показав, що більшість з них відноситься до методів попередньої статистичної обробки й вимагає значного обсягу лавинних даних. Крім того, зазначені методи не враховують глобальної зміни клімату, динаміки впливу факторів лавиноутворення, не відстежують сезонності лавинної активності, застосовуються для прогнозу тільки окремих генетичних типів лавин, наприклад, лавин зі свіжого снігу. Тому існує об'єктивна необхідність розробки нових методів і моделей підсистеми прогнозування виникнення лавинонебезпечних ситуацій для підвищення якості прогнозів лавинної небезпеки геоінформаційної системи. Враховуючи специфіку поставленої задачі, відомі підходи до її розв'язання, сформульовано задачі, вирішення яких є метою даної роботи.

2. Задача щодо розробки інтерпретаційної моделі лавинного клімату, яка використовується для виявлення меж множин лавинонебезпечних та нелавинонебезпечних ситуацій

Розробка інтерпретаційної моделі лавинного клімату базується на дослідженні наборів статистичних значень ймовірностей віднесення ситуацій до множин лавинонебезпечних та нелавинонебезпечних ситуацій, які будуються з урахуванням сезонності лавинної активності. Вимога сезонності реалізується за рахунок комбінації відповідних наборів статистичних ймовірностей віднесення ситуації до зимово-весняного або осінньо-літнього періоду.

Множина всіх ситуацій складається з сукупності різноманітних інформативних лавинонебезпечних характеристик середовища, таких як - температура повітря, - вологість повітря, - швидкість вітру, - кількість опадів, - кут схилу гори.

Аналіз статистичних даних за допомогою дискримінантних функцій надає значення ймовірностей віднесення до лавинонебезпечного та нелавинонебезпечного класів. Формалізація множин лавинонебезпечних і нелавинонебезпечних ситуацій з урахуванням фактора сезонності лавинної активності вимагає дослідження й комбінації наборів емпіричних ймовірностей , , , , де - ймовірності віднесення лавинонебезпечних даних до класу лавинонебезпечних ситуацій, - ймовірності віднесення лавинонебезпечних даних до класу нелавинонебезпечних ситуацій, - ймовірності віднесення нелавинонебезпечних даних до класу лавинонебезпечних ситуацій, - нелавинонебезпечні дані, віднесені до класу нелавинонебезпечних ситуацій.

Інтерпретаційна модель лавинного клімату полягає у визначенні меж множин лавинонебезпечних та нелавинонебезпечних ситуацій за кожним з чотирьох варіантів комбінації значень ймовірностей.

Для першого варіанта припустимо, що всі значення, які перевищують значення, утворені , будуть тим паче лавинонебезпечними, тобто:

, , , (1)

причому хоча б одна з нерівностей має бути точною. Очевидно, що вибір перевершує . Таким чином, знаходимо множину , у якій виконуватиметься умова (1). вважається відомою цільовою функцією, заданою на множині . Для виділення межі лавинонебезпечної множини можна припустити, що існує така множина граничних значень , що розділяє вихідну множину на дві підмножини: і . Ця множина має відповідати умовам:

; . (2)

Лавинонебезпечна множина складається з таких значень , для яких для всіх виконується умова . Таким чином, лавинонебезпечна множина визначається співвідношенням:

 (3)

Множина складається з таких , для яких хоча б для однієї функції виконувалася умова . Множина описує таке співвідношення:

(4)

Множина - межа, що виділяє лавинонебезпечну множину із множини ситуацій . Відповідно до формули (2) множина є підмножиною вихідної множини : . Тому всі значення, які належать не є лавинонебезпечними.

Дослідження значень ймовірностей дає можливість отримати такі співвідношення для лавинонебезпечної множини й нелавинонебезпечної множини :

, (5)

. (6)

Лавинонебезпечна множина є перетином множин й , які утворені за допомогою отриманих меж множин й відповідно. Таким чином, лавинонебезпечна множина описується таким співвідношенням:

.

Нелавинонебезпечна множина є перетином множин й і має такий вигляд:

.

Аналогічним чином відбувається побудова лавинонебезпечних та нелавинонебезпечних множин за кожним з варіантів комбінації значень ймовірностей , , , .

; (7)

; (8)

; (9)

. (10)

Таким чином, розробка інтерпретаційної моделі аналізу лавинного клімату складається з таких етапів:

Проведення аналізу статистичних даних за допомогою дискримінантних функцій та одержання ймовірностей віднесення до лавинонебезпечного та нелавинонебезпечного класів.

