15 декабря 2008

Модель экологических последствий аварий с ЯРОО

МОДЕЛЬ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОСЛЕДСТВИЙ АВАРИЙ С ЯРОО

Рассмотрены актуальные вопросы формирования исходных данных для обеспечения процесса принятия решений при ликвидации экологических последствий аварий с ядерно-радиационноопасными объектами (ЯРОО). В качестве единых исходных данных предлагается использовать модель экологических последствий аварий с ЯРОО, реализованную виде БД среде СУБД Microsoft Accesse. На основе разработанной концептуальной модели предлагается функциональная модель последствий аварий, где в качестве сущностей БД используются рассмотренные выше БФ, а в качестве атрибутов данных сущностей - аргументы (параметры) соответствующих БФ.

При изучении различных явлений и физических ситуаций, исследований процессов функционирования сложных объектов и систем, в том числе таких энергонасыщенных как ядерно-радиационноопасные объекты (ЯРОО) широко применяются соответствующие им модели. Модель является упрощенным представлением действительности. Применяются словесные, символические, физические, математические и другие виды моделей, которые абстрагируют подходящим образом выбранные существенные свойства физических объектов и ситуаций. Общих подходов к построению моделей не существует. В каждом случае модель выбирается исходя из ее целевой направленности.
Авария с ЯРОО представляет собой уникальное явление, поэтому особую актуальность приобретает проблема сбора и анализа информации по каждой конкретной реализации аварийной ситуации или предпосылке к ней. Вероятность его реализации мала, поэтому статистических данных по таким авариям ничтожно. Вместе с тем принципиально возможных вариантов аварий с ЯРОО великое множество. При этом возникает вопрос о том какую информацию необходимо учитывать при формировании таких банков данных, какие параметры являются значительными с точки зрения их влияния как ход мероприятий по ликвидации экологических последствий аварий (ЛЭПА), так и на формирование общего экологического ущерба от аварии.
Мероприятия по ЛЭПА чрезвычайно сложны. В создание, содержание и обучение специалистов аварийно-спасательных формирований (АСФ) вкладываются большие материальные средства. При планировании направлений развития АСФ приходится опираться на большое количество данных, относящихся к предвидимому будущему [1]. Управление системой ЛЭПА в целом и отдельными ее элементами осуществляется в условиях неопределенностей. Решения, принимаемые при этом, должны, по возможности, гарантировать нас от ошибок, связанных с неточным прогнозированием вероятности возникновения различных типов аварий и их экологических последствий и быть достаточно эффективными для широкого круга условий. Для обоснования такого решения необходимо опираться на количественные методы прогнозирования и анализа экологических последствий аварий с тем, чтобы результаты принятых решений были благоприятными, а при оценке полученного экологического ущерба были учтены все его аспекты.
Обобщая сказанное, можно сформулировать следующее заключение. Для решения вопросов оценки масштабов экологического ущерба, совершенствования технического оснащения, состава и структуры АСФ, планирования мероприятий по ЛЭПА и эффективного управления силами и средствами, привлекаемыми к ЛЭПА, актуальной является разработка модели экологических последствий аварий с ЯРОО (в дальнейшем по тексту - Модель). Модель должна представлять собой совокупность показателей и параметров с определением области их возможных значений, характеризующих состояние аварийных объектов и окружающей среды, которые имеют существенное значение при выборе и обосновании направлений совершенствования АСФ, мероприятий по аварийному планированию и реагированию на аварии, оценке экологического ущерба населению и окружающей среде [2].
В Модели должны быть учтены также функциональные зависимости или вероятностные характеристики реализации опасных свойств ЯРОО и масштабов экологических последствий для окружающей среды.
Для своевременного и обоснованного принятия решений и планирования их выполнения необходимо располагать достаточно полной информации ей. Модель рассматривается как один из источников этой информации.
Таким образом, целью разработки Модели является совершенствование методов эффективного управления системой ЛЭПА путем формирования и создания новых и расширения имеющихся банков данных, позволяющих осуществлять информационное обеспечение процесса управления на достаточном уровне.
Модель проектируется как элемент, дополняющий и расширяющий структуру и содержание базы данных, создаваемой в системе поддержки принятия решений (СППР) при ЛЭПА. Она должна стать одним из надежных источников информации при формировании требований к системе ЛЭПА и эффективным инструментом планирования мероприятий по ЛЭПА. Одна из возможных схем использования Модели в СППР показана на рисунке 1.
Исходя из функционального предназначения Модели, ее построение целесообразно осуществлять используя методический подход построения баз данных (БД) [3-5]. Основными этапами разработки БД являются определение источников и объема информации, необходимого для создания БД, ее дальнейшая формализация в виде концептуальных и физических моделей данных и реализация в виде конечного программного продукта. Классическая схема представления информации при создании БД - от требований отдельных пользователей до получения программного продукта - представлена на рисунке 2.

