Введение к работе
Актуальность работы. Проблема исследования лавин на сегодняшний день стоит особенно остро: общая площадь лавиноопасных территорий в Российской Федерации составляет 3077,8 тыс.км (18% от общей площади страны), а еще 829,4 тыс.км относятся к категории потенциально лавиноопасных. В соответствии со стратегическим прогнозом изменений климата Российской Федерации на период 2010-2015 гг. и их влияния на отрасли экономики России наиболее подвержен возникновениям различных опасных явлений Северо-Кавказский регион (первое место по плотности их проявления и по степени возможных воздействий опасных гидрометеорологических явлений на население и экономику), он же является и лидером среди зон повышенной сложности прогнозирования [Росгидромет, 2005]. Таким образом, в преддверии Зимних Олимпийских Игр 2014 года, которые будут проходить на территории Северо-Кавказского региона, необходимы средства прогнозирования схода лавин, связанных с ними рисков и снижения социально-экономического ущерба.
Поскольку на сегодня не существует удовлетворительных физических моделей лавинного процесса, позволяющих адекватно описать движущуюся лавину, а существующие математические модели основаны на идеальных представлениях, сильно упрощающих реальную картину и позволяющих описать лавинный процесс лишь с большой степенью приближённости, назрела необходимость в разработке более совершенных математических и алгоритмических моделей для имитационного моделирования схода снежных лавин в компьютерном эксперименте [Казаков Н.А., 2011]. Именно поэтому проблема разработки информационной системы анализа данных и прогнозирование последствий схода снежных лавин на основании компьютерного моделирования представляется актуальной и своевременной.
Цель и задачи исследования. Целью работы является имитационное моделирование накопления и схода снежных лавин и их взаимодействие с препятствиями различной формы, а также разработка информационной системы для анализа и прогнозирования схода снежных потоков, которая позволяет изучать существенные характеристики лавин, оценивать возможный наносимый ущерб.
Реализация поставленной цели предполагает решение следующих частных задач:
-
комплексное исследование проблем накопления, движения и взаимодействия частиц снежной массы с применением разновидности частичного метода SPH (Smoothed Particles Hydrodynamics);
-
разработка модели накопления снега на склоне с варьируемыми параметрами на основе эффективного вычислительного метода, эволюции снежной массы с течением времени и схода лавины с применением современных компьютерных технологий;
-
разработка системы имитационного моделирования с целью изучения особенностей движения, ударного воздействия лавин на препятствия и реализация алгоритма в виде комплекса компьютерных программ, предназначенных для проведения имитационных экспериментов, изучения влияния основных физико-механических параметров снежной массы и оценки социально-экономического ущерба;
-
создание специального алгоритмического обеспечения системы анализа, управления, принятия решений и обработки информации о снежных лавинах.
Методы исследования. Для решения поставленных задач используются методы математического и системного анализа, а также методы программирования и моделирования на ЭВМ.
Научная новизна исследования заключается в том, что в нем впервые:
-
Создана модель процесса осаждения осадков и движения снежной массы вдоль склона, позволяющая изучать влияние интенсивности и типа осадков, параметров склона, параметров внутреннего взаимодействия в снежной массе на интенсивность ее движения.
-
Изучено влияние состояния поверхности склона (высоты и ширины неровностей) на характер движения снежной массы на основе имитационных экспериментов.
-
Проведено имитационное моделирование удара лавин о препятствие на различных высотах. Форма препятствия избрана более сложной, чем в традиционных исследованиях (круг, в двухмерной модели).
-
Разработана информационная система анализа, управления и оценки последствий схода снежных лавин «Лавина-С», отличающаяся возможностью гибкого интегрирования в интеллектуальный комплекс поддержки при принятии управленческих решений.
Практическая значимость исследования состоит в разработке оригинальных компьютерных программ «Имитационная модель схода снежной лавины» (предназначенной для многократного проведения компьютерных экспериментов с моделью и изучения на этой основе влияния основных физико-механических параметров снежной массы на интенсивность ее движения по склону) и «Расчёт социально-экономического ущерба при аварии на предприятии Risk Nature» (предназначенной для оценки экономического ущерба), а также информационной системы анализа, управления и оценки последствий схода снежных лавин «Лавина-С». Разработанная информационная система «Лавина-С» может применяться при оценке степени лавинной опасности для принятия своевременных управленческих решений, обеспечивающих исключение человеческих жертв и минимизацию экономического ущерба, связанных со сходом лавин. Кроме того, система информационного прогнозирования «Лавина-С» путем параллельного включения без каких-либо дополнительных за-
трат способна увеличить функциональные возможности действующей системы мониторинга опасных явлений «Мониторинг ЧС» МЧС России.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследования применяются в практической деятельности ГУ «Центр управления в кризисных ситуациях МЧС России по Воронежской области» и учебном процессе ФГБОУ ВПО Воронежский институт ГПС МЧС России.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Результаты комплексного исследования осаждения снежной массы и движения лавины вдоль горного склона, с применением SPH-метода (Smoothed Particles Hydrodynamics).
-
Проблемно-ориентированная программа для имитационного моделирования накопления, схода снежной массы и взаимодействия лавин с различными объектами (инженерными сооружениями).
-
Алгоритм оценки ущерба при возникновении чрезвычайной ситуации, связанной со сходом снежной лавины, реализованный в виде оригинального программного продукта.
-
Система мониторинга опасных явлений и комплекс программ «Мониторинг ЧС», дополненная информационной системой «Лавина-С», с целью прогнозирования лавинной опасности и принятия своевременных управленческих решений, обеспечивающих исключение человеческих жертв и минимизацию экономического ущерба.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: международной научно-практической конференции «Пожарная безопасность: проблемы и перспективы» (Воронеж, 2010 г.), II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Пожарная безопасность: проблемы и перспективы» (Воронеж, 2011 г.), XI научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций» (Москва, 2011 г.), X международной научно-практической конференции «Пожарная безопасность - 2011» (Украина, Харьков, 2011 г.), Двадцатой научно-технической конференции «Системы безопасности - 2011» (Москва, 2011 г.), XXII международной научно-практической конференции «Комплексная безопасность. Новые горизонты» (Москва, 2011 г.), IV международной научно-практической конференции «Сервис безопасности в России: опыт, проблемы, перспективы» (Санкт-Петербург, 2011 г.), VIII международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 2011 г.). Исследования выполнялись в соответствии с планом научно-технической деятельности МЧС России на 2011-2013 гг.
Публикации. По результатам проведенных исследований и практических разработок опубликовано 13 научных работ (7 статей, 6 материалов научных конференций), включая 6 работ [1-6] в научных изданиях и журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ для публикации результатов кандидатской диссертации, в том числе 1 работа опубликована
без соавторов; получено 1 свидетельство о государственной регистрации программного продукта.
В работах, выполненных в соавторстве, автором лично выполнены: в [1-3] - интерпретация полученных результатов, в [4] - разработка концепции информационной системы и алгоритма ее функционирования, в [5-13] - рассмотрение механизма образования снежной массы и проверка адекватности разработанной модели, в [14] - разработка основных программных модулей.
Структура и объём работы. Диссертация включает в себя 138 страниц печатного текста, состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 259 наименований, 3 приложений, содержит 7 таблиц и 33 рисунка.
