Использование учебно-тренажерного комплекса оценки чрезвычайных и кризисных ситуаций в образовательном процессе кафедры прикладной математики и информационных технологий

(Доклад на заседании ученого совета Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России в ноябре 2009 г.)

Программный комплекс предназначен для оценки комплексного индивидуального риска чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера.

Программный комплекс может быть использован в области разработки мероприятий по защите населения и территорий.

В методике применяется вероятностный подход при определении показателей комплексного риска для населения.

Вероятностный подход обусловлен тем, что ситуация, в которой могут оказаться люди, носит ярко выраженный случайный характер. Невозможно достоверно определить интенсивность поражающего фактора в районе расположения отдельных элементов риска. При воздействии одинаковых поражающих факторов на однотипные элементы риска, будет существовать разная вероятность поражения этих элементов риска.

При расчетах комплексного индивидуального риска делалось допущение о независимости событий – поражения людей при чрезвычайных ситуациях природного и техногенного характера.

При оценке КИР учитывалось, что поражение людей зависит как от перечисленных факторов, так и от ряда других случайных событий. В частности, от вероятности размещения людей в зоне риска, плотности расселения в пределах населенных пунктов.

Принимается, что значения индивидуального риска, в основном, определяются частотой аварии и интенсивностью поражающего фактора (моделями воздействия) и сопротивлением элементами риска этому воздействию (законами поражения).

Методика учитывает вероятность гибели людей от природных катастроф: землетрясений; наводнений; лесных пожаров; ураганов; лавин; селей; вулканов; цунами; и техногенных аварий на химически опасных объектах; пожаровзрывоопасных объектах; радиационно-опасных объектах.

В качестве поражающего фактора при расчете последствий ЧС принимается фактор, вызывающий основные разрушения и поражения. Основные параметры поражающих факторов ЧС природного и техногенного характера приведены в табл. 1.

Таблица 1

Поражающие факторы и их основные параметры

Виды ЧС	Поражающие факторы	Параметры
Землетрясение	Сотрясения грунта	Интенсивность сотрясений
Взрывы	Воздушная ударная волна	Избыточное давление во фронте воздушной ударной волны
Пожары	Тепловое излучение	Плотность теплового потока
Цунами; прорыв плотин	Волна цунами; волна прорыва	Высота волны; максимальная скорость волны; площадь и длительность затопления; давление гидравлического потока
Радиационные аварии	Радиоактивное загрязнение	Доза излучения
Химические аварии	Химическое заражение	Токсодоза

Для оценки возможных социальных потерь в больших населенных пунктах город разбивается на элементарные площадки, а их координаты представляются точкой, расположенной в центре площадки. Затем показатели, полученные для отдельных площадок, суммируются.

Интервалы изменения КИР для построения тематических карт принимаются в соответствии с табл. 1.2.

Таблица 1.2

Интервалы изменения значений ИКР для операторов – персонала – населения

Номер интервала	Границы интервала	Качественное определение интервала
1 2 3 4 5 6 7 8	Значения близкие к 0…0.2510–5 0.2510–5…0.510–5 0.510–5…1.010–5 1.010–5…5.010–5 5.010–5…10.010–5 10.010–5…20.010–5 20.010–5 …100.010–5 более 100.010–5	пренебрежительно малый малый незначительный умеренный средний высокий весьма высокий недопустимо высокий

Точность расчета определяется следующим образом. Прогнозируются потери населения при первой подготовке исходных данных. Затем число элементарных площадок увеличивают и производят повторное вычисление. Если выполняется условие:

,

то вычисления заканчивают.

В формуле приняты обозначения:  – погрешность расчетов; М1(N), M2(N) – математическое ожидание потерь населения соответственно при последнем и предыдущем расчетах; [] – допускаемая погрешность (целесообразно принимать  = 0.05).

Назначение и область применения программного комплекса:

Учебно-тренажерный комплекс оценки последствий чрезвычайных и кризисных ситуаций предназначен:

а) для расчета рисков на основе прогнозирования чрезвычайных ситуаций (ЧС) техногенного и природного характера. Обеспечивает оценку индивидуального, комплексного индивидуального, коллективного рисков последствий ЧС;

б) для выработки предложений по поддержке принятия решений и планирования ликвидации последствий ЧС.

