Информационная поддержка принятия решений по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций на промышленных объектах на основе технологий трехмерного геоинформационного моделирования Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 004.922

ИНФОРМАЦИОННАЯ ПОДДЕРЖКА ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЮ И ЛИКВИДАЦИИ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ

НА ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТАХ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИЙ ТРЕХМЕРНОГО ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

© 2019 О. И. Христодуло1, С. В. Павлов2, А. В. Соколова3

1докт. техн. наук, профессор кафедры геоинформационных систем e-mail: [email protected]

2докт. техн. наук, профессор кафедры геоинформационных систем

e-mail:psvgis@mail. ru 3ст. преподаватель кафедры геоинформационных систем e-mail:beldyanova@ya. ru

Уфимский государственный авиационный технический университет

В данной статье рассмотрена проблема использования пространственной информации для информационной поддержки принятия решений по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций на промышленных объектах специалистами различного уровня. Предложено сформировать информационное пространство на основе технологий трехмерного геоинформационного моделирования, обеспечивающее восприятие разнородных элементов окружающей среды как единое целое, предоставляющее возможность целенаправленно и эффективно принимать управленческие решения и позволяющее различным участникам технологического процесса получить наглядное представление о производственном объекте и процессе в комплексе. На основе полученных результатов разработаны алгоритм использования предложенных технологий при оперативном реагировании.

Ключевые слова: информационная поддержка принятия решений, промышленное предприятие, технологии трехмерного геоинформационного моделирования, чрезвычайная ситуация, промышленный объект, оперативное реагирование.

Согласно сравнительной характеристике чрезвычайных ситуаций (ЧС), происшедших на территории Российской Федерации за последнее десятилетие, количество ЧС техногенного характера уменьшилось в несколько раз, при этом их процент от общего числа чрезвычайных ситуаций до сих пор составляет больше половины [1].

Безусловно, положительная динамика объясняется совершенствованием государственной политики в области обеспечения промышленной безопасности (состояние защищенности жизненно важных интересов личности и общества от аварий на опасных производственных объектах и последствий указанных аварий [2]), внедрением компаниями современных технологий при управлении промышленным предприятием, в том числе мониторинговых и аналитических систем [3].

Процесс развития ЧС многофазный, поэтому на государственном уровне регулирование безопасности на промышленном предприятии осуществляется в двух направлениях: 1) снижение риска возможных ЧС, включающее оценку состояния сложных технических систем, мониторинг и прогнозирование аварийных ситуаций, повышение надежности инженерных и технических решений, учет антропогенного фактора, формирование профессиональных кадров в области управления особо опасными производствами; 2) смягчение возможных последствий ЧС за счет повышения уровня осведомленности населения, попадающего в зону возможного ЧС,

составление и реализация планов оперативного реагирования на ЧС и ликвидации их последствий [4].

Таким образом, на каждом этапе развития ЧС формируется комплекс информационных мероприятий (стратегий), эффективность которых может быть повышена за счет современных информационных технологий. Кроме того, процесс принятия решений в области предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций на промышленном предприятии, в частности на его производственных объектах (производственных подразделениях, используемых для осуществления промышленной деятельности [5]), не может рассматриваться без включения специалистов различного уровня, имеющих специализированные знания о них.

В связи с этим требуется сформировать механизм реализации информационной поддержки принятия решений по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций на промышленном объекте для специалистов различного уровня, с применением методов принятий решений на основе анализа возможных альтернативных вариантов развития аварийной ситуации, одним из инструментов которого могут выступать технологии современного трехмерного геоинформационного моделирования.

Для решения проблем информационной поддержки принятия решений по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций на промышленном объекте для специалистов различного уровня рассмотрим подробно информацию, участвующую в данном процессе.

Анализ стратегий управления деятельностью промышленных объектов в области предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций показал, что для эффективного управления необходима комплексная оценка риска, предусматривающая получение большого количества информации, в том числе пространственной и атрибутивной, и ее обработку посредством информационной системы, позволяющей оперативно контролировать существующие источники опасности, а также состояние объектов возможного поражения [6].

