Математическое моделирование и методы оценки рисков в чрезвычайных ситуациях геодинамического характера Данилов, Роман Михайлович

Введение к работе

Актуальность исследования. Последние десятилетия XX века и начало XXI характеризуются прогрессирующим с каждым годом во всем мире увеличением социальных и экономических потерь от опасных природных, техногенных и антропогенных процессов, поэтому одной из важнейших проблем в настоящее время является обеспечение безопасности населения и территорий при реализации указанных процессов.

При этом все более актуальными и злободневными являются вопросы, связанные с опасностями инженерно-технического, социально-экономического и медико-биологического характера, исходящими от геологической составляющей окружающей среды, которые общепринято называют геодинамическими опасностями. К таким опасностям относятся, например, землетрясения, крип, оползни, обвалы, проседания, карст, подтопления, и т.д.

Задачи обеспечения безопасности и комплексной оценки рисков в сложных распределенных природно-технических системах (РПТС) принадлежат к разряду задач стратегического характера. Для их успешного разрешения необходимо снять ряд неопределенностей, каждая из которых является достаточно сложной и значимой. К таким неопределенностям относятся: неполнота информации о пространственно-временном распределении внешнего воздействия на систему; неполнота информации о состоянии сложных систем; неопределенность в поведении систем.

До настоящего времени не выработано единой научно-обоснованной методологической базы, позволяющей комплексно оценивать опасные процессы геодинамического происхождения. Задача оценки геодинамического риска в основном решается для территорий нефтегазопромыслового назначения и стратегических объектов повышенной опасности, в частности, АЭС, и то, как показали последние события в Японии, недостаточно эффективно.

Решение обозначенных задач необходимо вывести за рамки традиционного качественного описания, либо проведения исключительно приборных исследований, которые позволяют отслеживать реализацию опасных геодинамических событий в режиме реального времени, но затрудняют возможность осуществления превентивных мероприятий.

Таким образом, решение этих задач должно быть построено на математическом моделировании, эффективных численных методах и их алгоритмах, реализованных в виде комплексов проблемно-ориентированных программ.

Особое место в проблемах оценки природно-техногенных рисков геодинамического происхождения занимает задача оценки риска чрезвычайных ситуаций геодинамического характера.

Поэтому диссертация посвящена решению актуальной научной задачи - разработке на базе новых математических моделей, реализованных в виде комплексов проблемно-ориентированных программ, методов оценки риска чрезвычайных ситуаций геодинамического характера для обеспечения безопасности населения и территорий от возможных проявлений опасных природно- техногенных геодинамических процессов.

Объектом исследования является распределенная природно-техническая система, подвергающаяся воздействию опасных процессов геодинамического происхождения.

Предмет исследования составляют математические модели и методы оценки риска чрезвычайных ситуаций в распределенных природно-технических системах в условиях воздействия опасных процессов геодинамического происхождения.

Цель диссертационного исследования состоит в обосновании, разработке и исследовании новых математических моделей и методов оценки риска в чрезвычайных ситуациях в распределенных природно-технических системах, подвергающихся воздействию геодинамических факторов.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

1. Провести комплексное исследование проблемы обеспечения безопасности населения и оценки рисков чрезвычайных ситуаций в распределенных при- родно-технических системах с учетом природно-техногенных факторов геодинамическим происхождения с применением современной технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента.

2. Разработать метод и комплекс математических моделей оценки риска чрезвычайных ситуаций геодинамического происхождения в распределенных природно-технических системах.

3. Разработать метод количественного описания воздействий процессов геодинамического происхождения на распределенные природно-технические системы.

4. Построить алгоритмы и комплексы программ численного решения уравнений, реализующих модели оценки риска чрезвычайных ситуаций геодинамического характера, в среде распределенных природно-технических систем.

5. Выполнить количественную оценку риска чрезвычайных ситуаций геодинамического характера для распределенных природно-технических систем различной масштабности с построением оценочно-прогностических карт эквипотенциального распределения показателей этого риска.

Методы исследований. При построении математических моделей геодинамической устойчивости территорий и математических моделей оценки риска чрезвычайных ситуаций геодинамического характера были применены методы механики сплошных сред, методы теории дифференциальных уравнений, метод спектрального Фурье-анализа.

При обработке промежуточных и выходных данных применялись методы регрессионного и корреляционного анализа, а также метод спектрально- временного анализа данных. Программное обеспечение для реализации поставленных в работе цели и задач разработано в среде Borland Pascal и Turbo Basic. Работа с базами данных осуществлялась в среде MS Excel и MS Access.

