Оценивание риска от опасного влияния водных объектов на основе интервально-вероятностных моделей неопределенности для информационной поддержки управленческих решений

Актуальность темы

.

Водные объекты (ВО) и их использование играют огромную роль в различных отраслях экономики нашей страны. В то же время, организацию водопользования и управления состоянием ВО нельзя осуществлять без учета связанных с ними опасных факторов. К числу таких факторов, способных привести к возникновению чрезвычайной ситуации (ЧС) на той или иной территории, следует отнести гидрологические (недопустимый подъем уровня воды в ВО, который сопровождается затоплением участков местности) и гидрохимические (недопустимое загрязнение воды в этих объектах, прежде всего, промышленными отходами).

В свою очередь, наличие опасных факторов приводит к необходимости оценивания риска от влияния водных объектов на условия жизнедеятельности людей, функционирования предприятий и возможность материальных потерь. Актуальность адекватного оценивания такого риска отражена в Федеральной целевой программе «Снижение рисков и смягчение последствий ЧС природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2010 года».

Исследованию задач прогнозирования опасности, связанной с ВО, и формированию информационной поддержки соответствующих управленческих решений посвящены работы многих отечественных ученых и специалистов: А. Б. Авакяна, В. А. Акимова, С. Е. Беднарука, М. В. Болгова, В. Р. Болова, С. В. Борща, В. Е. Гвоздева, С. В. Павлова, В. Г. Пряжинской, Р. З. Хамитова, А. В. Шевчука и других, а также зарубежных — П. Адамсона, X. Амменторпа, К. Бодри, Й. Кьелдса, Р. Мерца, Д. Тартаковски, И. Рубина, К. Хэвню.

Тем не менее, проблемы получения достоверных оценок показателей риска, относящегося к ВО, еще далеки от полного решения. Сказанное объясняется высоким уровнем неопределенности, с которым приходится сталкиваться в процессе получения указанных оценок. Эта неопределенность вызвана принципиальной невозможностью учета всех влияющих воздействий (гидрометеорологических, водохозяйственных и т. д.) на вероятности возникновения опасных явлений (ОЯ). В силу отмеченных причин даже накопленная статистика не дает достаточных оснований для формирования фиксированных законов распределения рассматриваемых величин и формулирования выводов (например, известно, что максимальные уровни воды для одного и того же ВО, но фиксируемые за промежутки времени 10, 50 или 100 лет, подчиняются разным законам распределения).

В данной ситуации для реализации процедур достоверного оценивания риска целесообразно использовать специальный вид моделей неопределенности — так называемые «интервально-вероятностные модели». Основы этого аппарата заложены в работах С. В. Гурова, И. О. Козина, В. Крейновича, В. П. Кузнецова, Ф. Кулена, Г. де Кумана, П. Уолли, Л. В. Уткина. Однако, предложенные в этой области подходы зачастую дают чрезмерно грубые оценки вероятностей и иных статистических характеристик, так как не ориентированы на рациональное использование всей располагаемой, в том числе, и экспертной информации о свойствах случайных величин.

Указанные обстоятельства обосновывают актуальность темы настоящего исследования, направленного на разработку методов оценивания риска от опасного влияния ВО на базе применения интервально-вероятностных моделей неопределенности, которые, в свою очередь, следует модифицировать с целью уточнения результирующих выводов.

Цель работы.

Целью диссертационной работы является разработка методов и реализующих их алгоритмов оценивания уровней риска от влияния опасных факторов, связанных с ВО, на основе использования интервально-вероятностных моделей неопределенности и осуществление последующего зонирования территорий по уровню риска для обеспечения информационной поддержки принятия управленческих решений.

Задачи исследования.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Формирование модели неопределенности, позволяющей производить оценивание уровней риска для территорий с учетом опасных факторов, которые связаны с ВО, в условиях неполноты информации о видах законов распределения этих факторов.

2. Разработка методов получения интервальных оценок статистических характеристик случайных величин, характеризующих степень опасного влияния ВО на участки территории, при наличии неопределенности в задании законов распределения вероятностей опасных явлений.

3. Разработка метода оценивания меры тяжести потенциальных потерь от возникновения ЧС, связанных с ВО, применительно к рассматриваемым территориям на базе использования интервально-вероятностных моделей неопределенности и моделирования масштабов последствий указанных ситуаций с помощью геоинформационных технологий.