В связи с этим в рамках осуществления комплекса мероприятий по уменьшению риска возникновения чрезвычайных ситуаций на промышленных объектах формируется банк данных по промышленным объектам, представляющий собой систематизированный перечень сведений о них и включающий картографические данные об объекте:

-цифровые топографические карты (планы) различных масштабов территории размещения административно-территориальных единиц и самих опасных производственных объектов;

-данные дистанционного зондирования Земли из космоса;

-данные глобальных спутниковых систем позиционирования GPS;

-генеральные планы производственных объектов;

- поэтажные планы, чертежи зданий, расположенных на территории производственных объектов;

-планы тушения пожаров;

- схемы сооружений;

-схемы инженерных коммуникаций и сетей;

- схемы путей эвакуации;

-схемы размещения технологического и противопожарного оборудования;

-фотографии зданий, сооружений и оборудования;

-данные наземного лазерного сканирования.

Христодуло О. И., Павлов С. В., Соколова А. В. Информационная поддержка принятия решений по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций

на промышленных объектах на основе технологий трехмерного геоинформационного моделирования

Все вышеперечисленные данные носят пространственный характер, следовательно, геоинформационные технологии могут быть использованы для информационной поддержки принятия решений на каждом этапе реагирования на ЧС в большей или меньшей степени. Вместе с тем данные технологии предоставляют возможность получить несколько альтернативных стратегий по предупреждению и ликвидации ЧС, точность которых зависит от качества и количества данных.

При этом как на стадии нормального функционирования предприятия, так и во время развития ЧС возникает ряд задач, для решения которых необходимо иметь полное (трехмерное) представление о территории промышленного объекта, чтобы рассмотреть с различных позиций прогнозируемую или существующую чрезвычайную ситуацию и интегрировать на интуитивно понятном уровне специальные знания и опыт участников технического процесса, существующие методики оценки риска, осуществить мониторинговые и прогнозные задачи.

Следует отметить, что трехмерное представление (модель) территории промышленного объекта должно соответствовать требованиям решаемых задач, обладать высокой точностью и хранить информацию о всех объектах моделируемой территории (подземной и наземной части). Поскольку предприятиями накоплены большие объемы двумерных пространственных данных (векторные карты, топографические планы, данные дистанционного зондирования Земли, результаты моделирования) о промышленных объектах, то разработку модели целесообразно осуществлять с применением имеющихся данных.

Для решения проблем обработки и отображения пространственной информации, входящей в состав трехмерных моделей территорий промышленных объектов, двумерные объекты, входящие в состав трехмерной модели, должны быть определены в трехмерном пространстве относительно подстилающей поверхности (рельефа) и друг друга [7].

Пусть плоские двумерные пространственные объекты - точечные, линейные и полигональные - заданы формулами (1-3) соответственно:

'2={{()}{Г =^ (1)

' I I X , у , ч ч

] = 1, П1 , д = 1, Ъ,

(2)

2

Ь

2

Ро12 =

' ро1 ро1 Х1 ' У1

1, П

ро1

Ч

1,Ь,, Г = 1,е„

(3)

Ч

Тогда для определения двумерных объектов в пространстве необходимо задать функцию Т, которая позволит добавить 2-значение для отображения фактического местоположения объекта в пространстве (его базовую высоту).

T =

P2 ^ P3,

iL ^ I?,

Pol2 ^ Pol3,

(4)

где Т - функция, переводящая плоские двумерные пространственные объекты в трехмерные путем определения z-координаты.

Состав, структура и компьютерное представление трехмерной модели промышленного объекта подробно рассмотрены С.В. Павловым и соавторами [8]. С целью создания наиболее приближенной к реальности трехмерной модели промышленных объектов, необходимо обеспечить интеграцию всех видов пространственных объектов, находящихся на его территории. Теоретико-множественное описание объектов, входящих в состав трехмерных моделей производственных объектов [7; 8], позволяет перейти к формализации процесса использования трехмерной пространственной информации для информационной поддержки принятия решений по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций на производственных объектах.

