Моделирование системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайных ситуаций (на примере санкт-петербурга)

На правах рукописи

Плотников Валерий Александрович

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЛИКВИДАЦИЕЙ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ

(на примере Санкт-Петербурга)

05.13.10 – управление в социальных и экономических системах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург – 2013

Работа выполнена в Санкт-Петербургском университете Государственной противопожарной службы МЧС России

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Иванов Александр Юрьевич

Официальные оппоненты: Моторыгин Юрий Дмитриевич,
доктор технических наук, доцент,
ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, профессор кафедры криминалистики и инженерно-технических экспертиз;

Бондар Александр Иванович,
кандидат технических наук, доцент,
Главное управление МЧС России по г. Санкт-Петербургу, заместитель начальника управления надзорной деятельности

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Защита состоится 26 сентября 2013 года в 14 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 205.003.02 при Санкт-Петербургском университете Государственной противопожарной службы МЧС России (196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, д. 149).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России.

Автореферат разослан «___» августа 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 205.003.02

доктор технических наук, профессор А.Ю. Иванов

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В последние годы в Российской Федерации складывается неблагоприятная обстановка в аспекте возникновения чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. При этом основную роль в ее ухудшении играют пожары, о чем ярко свидетельствуют статистические данные. В этих условиях эффективность операций по ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций зависит не только от количественного и качественного состава группировки сил и средств, но и от действий системы управления.

Из последних крупномасштабных чрезвычайных ситуаций можно привести наводнение в июле 2012 года в Краснодарском крае, где от наводнения только в Крымском районе пострадали более 24 тыс. чел., более 4 тыс. домов, 12 социальных объектов – школы, детские сады, два медицинских склада. Всего за период спасательных мероприятий в Краснодарском крае было спасено 872 человека, проведена эвакуация 2 912 человек. В зоне чрезвычайной ситуации была задействована группировка в 10 600 человек, 2 600 единиц техники и 10 летательных аппаратов.

Приведенные показатели свидетельствуют о том, что управление столь значительной группировкой на месте является особо сложной задачей, для решения которой требуется четкое взаимодействие министерств и ведомств Российской Федерации. Опыт ликвидации последствий наводнения показал, что система оперативного управления ликвидацией подобных чрезвычайных ситуаций требует совершенствования.

Условия и результаты деятельности МЧС России отражает статистика по чрезвычайным ситуациям и пожарам, в частности, обеспечивающая исследование количественной стороны массовых явлений и процессов.

На сегодняшний день показатели, приводимые в статистических данных, лишь констатируют факты. При этом управленческие решения принимаются с учетом ретроспективных данных за прошедшие годы, а не прогнозных оценок, сформированных с помощью моделей, что в целом не лучшим образом отражается на безопасности того или иного региона.

Сложившаяся ситуация требует изучения существующей системы оперативного управления действиями подразделений МЧС России, всех этапов действия должностных лиц, технологии сбора и оценки статистических данных, моделирования системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации и формирования предложений по ее совершенствованию.

Следует отметить, что успех операций по предупреждению чрезвычайной ситуации и ликвидации ее последствий в значительной степени зависит от быстрого реагирования дежурных служб: Центра управления в кризисных ситуациях, оперативных дежурных, что, в свою очередь, связано со своевременностью поступившей информации.

В решение проблемы по моделированию системы оперативного управления ликвидацией последствий чрезвычайных ситуаций техногенного происхождения значительный вклад внесли ученые Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России: Артамонов В.С., Таранцев А.А, Моторыгин Ю.Д. Пелех М.Т., а также Брушлинский Н.Н., Малыгин И.Г., Абдурагимов А.А. и другие. Однако в настоящее время отсутствует научно-обоснованная технология моделирования системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайных ситуаций, которая способна на основе имеющихся статистических данных о плотности поступлении информации с места чрезвычайной ситуации и временных характеристиках процесса принятия решений осуществлять мероприятия по совершенствованию указанной системы. В связи с этим возникают существенные трудности в совершенствовании системы оперативного управления ликвидацией последствий чрезвычайных ситуаций. Все сказанное позволяет утверждать об актуальности темы диссертационного исследования.

Цель диссертационной работы состоит в повышении эффективности функционирования системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайных ситуаций за счет внедрения научно-обоснованного подхода к организации работы должностных лиц.

Научная задача, решаемая в диссертации, заключается в разработке моделей и методик, являющихся теоретической основой для совершенствования системы оперативного управления деятельностью подразделений, задействованных в ликвидации чрезвычайных ситуаций.