Его применение возможно для моделирования последствий как возможных, так и реальных ЧС.

В качестве основных документов для построения методик расчета используются положения:

- стандарта ГОСТ Р 12.3.047-98. Систем стандартов безопасности труда. Безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля.;

Методики прогнозирования заражения сильнодействующими ядовитыми веществами при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и транспорте. РД 52.04.253-90.

Комплекс обеспечивает поддержку принятия решений и планирования ликвидации последствий ЧС.

Обеспечение поддержки принятия решения включает:

– формирование выводов из оценки обстановки в виде формализованного документа;

– формирование отчетных документов по табелю срочных донесений (донесения ЧС);

– расчет потребного количества сил и средств для ликвидации последствий ЧС.

Обеспечение планирования мероприятий по ликвидации последствий ЧС включает:

– формирование оптимального состава сил и средств (группировки сил);

– формирование варианта решения в виде формализованного документа.

Исходными данными для оценки последствий техногенных ЧС являются:

– расположение производственных, административных и жилых зданий;

– численность людей в зданиях, на местности;

– расположение источников ЧС, различного оборудования и их характеристики (размеры, количество, вид вещества и т.д.);

– сценарии возникновения ЧС (например, пролив ЛВЖ, испарение и последующий взрыв парогазового облака; возгорание ЛВЖ в резервуаре и т.п.);

– погодные условия;

– частоты возникновения различных сценариев аварий.

Исходными данными для оценки последствий ЧС природного характера являются геофизические характеристики местности (например, сведения о рельефе поверхности суши), погодные условия.

К пожаровзрывоопасным объектам относят:

– предприятия, в производстве которых используются взрывчатые или имеющие высокую степень возгораемости вещества;

– трубопроводный транспорт энергоресурсов;

– склады хранения легко воспламеняющихся газов и жидкостей.

По каждому из типов объектов готовится информация, характеризующая указанные виды конкретных объектов. Например, по хранилищу нефтепродуктов указывается: тип вещества, объем вещества в одном резервуаре, общий объем вещества в хранилище, условия хранения (наземное, заглубленное), год ввода в эксплуатацию, плотность людей на расстоянии до 500 м от объекта.

Риск

Индивидуальный риск определяется по формуле:

где Rei – индивидуальный риск при i-ой ЧС; Н – частота возникновения чрезвычайной ситуации за год; Р – вероятность наступления неблагоприятного события при условии, что случилась ЧС.

Размерность ИР имеет вид 1/год.

Коллективный риск оценивается как ожидаемое число пораженных за год:

Ri=H*M(N),

где Н – вероятность наступления ЧС за год; M(N) – математическое ожидание потерь населения.

Комплексный индивидуальный риск:

где n – число рассматриваемых ЧС.

Вероятность поражения населения в пределах некоторой достаточно малой площадки с учетом возможности поражающего фактора различной интенсивности:

где Ф_min, Ф_max – соответственно минимально и максимально возможное значение поражающего фактора для рассматриваемой ЧС; Р(Ф) – параметрический закон поражения людей; f(x, y, Ф) – функция плотности распределения интенсивности поражающего фактора в пределах площадки с координатами (х, у).

Математическое ожидание потерь людей в пределах населенного пункта определяется:

,

где S – площадь населенного пункта; ψ(х, у) – плотность населения в пределах рассматриваемой площадки. Эта величина может быть вычислена с учетом миграции населения в населенном пункте в течение суток.

Прогнозирование ЧС техногенного и природного характера включает:

1. Расчет интенсивности теплового излучения и его последствий при авариях, связанных с проливом ЛВЖ и ГЖ. Рассматриваются варианты:

– пожар внутри емкости;

– в обваловании;

– за пределами обвалования.

2. Расчет избыточного давления и его последствий при авариях со взрывом:

– взрыв газопаровоздушной смеси (ГПВС);

– взрыв резервуаров с перегретой жидкостью или сжиженным газом;

– взрыв емкостей со сжатым газом;

– взрыв емкости с негорючим или горючим сжиженным газом;

– взрыв твердых взрывчатых веществ (ТВВ);

– взрыв пылевоздушных смесей (ПВС).