При выполнении исследований автор опирался на теоретические результаты отечественных и зарубежных ученых: в области теории математического моделирования, численных методов и их прикладного применения при исследовании естественнонаучных объектов - В.В. Власова, В.И. Кейлис-Борока, А.И. Лурье, А. Лява, Н.И. Мусхелишвили, А.А. Самарского, И.Н. Снеддона; в области теории динамики опасных геодинамических процессов - Е.В. Артюш- кова, В.М. Кутепова, В.А. Магницкого, В.И. Осипова, Н.Н. Радаева, Г.А. Соболева; в области теории анализа рисков чрезвычайных ситуаций в природной, техногенной и антропогенной сферах - В.А. Акимова, В.А. Минаева, В.Ф. Протасова, А.Л. Рагозина, Н.Г. Топольского, А.О. Фаддеева и многих других.

Реализация построенных моделей осуществлялась на основании данных о характеристиках окружающей среды, полученных с помощью инженерно- геологического, гидрологического, гидрогеологического, метеорологического методов исследования, а также метода геоморфоструктурного районирования территории.

Научная новизна.

5. 1. Теоретически обоснованы и разработаны математические модели оценки геодинамической устойчивости территорий и оценки риска чрезвычайных ситуаций геодинамического характера, в среде распределенных природно- технических систем.

   2. Разработан метод количественной оценки риска чрезвычайных ситуаций геодинамического характера в распределенных природно-технических системах, основанный на аналитическом способе восстановления полей геодинамических напряжений, деформаций и смещений в среде этих систем.

   3. Разработан метод количественного описания воздействий на среду распределенных природно-технических систем опасных процессов геодинамического происхождения.

   4. Выполнена количественная оценка риска чрезвычайных ситуаций геодинамического характера, и построены оценочно-прогностические карты эквипотенциального распределения показателей риска чрезвычайных ситуаций для территорий Центрального федерального округа Российской Федерации, Байкальского региона, Дальнего Востока, а также для ряда отдельных производственно-хозяйственных комплексов.

   5. Построены алгоритмы численного решения уравнений для моделей оценки геодинамической устойчивости и риска чрезвычайных ситуаций геодинамического характера, в среде распределенных природно-технических систем, осуществлена их практическая реализация в виде комплекса программ для проведения вычислительного эксперимента с помощью ЭВМ.

   6. Разработана и практически реализована математическая модель учета влияния релаксации напряжений и деформаций на скорость их накопления в геосреде распределенных природно-технических систем, значимая для превентивной количественной оценки риска чрезвычайных ситуаций геодинамического характера.

   Практическая значимость диссертационного исследования заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы для:

   5. 6. 1. детального исследования природной, техногенной и антропогенной обстановки для распределенных природно-технических систем различного масштабного уровня и целевого назначения;

         2. классификации и уточнения оценки качества отдельных участков распределенных природно-технических систем при выборе районов строительства различных объектов с учетом природных, техногенных и антропогенных факторов;

         3. создания эффективных геодинамических моделей среды распределенных природно-технических систем различного масштабного уровня и целевого назначения и их вероятностной оценки;

         4. разработки рациональной стратегии обеспечения безопасного и устойчивого развития распределенных природно-технических систем различного масштабного уровня и целевого назначения и научно-обоснованного управления силами и средствами служб экстренного реагирования при возникновении чрезвычайных ситуаций геодинамического характера;

         5. создания компьютерного атласа районного, областного или регионального масштаба, включающего в себя информацию по геофизическим полям, полям напряжений, смещений, деформаций, карты риска чрезвычайных ситуаций геодинамического характера и вероятностного прогноза развития геодинамической ситуации.

         Реализация результатов диссертации. Полученные в ходе исследований по данному направлению результаты были использованы: при оценке территорий под строительство гражданских промышленных, жилых и особо важных объектов в г. Хабаровск и в Хабаровском крае (2008 - 2010 гг.); в ходе реализации тем научных исследований «Оценка геодинамического риска территорий Дальнего Востока и Байкальского региона» (2007 - 2010 гг.); «Оценка геодинамической безопасности для объектов силовых ведомств Центрального федерального округа Российской Федерации» (2005 - 2008 гг.). Результаты исследований внедрены в учебный процесс Дальневосточного юридического института (ДВЮИ) МВД России по дисциплинам «Информатика и математика», «Информационные технологии в профессиональной деятельности», «Правовая статистика», Основы управления и делопроизводство в ОВД); в научно- исследовательскую деятельность ДВЮИ МВД России по теме НИР «Современные методы анализа информации и их применение в ОВД»; в практическую деятельность УТ МВД России по Дальневосточному Федеральному округу (ДФО); в теоретическую и практическую деятельность ФГБОУ ДПО «Хабаровский учебный центр федеральной противопожарной службы».