Накопление достоверной и полной информации о производственном объекте, возможных ЧС на его территории и мероприятиях по их предупреждению и ликвидации является основой для создания информационной базы для принятия управленческих решений по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций на промышленных объектах, которые в общем виде можно представить следующим образом:

Md =( A, R, (5)

где Md - множество управляющих решений в случае возникновения ЧС, А -множество допустимых альтернативных вариантов ликвидации и локализации ЧС, R -множество решающих правил выбора наиболее оптимального решения по ликвидации ЧС. При этом множество альтернативных решений может быть получено следующим образом:

I -—^ A, (6)

где I - множество исходной информации о самой ЧС (масштабе, местоположении, характере, факторах, влияющих на ее развитие и другое), об объекте, на котором она возникла (пространственная и атрибутивная), и возможных методах ее ликвидации (планы реагирования на вероятные и опасные ЧС); f - функция порождения альтернативных решений методами моделирования исходной ситуации и прогнозирования возможного развитий ЧС.

Основные факторы, влияющие на ход принятия управляющего решения при развитии чрезвычайной ситуации на промышленном предприятии, можно представить кортежем множеств:

Ф = (О, И, М, П,Ч), (7)

где О - операционное понимание ситуации, И - инфраструктурные (взаимодействие различных инфраструктур в процессе), М - материально-технические

Христодуло О. И., Павлов С. В., Соколова А. В. Информационная поддержка принятия решений по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций

на промышленных объектах на основе технологий трехмерного геоинформационного моделирования

(изношенность оборудования предприятия, средства оповещения и обнаружения аварии, средства ликвидации и локализации и другое), П - природные (климатические, водные, земельные и другое), Ч - человеческие (психологическое и физическое состояние, численность).

Таким образом, множество управляющих решений в случае возникновения ЧС Ыс1 является ограниченным:

М„

т„

.1+

1 I -

< т < т

(8)

где ш1^, ш1^ - граничные значения, обусловленные временными, финансовыми, ресурсными возможностями и потенциальными рисками при реализации управленческих решений, ш\ - 1-ое альтернативное управленческое решение.

Четкое пониманием самой ситуации, объекта, на котором она произошла, и его окружения в оперативных условиях позволяет определить граничные значения, принять эффективное решение и дать ответ на ряд вопросов.

При этом, согласно формуле (6) множество альтернативных решений может быть получено на основе информации о развитии чрезвычайной ситуации путем её моделирования и прогнозирования возможного развития.

Кроме того, следует учитывать (согласно формуле 7), что одним из факторов, влияющих на ход принятия управленческого решения, является человеческий фактор (человек принимает решение по организации превентивных или ликвидационных мероприятий на самом объекте, а также непосредственно принимает участие при выполнении их). В связи с этим система информационной поддержки принятия решений по предупреждению и ликвидации ЧС (Ас) должна предполагать наличие определенного числа экспертов (ас) (специалистов в различных областях знаний) -главный инженер, оператор, начальник подразделения, начальник штаба ликвидации аварии и другие, - осознающих текущую ситуацию (0(8)), осуществляющих аналитическую и деятельную функцию для ее регулирования (Р(8)) и принимающих решение:

Ас =[ас \асе ОД V ас е Р(5)}. (9)

Процесс информационной поддержки принятия решений промышленном объектом в чрезвычайной ситуации предполагает наличие структурной единицы (подразделения) (Н), включающей в себя управляемые специалистом (Ас) компоненты -интеллектуальные (I), материальные (М) и трудовые (Т) ресурсы [9]:

н = {и\и е IV и е м V и е т}, (10)

где к - это элемент структурного подразделения в системе информационной поддержки принятия решений в области предупреждения и ликвидации ЧС на любом промышленном предприятии; Н - структурное подразделение, такое как служба главного энергетика, управление промышленным объектом или группой объектов, автоматизированная система управления объекта, контрольно-пропускной пост и др.