3. Моделирование обстановки при авариях на химически опасных объектах.

4. Прогнозирование обстановки при наводнениях.

1. Расчет интенсивности теплового излучения и его последствий при авариях, связанных с проливом ЛВЖ и ГЖ.

Приложение предназначено для оценки параметров горения разливов ЛВЖ и ГЖ, определения степеней поражения людей и воспламенения материалов в результате теплового излучения.

Выполняемые расчеты:

– расчет параметров теплового излучения;

– расчет вероятности поражения людей и воспламенения материалов;

– формирование отчетов в виде таблиц и графических документов, в том числе, оценка обстановки для поддержки принятия решения в виде формализованного документа;

– предложения по планированию мероприятий по ликвидации последствий ЧС.

2. Расчет волн давления и последствий при авариях со взрывом.

Позволяет оценить параметры воздушной ударной волны, вероятности поражения людей и повреждения зданий при авариях со взрывами смесей в открытом пространстве.

Выполняемые расчеты:

– расчет параметров воздушной ударной волны;

– расчет вероятности поражения людей и повреждения зданий;

– текстовое представление сводного отчета;

– графическое представление зависимости характеристик ударной волны от расстояния;

– табличное представление радиусов зон поражения людей и повреждения зданий.

В результате формируется отчет в виде текстового, графического и табличного документов.

3. Моделирование аварий на химически опасных объектах.

Выполняемые расчеты:

– отображение на электронной карте зоны возможного заражения. Зоны поражения могут составлять несколько сотен метров или достигать сотен километров. Размер зоны зависит от количества вещества, скорости ветра (с увеличением скорости ветра зона уменьшается), температуры воздуха, состояния атмосферы. Программа производит оценку заражения местности в радиусе до 10 км с учетом заражения от первичного и вторичного облака;

– расчет вероятности поражения людей на открытой местности и в зданиях (вероятность поражения и число пораженных);

– результаты сравнительного положения людей при различных защитных мероприятиях;

– формирование списка зданий и сооружений, попавших в зоны заражения из которых необходима эвакуация людей.

На карте отображается:

– точкой синего цвета место аварии;

– ось следа распространения зараженного воздуха;

– синим цветом наносится контур зоны возможного заражения в виде окружности, полуокружности или сектора;

– желтым цветом штрихуется зона возможного химического заражения.

Если скорость ветра:

– не превышает 0,5 м/с, то зона отображается в виде окружности;

– составляет 0,6 до 1,0 м/с, то зона отображается в виде полуокружности;

– превышает 1 м/с, то зона отображается в виде сектора.

4. Прогнозирование обстановки при наводнениях.

Моделирование наводнений обеспечивает:

– отображение на электронной карте зоны возможного затопления;

– отображение на электронной карте глубин в любой точке затопления;

– формирование списка объектов и населенных пунктов, попадающих в зону затопления;

– расчет показателей риска в любой точке местности.

Для проведения расчетов должна быть предварительно подготовлена матрица рельефа для заданного района и карта местности с указанием водомерных постов на исследуемых реках.

Сценарии для оценки риска

При авариях на опасных объектах возможно несколько вариантов развития событий. Каждое событие может происходить со своей вероятностью. Совокупность событий отображают в виде дерева. Сумма вероятностей событий в пределах одного дерева событий не должна превышать 1. Например, при аварии емкости с нефтью возможны следующие события:

– пожар;

– взрыв топливно-воздушной смеси (ТВС).

В свою очередь, при пожаре возможны варианты:

– пожар в резервуаре;

– пожар в обваловании;

– пожар за пределами обвалования.

Описание сценариев производится в специальной форме, которая отображается после запуска задачи «Подготовка».

Приемы работы с графической информацией

Геоинформационная система комплекса программ призвана обеспечить расчетные задачи необходимыми исходными данными для проведения оценок рисков. С ее помощью проводят расчеты последствий ЧС природного и техногенного характера, получают и корректируют картографическую информацию, наносят и удаляют объекты.