 

 

 

Рисунок 1. Возможная схема использования Модели в СППР.

 

 

Рисунок 2 - Схема представления и видоизменения информации при создании БД.

Локальные пользовательские представления - это исходные представления специалистов различных областей знаний: состав информации, запросы к проектируемой базе данных, вид экранных и отчетных форм. В нашем случае это описание возможных экологических последствий аварий, включающее как описание самого объекта аварии, так и оперативной обстановки и состояния окружающей среды в районе аварии, а также других аспектов, которые могут повлиять на процесс ЛЭПА.
Концептуальная модель данных представляет собой собранные воедино пользовательские представления с условием устранения избыточности данных, описания связей между данными и предоставления возможности различного "взгляда" на данные.
Физическая модель данных - это описание данных в терминах языка выбранной системы управления базами данных (СУБД); расчет размещения данных на магнитных носителях, ожидаемой оперативности отклика на запросы пользователей; разграничение доступа к данным.
Последним этапом проектирования банка данных является написание конечных программных продуктов, предоставляющих пользователям возможность вводить, корректировать, просматривать свои данные; пересылать данные в расчетные задачи; обмениваться данными с другими абонентами; создавать архивы и т.д.
Разработку модели экологических последствий можно рассматривать как этап процесса создания распределенной базы данных включающий разработку структуры БД, определение набора данных и выявлением их взаимосвязей между ними, определение области допустимых значений для каждого аргумента. При таком подходе модель экологических последствий есть по сути концептуальная модель базы данных описывающей все аспекты возможных последствий аварий с ЯРОО, а описание ее в терминах языка выбранной СУБД - функциональная модель БД..
Модель должна включать набор (последовательность) базовых функций (БФ) или, используя информационную терминологию построения функциональных моделей данных - набор сущностей, характеризующих обстановку в районе аварии. Каждая БФ (сущность) имеет ряд аргументов (атрибутов), раскрывающих те или иные параметры функции. Одни и те же аргументы допускается использовать для характеристики различных функций модели, если в этом возникает необходимость.
Каждый аргумент (атрибут) представляет собой вектор, описывающий возможные значения данного параметра, совокупность векторов образует матрицу состояний, характеризующую соответствующую БФ.
Структуру модели можно представить в виде графа вершинами которого являются БФ (сущности), следующих в порядке сложности (от сложной - к простой). БФ более высокого уровня может включать в качестве аргумента БФ следующего, более низкого уровня. Процесс декомпозиции заканчивается на уровне простых аргументов (атрибутов), значения которых можно описать с помощью простых физических величин, числовых или смысловых атрибутов в соответствующих табличных полях создаваемой базы данных [6,7].
Ребра графа определяют те виды отношений, которые существуют между вершинами графа.
Вершины графа изображаются в виде прямоугольников с вписанными внутри их обозначениями БФ и их аргументов.
На структурном графе могут использоваться следующие виды отношений:
а) отношения между множествами (классами) объектов и процессов, которые описывают БФ;
б) отношения между множествами (подмножествами) и их элементами;
в) отношения возможности перехода (одновременного присутствия) элемента одной БФ в другую (другой) БФ;
г) отношение соответствия. Оно символизирует существование определенного правила соответствия, в том числе в виде функциональной зависимости, между аргументами БФ и параметрами.
Модель включает в себя две основные группы БФ:

1. БФ, характеризующие район аварии (РА) и состояние окружающей среды в районе аварии;