4. Разработка методики зонирования территорий по уровню риска с учетом результатов интервального оценивания вероятности наступления неблагоприятных событий и степени тяжести ожидаемых последствий в рамках использования геоинформационных технологий. Создание программных продуктов, реализующих компоненты подсистемы оценивания риска в составе системы стратегического управления состоянием ВО, а также исследование эффективности разработанных методов в процессе решения задач зонирования территорий по уровню опасности, связанной с этими объектами.

Научная новизна.

1. На основе анализа специфики опасного влияния ВО на участки территории региона сформирована модель неопределенности, с использованием которой можно оценивать статистические характеристики случайных величин, отражающих возможность возникновения ОЯ. Модель отличается тем, что ее построение базируется на применении аппарата интервальнозначных вероятностей. При этом:

— формируемые решения могут быть представлены в виде интервалов значений искомой статистической характеристики и служить обоснованной оценкой, справедливой для множества законов распределения;

— в условиях недостатка или недостоверности накопленных статистических данных о возникновении ОЯ можно привлекать информацию, полученную в виде экспертных суждений;

— последовательное дополнение модели уточненной информацией о свойствах статистических закономерностей ОЯ позволяет улучшить итоговое решение путем сужения интервала ожидаемых значений искомой статистической характеристики (вероятности).

2. Предложен метод оценивания статистических характеристик случайных величин, отражающих влияние ВО, с учетом неполноты информации о распределениях связанных с ними опасных факторов. Метод основывается на отмеченной выше модели неопределенности и отличается тем, что он обеспечивает возможность адекватного оценивания вероятностей ОЯ с использованием только обоснованной исходной информации.

3. Разработана процедура интервально-вероятностного оценивания показателей тяжести последствий от опасных явлений, связанных с ВО, в рамках моделирования ЧС с использованием геоинформационных технологий. Процедура отличается тем, что в процессе ее реализации на электронной карте территории выделяются области потенциального ущерба, статистические характеристики которого задаются интервалами возможных значений.

4. На основе предложенных подходов к определению обеих компонент оценочной функции риска (вероятности неблагоприятных событий и меры тяжести потенциальных последствий) разработаны методика зонирования территорий по уровню риска от опасного влияния ВО с использованием геоинформационных технологий и программный продукт, реализующий положения этой методики в составе подсистемы стратегического управления уровнем риска от опасного влияния ВО.

Содержание методики отличается тем, что при зонировании территорий используются как максимальная (наихудшая), так и минимальная (наилучшая) оценки риска. Это, в свою очередь, позволяет более обоснованно принимать управленческие решения по планированию сил и резервов на случай ожидаемых ЧС.

Практическая ценность и реализация результатов работы По результатам выполненных работ внедрены в отделе водных ресурсов по Республике Башкортостан Камского бассейнового водного управления Федерального агентства водных ресурсов Российской Федерации:

— методика статистической обработки информации о гидрохимических и гидрологических показателях состояния водных объектов;

— методика зонирования и классификации территорий по значениям гидрохимических и гидрологических показателей состояния водных объектов;

— программы моделирования зон затоплений при строительстве и разрушениях гидротехнических сооружений, а также обработки статистической информации и зонирования территорий по степени опасности от влияния водных объектов.

Перечисленные результаты используются при оценивании риска, связанного с использованием водных ресурсов и эксплуатацией гидротехнических сооружений на территории Республики Башкортостан, и позволяют на 22% сократить время, требуемое для выполнения расчетных работ.

На защиту выносятся:

1. Модель неопределенности, позволяющая производить оценивание уровней риска для территорий с учетом опасных факторов, которые связаны с ВО, в условиях неполноты информации о видах законов распределения этих факторов.

2. Совокупность методов получения интервальных оценок статистических характеристик случайных величин, характеризующих степень опасного влияния ВО на участки территории, при наличии неопределенности в задании законов распределения вероятностей опасных явлений.

3. Метод оценивания меры тяжести потенциальных потерь от возникновения ЧС, связанных с водными объектами, применительно к заданным территориям на базе использования интервально-вероятностных моделей неопределенности и моделирования масштабов последствий указанных ситуаций с помощью геоинформационных технологий.

4. Методика зонирования территорий по уровню риска с учетом результатов интервального оценивания вероятности наступления неблагоприятных событий и степени тяжести ожидаемых последствий в рамках использования геоинформационных технологий, а также программный продукт, реализующий указанную методику.

Апробация работы и публикации.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах: Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Проблемы современного машиностроения», УГАТУ, г. Уфа, 2004; Международной молодежной конференции «XXXI Гагаринские чтения», МАТИ, г. Москва, 2005; Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века», г. Пенза, 2006; IX Международной научно-практической конференции «Экология и жизнь», г. Пенза, 2006; V Международной научно-практической конференции «Природноресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России», МНИЦ, г. Пенза, 2007; VII Международной научной школе «Моделирование и анализ безопасности и риска в сложных системах», ИПМАШ РАН, г. Санкт.