Для пользователя геоинформационная система, в первую очередь, представляется в виде электронной карты, содержащей:

– географическую карту;

– сведения о рельефе местности;

– сведения о совокупности объектов искусственного происхождения (населенных пунктов, транспортной инфраструктуры, жилых домов, АЗС и т.п.).

В целях упрощения разработки, хранения, корректировки, отображения объектов на электронной карте все объекты распределены по определенным категориям – так называемым слоям. Каждый слой содержит конкретные сведения, например, один слой содержит сведения о жилых зданиях, другой – объекты железных дорог, третий – сведения о пожароопасных объектах и т.д. Таких слоев в проекте несколько десятков. Описание слоев, характеристики их объектов хранятся в базе данных ГИС.

Пользователь имеет возможность управлять характеристиками слоев. Включение опций:

– видимости слоя позволяет отображать объекты слоя;

– выбираемости слоя дает возможность выбора объектов слоя, отображения их характеристик;

– редактируемости предоставляет возможность добавления новых объектов в слой, редактирования их характеристик, удаления объекта слоя.

Пользователь может создавать новые слои и заносить на них новые объекты.

Для операций с ГИС служат кнопки графического меню. Нажатие на конкретную кнопку (кнопки перечислены по порядку):

– активизирует инструмент «Выбор». Позволяет выбирать объекты с помощью мышки;

– активизирует инструмент «Выбор» в области. Применяется для выбора объектов с помощью полигона (замкнутого многоугольника, очерченного на карте). Объекты выбранного слоя, попавшие внутрь полигона, становятся выбранными;

– активизирует инструмент увеличения выбранного прямоугольного фрагмента карты. Фрагмент карты выделяется как при рисовании объекта в любом графическом редакторе;

– приводит к двукратному увеличению масштаба изображения (уменьшению размера изображения);

– отображает всю карту проекта;

– активизирует инструмент произвольного перемещения карты в окне без изменения масштаба;

– вызывает диалог «Управление слоями» проекта;

– активизирует инструмент получения справки о картографическом объекте.

Комплекс программ обеспечивает выполнение основных и вспомогательных операций с ГИС и объектами.

Вспомогательные операции выполняются с помощью диалоговых окон или путем непосредственной работы с картой.

В комплексе не предусмотрен откат выполненных действий. Отменить действия возможно только путем повторного редактирования параметров в соответствующем окне или выделения соответствующих объектов на электронной карте.

Основные операции по расчету рисков выполняются с помощью диалоговых окон. Структура окон и порядок действий пользователей при решении различных задач во многом аналогичны. Расчет может проводиться или по постоянным объектам, хранящимся в базе данных проекта, или по вновь создаваемым и наносимым пользователем на карту объектам.

В первом случае следует выбрать объект, скорректировать его характеристики и запустить задачу на проведение расчета. Результаты расчета формируются в виде:

– краткой справки, например в виде таблицы;

– зон поражения или риска на карте;

– отчетных документов в формате MS Word;

– срочных донесений по форме 1ЧС и 2ЧС;

– предложений по применению сил и средств на ликвидацию последствий ЧС.

Во втором случае сначала необходимо нанести объект на карту, описать его характеристики. Последующие действия аналогичны указанным выше.

Каждая задача обеспечивает расчет последствий ЧС от одного или от нескольких опасных объектов, при этом объект может включать один или несколько источников аварий.

Комплексный риск можно оценить, если предварительно решить все частные задачи. Последовательность выполнения частных задач роли не играет. Запуск расчета комплексного риска можно произвести из любой задачи.

Примеры расчетов:

– двухмерная визуализация объектов (2d);

– трехмерная визуализация объектов (3d) – взрыв 400 тонн тротила;

– расчет рисков на пожаровзрывоопасных объектах;

– индивидуальный потенциальный риск от струйного горения при авариях на газопроводах;

– взрыв ТВС на газопроводе с учетом дрейфа облака;

– зонирование территории резервуарного парка по потенциальному территориальному риску;

– расчет последствий наводнения.

(А.Б. Доильницын – заместитель начальник университета по воспитательной и правовой работе )