Исходной точкой (вершиной) графа, отображающего структуру Модели является БФ, описывающая исходные данные по аварии область значений типов аварии определяется исходя из модели аварийных ситуаций разрабатываемой для каждого типа ЯРОО, а построение модели осуществляется для каждой конкретной реализации той или иной аварийной ситуации (реальной или гипотетической).
При формализованном описании РА прежде всего следует учитывать те характеристики, которые имеют определяющее значение при проведении оперативного прогноза экологических последствий аварий, расчете требуемых сил и средств для их ликвидации. К ним относятся географические, климатические и социально-экономические характеристики РА
Поэтому в Модели для описания района аварии и состояния окружающей среды в районе аварии используются следующие БФ (сущности):
БФ «Электронные карты района аварии», описывающих географические и социально-экономические характеристики РА. В настоящее время наиболее полным источником получения информации о географических, климатические и социально-экономических характеристиках того или иного района служат электронные карты местности (ЭКМ) созданные на основе ГИС-технологий, тогда в качестве аргументов рассматриваемой БФ целесообразно использовать описательные атрибуты ЭКМ и соответствующих им тематических слоев;
БФ «Метеоусловия в районе аварии». Для описания БФ «Метеоусловия в районе аварии» должны использоваться метеоданные, которые могут поступать по различным каналам (статистические данные годовых измерений, прогнозные данные Росгидромета, данные, получаемые путем прямых замеров с помощью полевых метеостанций);
БФ «Расстояния от места аварии до мест постоянной дислокации АСФ»;
БФ «Характеристики АСФ». Важным параметром, определяющим в первую очередь временные показатели процесса ЛЭПА, являются БФ «Расстояния от места аварии до мест постоянной дислокации АСФ». При известных значениях географических координат места аварии и мест постоянной дислокации АСФ, а также наличии тематических слоев, отражающих транспортные сети, в ГИС эти расстояния можно определить используя стандартные процедуры. Существующая в НИЦ БТС БД по АСФ имеет указанные данные. Информационное взаимодействие между существующей БД по АСФ и разрабатываемой моделью осуществляется путем использования в модели БФ «Характеристики АСФ», являющейся одновременно элементом обоих БД;
БФ «Характеристики зон РЗМ». Данная БФ определяет размеры зоны РЗМ при аварии ЯРОО. Расчет параметров зон по представленным исходным данным производится с использованием отдельной расчетной программы, результаты расчета представляются в виде соответствующей БФ и графических изображений (тематических слоев) на ЭКМ.
Аналогичным образом формируются следующие БФ:
БФ «Характеристики зон поражения личного состава и населения от РЗМ»;
БФ «Характеристики зон разрушения»;
БФ «Характеристики зон поражения личного состава и населения при взрыве».
Указанные выше параметры в качестве исходных данных потребуются при разработке предложений по выбору конкретных АСФ, которые целесообразно привлечь к ЛЭПА, маршрутов их доставки в район аварии, оценке возможности использования автомобильной и другой специальной техники в процессе ЛПА, определению необходимого объема подготовительных работ по обеспечению доступа к объекту аварии (ОА), оценке последствий аварии для населения и объектов инфраструктуры, находящихся в РА, разработке необходимых мер по снижению или устранению возможности усугубления негативных последствий аварии.
Следует отметить что набор характеристик района аварии возможно расширять и уточнять по мере накопления статистики или получения информации с места в случае конкретной аварии.

2. Базовые функции, характеризующие ОА и его состояние после аварийных воздействий.

При формировании модели экологических последствий аварий будем использовать ОА трех уровней, каждый из которых описывается определенным набором параметров:
ОА верхнего уровня - группа транспортных средств (ТС) (ж.д. эшелон, автоколонна), хранилища ЯРОО;
ОА среднего уровня - ТС (автомобиль, вагон, самолет и т.д.), хранилище, перевозящие или включающие в себя ЯРОО;
ОА низшего уровня - автономный ЯРОО (в контейнере или без него);
Состав ОА определяется действующими положениями и инструкциями в зависимости от его назначения.
Имея в виду, что взаимозависимость вертолетов, самолетов и кораблей в соответствующих группах с точки зрения изменения их состояния при аварии незначительна, параметры, характеризующие состав и взаимное расположение элементов в данных группах в Модели, представляется возможным не рассматривать.
Структура данной части Модели формируется по «принципу матрешки»: БФ ОА верхнего уровня включает БФ состояния данного ОА и набор БФ, описывающих ОА более низкого уровня, при этом количество БФ ОА низшего уровня соответствует количеству ОА данного уровня, входящих в состав ОА более высокого уровня. Каждой БФ, отражающей ОА независимо от его уровня соответствует БФ, характеризующая состояние данного ОА, после аварийных воздействий.
Для ЛПА основное значение имеет следующая информация о ОА:
расположение ОА на месте аварии;
положение ОА относительно осей (нормальное, на раме, на крыше и т.п.);
повреждения ОА полученные в результате аварии.
Охватить все возможное поле множеств повреждений ОА, полученных в результате аварии, практически невозможно. В каждой конкретной аварии ОА могут иметь различные повреждения, характер которых предсказать заранее также невозможно.
Исходя из этого, в Модели все поле множеств различных повреждений объединено в следующие классы:

  • ОА не имеет повреждений;
  • повреждения, не влияющие на возможность штатного извлечения ЯРОО из ОА (под штатным понимается возможность извлечения ЯРОО из ОА с помощью штатных грузоподъемных и грузозахватных устройств при условии нормального функционирования основного оборудования грузовых отсеков (кузовов) ОА или путем бескрановой перегрузки ЯРОО из ОА, если для обеспечения доступа к ЯРОО не требуется применения дополнительных нештатных средств);
  • повреждения, исключающие возможность штатного извлечения ЯРОО из ОА;
  • полное разрушение ОА.

Большое влияние на алгоритм ЛЭПА будет оказывать горение ОА в момент производства работ по ЛПА, поэтому при формировании модели необходимо указывать о наличии пожара тех или иных ОА на текущий момент времени. При этом большое значение имеет информация о характере пожара ОА, в том числе о времени начала пожара, текущей температуре и интенсивности нагрева. Фактор пожара ОА может присутствовать в любом классе повреждений.
Единство модели определятся взаимосвязями между данными БФ либо их аргументами.
Структурный граф Модели реализованный в виде концептуальной модели БД созданной с помощью Microsoft Accesse изображен на рисунке 3. Кроме структурной части, модель включает в себя и описательную часть, где дается более точная информация по отдельным аргументам модели в виде численных, графических или иных представлений. На основе разработанной концептуальной модели в среде СУБД Microsoft Accesse создана функциональная модель экологических последствий аварий, где в качестве сущностей БД используются рассмотренные выше БФ, а в качестве атрибутов данных сущностей - аргументы (параметры) соответствующих БФ. Практической реализацией данной модели является разработанный в НИЦ БТС МО РФ макет БД «Аварии ЯРОО» описывающий полный спектр возможных последствий аварий с ЯРОО. Экранная форма данной БД, используемая для ввода исходных данных, отображена на рисунке 4.
Разработанная модель может быть использована для:

  • создания БД по реальным авариям с ЯРОО;
  • формирования полного спектра исходных данных для принятия решений при ЛЭПА;
  • обоснования организационно-штатной структуры АСФ;
  • обоснования тактико-технических требований к техническим средствам ЛЭПА;
  • разработки методов планирования работ по ЛЭПА;
  • оценки ущерба от аварии и прямых затрат на ЛЭПА.

Рисунок 3. Структурный граф модели экологических последствий реализованный в виде концептуальной модели БД «Аварии ЯРОО»

Рисунок 4. Экранная форма данной БД «Аварии ЯРОО», используемая для ввода исходных данных

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Предупреждение и ликвидация чрезвычайных ситуаций структурами МЧС. Информационный ресурс - http://www.mchs.emermos.ru/acko/education/prevention/index.html
2. Кини Р.Л., Райфа Х. Принятие решений при многих критериях: предпочтения и замещения: Пер. с англ./Под ред. И.Ф.Шахнова. - М.: Радио и связь, 1981.
3. Назаров С.В., «Компьютерные технологии обработки информации», М., «Финансы и статистика», 1995г.
4. Вендров А.М., «Современные методы и средства проектирования информационных систем», М., 1996 г.
5. Круперштейн В.И., «MS Office и Project в управлении и делопроизводстве», СПб., 2001 г.
6. Шабунин С.И., Метод обоснования состава сил и средств, привлекаемых к ликвидации последствий аварий с ЯРОО: Дис. канд. техн. наук:, СПб., 1995.
7. Шабунин С.И., Методические принципы оценки эффективности функционирования информационно-аналитической системы поддержки принятия решений при ликвидации последствий аварий с ЯРОО: ВА им. Петра Великого; М., 2008.