Множество принимаемых решений специалистом (Ас) в соответствии с (1) и управляемым им структурным подразделением имеет следующий вид:

M„

= \nAc \mAc GA = f(I,Vp) л mAc GH} (П)

где / - функция порождения альтернативных решений методами моделирования развития аварийной ситуации на основе исходной информации и собственного опыта специалиста, принимающего решение (точки зрения - V ).

Обычно в процессе информационной поддержки принятия решений по предупреждению и ликвидации чрезвычайной ситуации на промышленном предприятии формальная структура группы управления определяется заранее, отражается в штатном расписании, формальной структуре прав и обязанностей, четком принципе подчиненности специалистов.

Но, как правило, самые масштабные и опасные чрезвычайные ситуации происходят в результате наложения различных причин и факторов, для осуществления ликвидации которых требуется комплексное взаимодействие специалистов, принимающих решение, поскольку ни один отдельный специалист не в состоянии выполнить аварийно-спасательные мероприятия, используя только свое структурное подразделение.

Поэтому коммуникативные действия, направленные на взаимные убеждения, поиск компромиссов, играют ключевую роль в процессах достижения взаимопонимания вовлеченных тем или иным образом людей в процесс информационной поддержки принятия решений в области предупреждения и ликвидации ЧС на промышленном объекте [9]. Достижение консенсуса обеспечивает в конечном счёте снижение неопределённости ситуации до приемлемого уровня. Общую точку зрения ^-го количества специалистов можно описать следующим образом:

ту Общ _

Р ~

%Обш

%Обш

е QV

k =l,q

(12)

Р

Р

В связи с этим одним из подходов для информационной поддержки принятия решений по предупреждению и ликвидации ЧС на промышленном предприятии является организация обработки пространственной информации о промышленных объектах в наиболее наглядном виде (трехмерном). Суть подхода заключается в добавлении получаемой специалистами за счет средств управляемых ими структурных подразделений информации в базу пространственных данных трёхмерной модели производственной площадки при условии ее регулярного обновления:

^ г(Гр, Н] % (13)

Р * Р

где и - это функция обновления пространственной информации в составе трехмерной модели промышленного объекта информацией, полученной от различного уровня специалистов, которые принимают управленческие решения или участвуют в их реализации, за счет интеграции данных, полученных средствами структурных подразделений.

В общем виде процесс информационной поддержки принятия решений по предупреждению и ликвидации ЧС на промышленном объекте, использующем

Христодуло О. И., Павлов С. В., Соколова А. В. Информационная поддержка принятия решений по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций

на промышленных объектах на основе технологий трехмерного геоинформационного моделирования

в качестве механизма принятия общего решения различных специалистов технологии трехмерного геоинформационного моделирования, представлен на рисунке 1.

Рис. 1 Схема информационной поддержки принятия решений по предупреждению и ликвидации ЧС с применением технологий трехмерного моделирования

На основе предложенной схемы разработан алгоритм использования трехмерной пространственной информации при оперативном анализе в случае возникновения чрезвычайной ситуации на промышленном объекте (рис. 2).

В качестве одного из примеров программной реализации рассмотрена система трехмерной визуализации промышленных площадок нефтеперерабатывающего предприятия, которая позволяет использовать трехмерные пространственные данные и тем самым расширяет функциональность информационного обеспечения процесса поддержки принятия решений по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций на них (рис. 3).

В представленной работе решена актуальная задача, имеющая существенное значение для повышения эффективности поддержки принятия при управлении промышленными предприятиями в области предупреждения и ликвидации ЧС за счет разработки и автоматизации методов обработки пространственной информации в трёхмерном пространстве. Предложенные методы и алгоритмы позволяют более

обоснованно и эффективно проводить анализ оперативной ситуации на всех этапах управления промышленными предприятиями в области предупреждения и ликвидации ЧС - путем сближения точек зрения различных специалистов и за счет наглядного и интуитивно-понятного представления специальной информации.