В рамках этой общей задачи в работе поставлен и решен ряд следующих частных научных задач:

- анализ системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайных ситуаций и статистики по пожарам и последствиям от них в Санкт-Петербурге;

- разработка моделей для определения зависимости показателей обстановки от наиболее существенных факторов;

- разработка методики построения моделей системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайных ситуаций для получения количественных значений основных показателей эффективности;

- разработка модели системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайных ситуаций;

- выработка предложений по совершенствованию системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайных ситуаций.

Объект исследования – система оперативного управления ликвидацией чрезвычайных ситуаций (на примере Санкт-Петербурга).

Предмет исследования – модели и методики оценки эффективности функционирования системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации.

Методы исследования. Решение общей и частных научных задач проводилось с использованием методов системного анализа, математического моделирования, линейной алгебры, теории вероятностей, математической статистики и теории массового обслуживания.

Научная новизна диссертационной работы обеспечена следующим положениями:

- на основании анализа статистических данных получены уравнения регрессии для определения количества погибших и пострадавших на пожарах людей и времени подачи первого ствола на тушение пожара, на основании чего показано, что применительно к Санкт-Петербургу основными значимыми факторами являются: общее количество пожаров, а также среднее время прибытия первого подразделения к месту пожара;

 сформировано представление системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации, включающей руководителя тушением пожара (РТП), начальника оперативного штаба пожаротушения (НШ), центр управления в кризисных ситуациях (ЦУКС), оперативного дежурного по Главному управлению по Санкт-Петербургу (ОД ГУ), оперативного дежурного по Северо-Западному региональному центру (ОД СЗРЦ) и начальника Главного управления (НГУ) в виде сети массового обслуживания (СеМО), что позволило разработать методику построения модели системы управления ликвидацией чрезвычайной ситуации для оценки количественных значений показателей;

- разработана методика построения модели системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации, учитывающая множество возможных состояний элементов указанной системы, характерных для ее функционирования в реальных условиях;

- на основе оценки количественных значений разработаны предложения по совершенствованию системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации организации обмена информации, заключающиеся введении регламента.

Теоретическая значимость работы состоит в разработке научно-методического аппарата для обоснования зависимости основных показателей деятельности подразделений МЧС России от значимых факторов и оценки количественных значений системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации.

Практическая значимость работы заключается:

- в оценке влияния на основные показатели деятельности МЧС России значимых факторов с последующей выработкой предложений по ее совершенствованию;

- в оценке количественных значений основных показателей и нахождения решений по совершенствованию системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации по разработанной методике моделирования с целью повышения ее эффективности;

в возможности реализации в деятельности органов управления МЧС России разработанного математического аппарата.

Предложенные в диссертации модели и методики обеспечат повышение результативности функционирования системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации.

Достоверность изложенных в диссертации положений и выводов подтверждается использованием апробированных методов исследования и практическим внедрением результатов диссертационной работы.

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

- модели оценивания пожарной обстановки в г. Санкт-Петербурге;

- модели системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации;

- методика построения модели системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации с использованием теории массового обслуживания;

- предложения по совершенствованию системы оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации организации обмена информацией с целью повышения ее эффективности, заключающиеся введении регламента.

Апробация. Научные результаты, полученные в исследовании, докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры прикладной математики и информационных технологий Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России, а также на международной научно-практической конференции «Подготовка кадров в системе предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций» (Санкт-Петербург, октябрь 2011 г.) и VIII Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы обеспечения взрывобезопасности и противодействия терроризму» (Санкт-Петербург, апрель 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе две статьи в ведущих рецензируемых научных, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Реализация результатов исследования. Результаты диссертационного исследования внедрены в деятельность Главного управления МЧС России по Ленинградской области, отдельные теоретические положения диссертации используются в учебном процессе Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников. Общий объем работы 118 страниц, в том числе 31 рисунок и 40 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении обоснованы выбор темы диссертации и ее актуальность, приведены основные атрибуты исследования, отражены научные результаты, выносимые на защиту, и их характеристика, а также указаны сведения об апробации и реализации результатов диссертационного исследования.

В первой главе «Анализ состояния вопроса в части пожарной безопасности Санкт-Петербурга» дана характеристика города, в частности, географическое расположение, климат, топливно-энергетические ресурсы, промышленная отрасль, сведения по возникновению чрезвычайных ситуаций.

В результате проведенного анализа статистических данных выявлено, что количество пожаров и гибель людей на них за рассматриваемый период уменьшается (рисунки 1 и 2), это связано с улучшением социальной обстановки в регионе.