Петербург, 2007; V Всероссийской научно-практической конференции «Экология человека: концепция факторов риска, экологической безопасности и управления рисками», МНИЦ, г. Пенза, 2008; Межрегиональной научно-практической конференции «Чистая вода Башкортостана — 2008», Министерство природных ресурсов и экологии РБ, г. Уфа, 2008.

Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 14 источниках, включая 1 статью в издании из перечня, утвержденного ВАК России («Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций»), 8 материалов докладов научных конференций и 1 программный продукт, зарегистрированный в Роспатенте.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из 163 страниц машинописного текста, включающего в себя введение, четыре главы, заключение, список литературы из 118 наименований и три приложения.

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы ее задачи, отмечаются новизна и практическая ценность результатов.

В первой главе рассмотрена специфика опасных факторов и явлений, связанных с водными ресурсами. Выполнен анализ существующих подходов к построению моделей неопределенности в условиях дефицита информации о видах законов распределения случайных величин. В заключительной части главы приведены основные задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке теоретических основ оценивания статистических характеристик величин, характеризующих опасные явления. Разработана модель неопределенности, ориентированная на использование аппарата интервальнозначных вероятностей и позволяющая сочетать имеющуюся статистическую информацию и результаты экспертного оценивания.

В третьей главе работы исследована проблема оценки тяжести потенциальных последствий от влияния опасных факторов, связанных с ВО.

Изложен подход к определению тяжести последствий с использованием моделирования на базе геоинформационных технологий.

Четвертая глава работы посвящена вопросам зонирования территорий по уровню риска. Приведены расчеты показателей риска с использованием реальных данных для ряда участков территории Республики Башкортостан и последующее зонирование территории с учетом выполненного анализа.

В заключении приводятся основные результаты и выводы по диссертационной работе.

В приложении представлены исходные данные для оценивания уровня риска, обусловленного возможностью гидрологических и гидрохимических опасных явлений, и примеры визуализации результатов зонирования территорий региона по этому признаку.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

По итогам выполненного исследования можно сформулировать следующие выводы. В диссертационной работе решена актуальная задача, имеющая существенное значение для повышения эффективности процессов поддержки принятия решений при управлении водными ресурсами за счет разработки и внедрения методов оценивания риска от опасного влияния водных объектов на основе применения интервально-вероятностной модели неопределенности теории. Предложенные методы и алгоритмы позволяют более обоснованно оценивать указанные риски в условиях неполноты, или недостаточной достоверности исходной информации (прежде всего, о видах законов распределения величин, характеризующих опасные факторы).

При решении поставленной задачи получены следующие научные и практические результаты.

1. Предложена модель неопределенности, позволяющая производить оценивание уровней риска для территорий с учетом опасных факторов, которые связаны с водными объектами, в условиях неполноты информации о видах законов распределения этих факторов. Модель предполагает оперирование не отдельным фиксированным распределением опасных факторов, а множеством таких распределений. Это дает возможность более обоснованно делать выводы о значениях показателей риска от влияния указанных факторов (получаемые таким путем оценки имеют вид интервалов вероятных значений рассматриваемых показателей).

2. Разработана совокупность методов получения интервальных оценок статистических характеристик случайных величин, характеризующих степень опасного влияния водных объектов на участки территории, при наличии неопределенности в описании законов распределения вероятностей опасных явлений. Методы учитывают ситуации с различными объемами сведений о законах распределения опасных факторов, связанных с водными объектами, и позволяют находить оценки вероятностей неблагоприятных событий, привлекая и рационально используя всю располагаемую статистическую и экспертную информацию.

3. Разработан метод оценивания меры тяжести потенциальных потерь от возникновения ЧС, связанных с водными объектами, применительно к заданным территориям на базе использования интервально-вероятностных моделей неопределенности и моделирования масштабов последствий указанных ситуаций с помощью геоинформационных технологий. Наличие сведений о границах интервалов величины тяжести последствий дает возможность формировать более обоснованные управленческие решения по предотвращению или смягчению соответствующих последствий.

4. Разработана методика зонирования территорий по уровню риска с учетом результатов интервального оценивания вероятности наступления неблагоприятных событий и степени тяжести ожидаемых последствий в рамках использования геоинформационных технологий. Создан программный продукт, реализующий компоненты подсистемы оценивания риска в составе системы стратегического управления водными ресурсами.