Визначення значень ймовірностей віднесення ситуацій до лавинонебезпечного , та нелавинонебезпечного , класів з урахуванням сезонності лавинної активності.

Комбінація наборів емпіричних ймовірностей , , , та аналіз отриманих варіантів.

Побудова меж , , , лавинонебезпечних множин для кожного з варіантів.

Визначення лавинонебезпечної та нелавинонебезпечної множин ситуацій.

Розроблена інтерпретаційна модель для формалізації лавинонебезпечних і нелавинонебезпечних множин ситуацій є об'єднанням множин, отриманих для кожного із чотирьох варіантів:

;

,

де - отримана лавинонебезпечна множина; - отримана нелавинонебезпечна множина.

3. Розробка моделі інтерпретації часової характеристики сходу лавини

Побудова моделі ґрунтується на побудові нечітких множин лавинонебезпечних ситуацій. Застосування апарата нечітких множин пов'язано з неточністю й неповнотою інформації, яка описує як множину лавинонебезпечних ситуацій, так і досліджувані лавинонебезпечні ситуації, тобто з лінгвістичною невизначеністю, характерною для даної проблеми.

Досліджувана лавинонебезпечна ситуація описується нечіткою інформацією, що є набором функцій належностей , де - вектор часткових показників інформованості про ситуацію .

На основі показників інформативності побудовано нечіткі лавинонебезпечні множини , , , з функціями належностей , , , відповідно.

Для оцінювання лавинонебезпечних ситуацій побудовано нечітку еталонну модель, за допомогою якої відбувається перехід до нечітких лавинонебезпечних множин , які сформовані на основі дослідження рівнів нечітких множин .

Таким чином, викладений підхід дозволяє за наявною інформацією визначити клас, до якого може належати досліджувана ситуація з функцією належності . Функція належності будується за допомогою нечіткого виводу Мамдані-Заде.

Аналіз часової характеристики сходу лавини полягає у вивченні показників повноти , вірогідності й своєчасності інформованості геоінформаційної системи, на основі яких формується час оперативного реагування системи. Показники інформованості геоінформаційної системи , , розраховуються з урахуванням коефіцієнтів , , , які характеризують динаміку їх зміни в часі.

Час оперативного реагування системи залежить від тривалості припустимого періоду за кожним із класів , , , .

Зіставлення меж кожного класу , , , лавинонебезпечних ситуацій і меж сумарного припустимого інтервалу призводить до часової залежності, що інтерпретується як можливий часовий інтервал сходу лавини відповідно до досліджуваної лавинонебезпечної ситуації .

Таким чином, розробка нечіткої моделі інтерпретації часової характеристики сходу лавини складається з таких етапів:

Побудова нечітких множин , , , лавинонебезпечних ситуацій на основі показників інформативності.

Побудова функцій належності нечітких лавинонебезпечних множин , , , .

Формування функції належності вхідної лавинонебезпечної ситуації .

Побудова нечіткої еталонної моделі оцінювання лавинонебезпечних ситуацій за допомогою введення рівнів і переходу до нечітких лавинонебезпечних множин .

Формування показників повноти , вірогідності й своєчасності інформованості геоінформаційної системи.

Визначення тривалості припустимого періоду на оперативне реагування системи за кожним із класів , , , .

Зіставлення меж кожного класу й меж інтервалу .

Інтерпретація отриманого інтервалу часу з можливим часом сходу лавини.

Розроблена модель інтерпретації часової характеристики сходу лавини має такий вигляд:

, ,

, , ,

де ; ; ; ,

; ; .

Інформаційне забезпечення геоінформаційної системи представляє собою сукупність наступних елементів:

- База даних і знань для збору, зберігання й початкової обробки сніголавинних даних.

- База електронних карт, за допомогою яких виробляється розрахунок багатьох характеристик лавинної активності, таких як крутість схилів, границі лавинонебезпечних площ і т.д.

- База математичних моделей для задач прогнозування лавинної небезпеки, моделювання розвитку лавинонебезпечних ситуацій.

- База сценаріїв (стереотипних ситуацій) досліджень.

- База документації (база форм надання вихідної інформації) містить у собі множину форм лінгвістичного, графічного й числового подання основних результуючих характеристик. Вибір форм подання інформації в геоінформаційній системі визначається їх інформативністю й можливістю використання для змістовного й порівняльного аналізу при організації досліджень. Висновок може здійснюватися в статичному або динамічному режимі.