Христодуло О. И., Павлов С. В., Соколова А. В. Информационная поддержка принятия решений по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций

на промышленных объектах на основе технологий трехмерного геоинформационного моделирования

Анализ внутренних планировок сооружений и планов эвакуации из них, средств пожаротушения и сигнализации

Анализ возможных путей проездов аварийно спасательных бригад

Анализ взаимодействия объектов в пространстве, расположенных в зоне ЧС

Анализ возможности возникновения новых аварийных ситуаций на объекте

Смоделировать перемещение аварийно-спасательных бригад по территории объекта

Определить схемы расстановки аварийно' спасательных бригад

Определить безопасные места для организации стабильной связи

Определить месторасположение оборудования, осуществляющего перевод опасного вещества на параллельную линию

Определить оптимальные маршруты персонала эвакуации с территории объекта

Определить меры для обеспечения безопасности местного населения (на основе прогноза развития ЧС)

Рис. 2. Алгоритм использования трехмерной модели при оперативном анализе

в случае возникновения ЧС

ы~ '-■и ьет. I ы ni Ii. чернушг«

ЁЬ Растительность ! Й 152; 500 В- Дороги полигональные Й Бетон

J jJLil

Field

OBJECTID SHAPE Название Схемы эвакуации Тип объекта

Value_

176

MultiPatch Автогараж на 5 г <Raster> > I Здание

Модель сооружения D:\3D модели\Че[

21

Планировка объекта

р В В В В_В S|| П «

Объекты попадающие в зону разрушения

Водонасосная

Объекты не попавшие зону ЧС

Рис. 3. Пример использования трехмерной модели производственной площадки

при оперативном анализе

Библиографический список

1. Министерство Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий [Электронный ресурс]. URL: http://www.mchs.gov.ru/ (дата обращения: 21.01.2019)

2. О промышленной безопасности опасных производственных объектов [Электронный ресурс]: федер. закон Рос. Федерации от 20.06.1997 N 116-ФЗ (ред. от 13.07.2015) // Официальный интернет-портал правовой информации. URL: http://pravo.gov.ru.

3. О федеральной целевой программе «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2015» [Электронный ресурс]: постановление Правительства Рос. Федерации от 7 июля 2011 года N 555 // Официальный интернет-портал правовой информации. URL: http://pravo.gov.ru.

4. Шавалеев Д.А., Абдрахманов Н.Х. Управление промышленной безопасностью объектов топливно-энергетического комплекса на основе анализа и мониторинга рисков // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». 2012. № 6. С. 435-441.

Христодуло О. И., Павлов С. В., Соколова А. В. Информационная поддержка принятия решений по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций

на промышленных объектах на основе технологий трехмерного геоинформационного моделирования

URL: http://ogbus.ru/authors/ShavaleevDA/ShavaleevDA_1.pdf (дата обращения: 21.01.2019)

5. Требования к проведению оценки безопасности эксплуатации производственных зданий и сооружений поднадзорных промышленных производств и объектов (обследования строительных конструкций специализированными организациями): РД 22-01-97

6. Ветошкин А.Г., Таранцева К.Р. Техногенный риск и безопасность. Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2001. 171 с.

7. Христодуло О.И., Павлов С.В., Гизатуллин А.Р., Соколова А.В. Обработка двумерной пространственной информации в составе трехмерной модели промышленного объекта // Печатный научно-технический журнал «Нефтегазовое дело». 2015.№ 1. С. 152-162.

8. Павлов С.В., Ефремова О.А., Соколова А.В. Формализованное описание пространственной информации в составе трехмерных моделей потенциально опасных объектов на основе теоретико-множественного подхода // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2014. Т. 10. № 1. С. 66-72.

9. Виттих В.А. Введение в теорию интерсубъективного управления. Самара: Изд-во «Самарский научный центр РАН», 2013. 64 с