         Акты о внедрении результатов работы из УТ МВД России по Дальневосточному Федеральному округу, ДВЮИ МВД России, ФГБОУ ДПО «Хабаровский учебный центр федеральной противопожарной службы» прилагаются.

         Защищаемые научные положения.

         5. 6. 5. 1. Комплекс математических моделей оценки риска чрезвычайных ситуаций геодинамического характера, в распределенных природно-технических системах различного масштабного уровня.

                  2. Математический метод описания воздействий на среду распределенных природно-технических систем опасных процессов геодинамического происхождения и результаты выполненной с использованием данного метода количественной оценки риска чрезвычайных ситуаций геодинамического характера.

                  3. Алгоритмы и комплексы программ оценки риска чрезвычайных ситуаций геодинамического происхождения.

                  4. Результаты исследований по выявлению и оценке зон риска чрезвычайных ситуаций геодинамического характера в распределенных природно- технических системах различного масштабного уровня в виде оценочно- прогностических карт их районирования по степени данного риска.

                  Достоверность результатов диссертационного исследования определяется комплексным характером, согласованностью результатов теоретических исследований, численного моделирования и интерпретации наблюдаемых данных между собой, их воспроизводимостью, сопоставимостью полученных практических результатов с теоретическими оценками и экспериментальными результатами, приведенными в работах других авторов распределениями произошедших опасных геодинамических событий в различных регионах России и ряда других государств.

                  Основные результаты исследований были доложены и обсуждены:

                  XVI - XX научно-технических конференциях «Системы безопасности» - СБ- 2007 - СБ-2011 (Москва, Академия ГПС МЧС РФ, 2007 - 2011 гг.); IX Международной научной конференции «Цивилизация знаний: инновационный переход к обществу высоких технологий» (Москва, 2008 г.); научно-практической конференции «Сложность и самоорганизация. Будущее мира и России» (Москва, 2008 г.), международной научно-образовательной конференции «Наука в вузах: математика, физика, информатика. Проблемы высшего и среднего профессионального образования» (Москва, 2009 г.); XI Международной научной конференции «Цивилизация знаний: проблемы модернизации России» (Москва, 2010 г.); Международной научной конференции «Образование, наука и экономика в вузах. Интеграция в международное образовательное пространство» (Плоцк, Польша, 2010 г.); XII Международной научной конференции «Цивилизация знаний: проблема человека в науке XXI века» (Москва, 2011 г.).

                  Публикации и личный вклад автора. Основные материалы диссертации опубликованы в одной монографии и 13 статьях в отечественных изданиях по работам, выполненным автором в период 2007 - 2011 гг. Из них - 6 работ в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования результатов кандидатских диссертационных исследований.

                  В диссертацию вошли исследования, выполненные автором в Дальневосточном юридическом институте в 2007 - 2011 гг. Автору принадлежит постановка конкретных задач, создание математических моделей, математических методов анализа рисков чрезвычайных ситуаций геодинамического характера, организация и выполнение теоретических и экспериментальных исследований по диссертационной проблематике, получение основных результатов и их интерпретация.

                  Структура и объем диссертационного исследования. Материалы диссертации изложены на 153 страницах компьютерного текста и включают: введение, три главы, заключение, список литературы из 152 наименований, 38 графических объектов и 3 приложения.

                  Похожие диссертации на Математическое моделирование и методы оценки рисков в чрезвычайных ситуациях геодинамического характера

                  

                  Математическое моделирование и методы оценки рисков в территориальных системах, подвергающихся воздействию геодинамических факторовФаддеев, Александр Олегович

                  

                  Моделирование нештатных ситуаций военно-технического характера в реальном времениМельников Дмитрий Александрович

                  

                  Метод факторного параметрического моделирования и возможностной оценки риска технических системЧеремисин Андрей Игоревич

                  

                  Математическое моделирование и программное обеспечение при обработке гидроакустического сигнала сейсмического (взрывного) характераСафронов Олег Федорович

                  

                  Разработка и реализация эффективных численных методов моделирования и оптимизации на основе метода моментовБелянин Алексей Михайлович

                  

                  Численные методы моделирования и оптимизации в гидродинамике турбомашинЧерный Сергей Григорьевич

                  

                  Методы моделирования объектно-ориентированных данных средствами дескриптивных логикУльянов Владимир Сергеевич

                  

                  Численно-аналитические методы моделирования и диагностики электрофизических процессов в озонаторе и трансформаторе теслаКолчанова Вероника Андреевна

                  

                  Разработка и исследование декомпозиционного метода моделирования дискретных структурДавудпур Марьям

                  

                  Разработка методов моделирования параллельно-конвейерных нейросетевых структур для высокоскоростной цифровой обработки сигналовСтрекалов Юрий Анатольевич