Якісне функціонування підсистеми прогнозування в геоінформаційній системі має ключове значення. Вихідна інформація підсистеми прогнозування формується з використанням всіх її елементів. Розроблений метод аналізу часу сходу лавини включений у загальну базу математичних моделей інформаційного забезпечення системи. На його основі проводиться прогнозування лавинних характеристик, їх перевірка й подальше використання при виборі рішень по рекомендаціям щодо ефективного проведення протилавинних заходів на лавинонебезпечних територіях.

Висновки

геоінформаційний інтерпретаційний лавинонебезпечний

У дисертаційній роботі наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення науково-технічної задачі підвищення ефективності прогнозів лавинної небезпеки. Ця задача полягає в розробці та впровадженні методу та моделей аналізу часу сходу лавин у функціонування підсистеми прогнозування виникнення лавинонебезпечних ситуацій геоінформаційної системи.

На підставі виконаних теоретичних та експериментальних досліджень отримано такі суттєві результати:

Проведено аналіз складу та функціональних задач геоінформаційної системи та розроблено структуру інформаційного забезпечення геоінформаційної системи, яка складається з п'яти елементів: бази даних та знань, бази електронних карт, бази математичних моделей, бази сценаріїв та бази документації.

На основі проведеного аналізу сучасних методів прогнозування лавинної небезпеки розроблено метод аналізу часу сходу лавини, за допомогою якого відбувається інтерпретація часу реагування геоінформаційної системи з можливим часовим інтервалом сходу лавини.

Побудовано модель для інтерпретації часової характеристики сходу лавини, що відображує нечіткі множини лавинонебезпечних ситуацій, їх функції належностей та аналізує лавинонебезпечні ситуації за показниками інформативності.

Розроблено нечітку еталонну модель оцінювання лавинонебезпечних ситуацій, яка побудована на основі введення рівнів лавинонебезпечних множин ситуації, що дає можливість аналізувати й оцінювати нові дані, які надходять до геоінформаційної системи.

Розроблено інтерпретаційну модель лавинного клімату, яка використовується для виявлення лавинонебезпечних та нелавинонебезпечних множин ситуацій.

Досліджено методи прогнозування лавинної небезпеки, які використовуються у підсистемі прогнозування виникнення лавинонебезпечних ситуацій геоінформаційної системи та удосконалено інформаційну технологію прогнозування виникнення лавинонебезпечних ситуацій, в яку включено метод аналізу часу сходу лавини, за допомогою якого підвищується ефективність прогнозів лавинної небезпеки.

Результати дисертаційної роботи використано в ЗАТ «Обчислювальна техніка та засоби автоматизації» для розробки загальнодержавного ситуаційного центру керування кризовими ситуаціями, що підтверджено відповідними актами впровадження.

Таким чином, проведені дослідження дозволяють вважати мету дослідження досягнутою, яка полягала в підвищенні ефективності прогнозів лавинної небезпеки та своєчасного проведення протилавинних заходів за рахунок створення та впровадження методів і моделей підсистеми прогнозування виникнення лавинонебезпечних ситуацій.

Література

Куземин А.Я. Моделирование процесса образования лавин / А.Я. Куземин, Д.В. Фастова, О.Н. Дяченко // Реєстрація, зберігання і обробка даних. - 2006. - T. 8, № 4. - С. 22-30.

Куземин А.Я. Интерпретационная модель анализа среды возникновения лавинного климата / А.Я. Куземин, Д.В. Фастова, В.В. Ляшенко // Реєстрація, зберігання і обробка даних. - 2007. - Т. 9, №1. - С. 27-34.

Куземин А.Я. Нечеткая модель интерпретации временной характеристики схода лавины / А.Я. Куземин, В.В. Ляшенко, Д.В. Фастова // Радиоэлектроника и информатика. - 2007. - № 1. - С. 88-91.

Куземин А.Я. Геоинформационная система для классификации и прогнозирования лавинной опасности / А.Я. Куземин, Д.В. Фастова, О.Н. Дяченко // Автоматизированные системы управления и приборы автоматики: Всеукр. межведомств. науч.-техн. сб. - Харьков, 2006. - Вып. 136. - С. 87-92.

Фастова Д.В. Подсистема прогнозирования временной характеристики схода лавины / Д.В. Фастова // Автоматизированные системы управления и приборы автоматики: Всеукр. межведомств. науч.-техн. сб. - Харьков, 2007. - Вып. 139. - C. 27-31.

Kuzemin А. Methods of adaptive extraction and analysis for knowledge-base construction and fast decision making / A. Kuzemin, D. Fastova, I. Yanchevsky // International Journal «Information Theories & Applications». - 2005. - Vol. 12, № 1. - P. 93-99.

Размещено на Allbest.ru