Анализ деятельности подразделений МЧС России в Санкт-Петербурге позволил оценить временные характеристики их оперативной деятельности. Показано, что с увеличением времени следования подразделений к месту пожара, которое в настоящий момент остается довольно длительным (до 11 минут), увеличивается продолжительность подачи первого ствола, причем следует ожидать дальнейшего увеличения этого времени ввиду роста загруженности дорожной сети.

Рисунок 1 – Динамика количества пожаров в Санкт-Петербурге

Рисунок 2 – Динамика гибели людей на пожарах

В результате проведенного анализа можно сделать вывод, что пожарная обстановка в Санкт-Петербурге продолжает оставаться напряженной и оказывать значительное влияние на экономическую и социальную сферы жизни города и его жителей. Выявлены факторы значительно влияющие на обстановку с пожарами и борьбы с ними.

В свою очередь, анализ системы организации пожаротушения в Санкт-Петербурге показал, что пожаротушение организовано на всех уровнях (рисунок 3), что позволяет оперативно реагировать на любую чрезвычайную ситуацию.

Рисунок 3 – Схема организации пожаротушения в Санкт-Петербурге

Установлено, что исследование показателей оперативного реагирования подразделений МЧС России на чрезвычайные ситуации лучше проводить с помощью методов корреляционного и регрессионного анализов, которые позволяют выявить закономерности в больших массивах статистической информации об оперативной деятельности подразделений МЧС России и других экстренных служб жизнеобеспечения.

Сделан вывод о необходимости исследования моделей с помощью регрессионного анализа, а также о том, что в интересах моделирования оперативного управления ликвидацией чрезвычайной ситуации представляется актуальным проведение дальнейших исследований в части развития моделей на базе теории массового обслуживания для решения сформулированных научных задач.

Во второй главе «Математическое моделирование зависимости показателей от влияющих на них факторов» выбраны методы моделирования, а также разработана методика оценивания оперативной обстановки на основе регрессионного анализа, состоящая из следующих шагов: анализ статистических данных и выявление показателей оперативной обстановки, нуждающихся в улучшении; выявление данных, оказывающих значительное влияние на основные показатели оперативной обстановки; выбор вида анализа, как правило, предварительно по линии тренда (линейный, нелинейный, однофакторный, множественный и т.д.); построение регрессионной модели; проверка адекватности модели; вычисление расчетных значений, и сравнение с фактическими показателями; формирование предложений по совершенствованию оперативной обстановки.

Для нахождения зависимостей в регрессионном анализе использована линейная зависимость.

Допустим, что интересующий показатель Y, линейно зависит от определенного фактора t. Также, на эту зависимость воздействует дополнительный случайный фактор Z.

Данная структура связи между этими величинами выглядит:

, (1)

где 0 и 1 – неизвестные параметры модели (постоянные величины);

t – известное и неслучайное значение предикторной переменной;

Z – случайная величина, сопутствующая наблюдению.

При нескольких реализаций (наблюдений) модели, формула (1) будет иметь вид:

, i = 1, 2,…, n. (2)

Необходимо заметить, что СВ взаимно независимы. Их значения формируются за счет суммы , на которую накладывается случайная составляющая Zi имеющая характер или неучтенных факторов или случайных помех.

И так, зная оценки и , можно оценить значение зависимой

переменной Yi по формуле:

(3)

соответствующий график называется графиком линейной регрессии.

и называются оценками метода наименьших квадратов, если они минимизируют сумму квадратов отклонений:

(4)

Физический смысл этого критерия заключается в том, что он дает прямую ,относительно которой разброс точек (t,Y) минимален.

С применением математического аппарата была проанализирована статистическая информация об обстановке с пожарами в Санкт-Петербурге и выявлены статистические закономерности, которые оказывают значительное влияние. В частности, установлено, на количество погибших людей на пожарах Y* (чел.) в Санкт-Петербурге оказывает общее количество пожаров S (шт.), о чем свидетельствует полученная математическая модель:

1,83+ 0,04, (40; 489). (5)

Как видно из выражения (5), количество погибших уменьшается с сокращением количества пожаров. Данный факт объясняет тенденцию уменьшения количества погибших на пожарах людей в Санкт-Петербурге (см. рисунок 2). График, характеризующий зависимость между количеством погибших и количеством пожаров представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 – График, характеризующий зависимость между количеством погибших и количеством пожаров, отвечающих доверительной вероятности  = 0,95

Также установлено, что общее количество пожаров S (шт.) также влияет на количество пострадавших людей на них Y* (чел.). Математическая модель имеет вид:

0,53+ 0,08, (2; 31). (6)

Соответствующий график представлен на рисунке 5.