Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]

Математическое моделирование и методы оценки рисков в чрезвычайных ситуациях геодинамического характера

Автореферат кандидатской диссертации

 

На правах рукописи

ДАНИЛОВ РОМАН МИХАЙЛОВИЧ

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ

РИСКОВ В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ

ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО ХАРАКТЕРА

Специальность 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы

и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Хабаровск - 2012

2

Диссертационное исследование выполнено в ФГКОУ ВПО Дальневосточный юридический институт МВД России

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Минаев Владимир Александрович (НОУ ВПО "Российский новый университет")

Официальные оппоненты:

Сергей Владимирович Дворянкин, доктор технических наук, профессор, проректор Национального исследовательского ядерного университета МИФИ, и.о. декана факультета Кибернетика и информационная безопасность

Сергей Николаевич Тростянский, доктор технических наук, профессор кафедры физики Воронежского института ГПС МЧС России.

Ведущая организация: Академия государственной противопожарной службы

МЧС России (г.Москва)

Защита состоится л10 июля 2012 г.аа в 13 часов, в ауд. № 215 /1 корп.аа на заседании диссертационного совета Д 203.004.01 в Воронежском институте МВД России по адресу: 394065, г. Воронеж, пр. Патриотов, 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского института МВД России.

Автореферат разослан л9 июня 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного советаа Голубинский Андрей Николаевич

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 гео динамических процессов.

4

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 приро дно-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 приро дно-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

5

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.

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.

1. 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.
2. 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:

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

6

различных объектов с учетом природных, техногенных и антропогенных факторов;

1. создания эффективных геодинамических моделей среды распределенных природно-технических систем различного масштабного уровня и целевого назначения и их вероятностной оценки;
2. 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;
3. 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.

1. Комплекс математических моделей оценки риска чрезвычайных ситуаций гео динамического 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 гео динамического характера.
3. Алгоритмы и комплексы программ оценки риска чрезвычайных ситуаций геодинамического происхождения.

7

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.

8

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы, формулировку цели и задач работы, основные положения, выносимые на защиту, и определяет содержание и методы выполнения работы. Также показана научная новизна и практическая значимость основных результатов проведенных исследований.

В первой главе Методы оценки риска чрезвычайных ситуаций геодинамического характера показано, что в современных условиях, ввиду значительного увеличения чрезвычайных ситуаций, необходим более совершенный научно-методический аппарат, учитывающий всю совокупность факторов, влияющих на безопасность землепользования и жизнедеятельности, а также требуется разработка новых математических моделей и методов, позволяющих выполнять соответствующие количественные оценки и прогнозы риска чрезвычайных ситуаций.

Также показано, что одними из специфических и весьма значимых видов риска чрезвычайных ситуаций в РПТС являются проявления опасностей, тесно связанных с так называемыми катастрофами (реализацией процессов геодинамического происхождения, таких как карстово-деформационные процессы, крип, оползни, провалы, проседания), влияющими на технологическое состояние геосреды, сооружения, сети коммуникаций, психические и медико-биологические показатели населения.

Отмечено, что используемые в настоящее время математические методы оценки рисков геодинамического происхождения основываются на анализе пространственно-временных рядов наблюдательных данных. Однако не для всех территорий известны подобные ряды данных. Необходим единый, универсальный математический метод, позволяющий в прогностическом смысле по косвенным признакам количественно оценивать риск чрезвычайных ситуаций геодинамического происхождения для распределенных природно-технических систем. Практическую реализацию такого метода предлагается осуществлять на базе математических моделей оценки напряженно-деформированного состояния геосреды распределенных природно-технических систем.

Во второй главе Математические модели оценки риска чрезвычайных ситуаций геодинамического характера рассмотрен комплекс математических моделей оценки геодинамической устойчивости среды распределенных природно-технических систем и математических моделей оценки риска чрезвычайных ситуаций геодинамического характера для РПТС различного масштабного уровня.

Построены и рассмотрены двумерные математические модели оценки геодинамической устойчивости геосреды РПТС. Отмечено, что достаточно важным моментом при этом является установление соответствия математической формы описания распределенной нагрузки, приложенной к нижней поверхности модели и реальных геофизических данных о возмущениях, производимых на эту поверхность.

Показано, что поскольку в настоящей работе распределенная нагрузка определяется на основе данных аномального гравитационного поля, то это ис-

9

ходное поле необходимо интерпретировать, т.е. преобразовать его таким образом, чтобы в каждой расчетной точке численно учитывать значения этого поля применительно к выбранной модели.

Отмечено, что наиболее распространенным способом преобразования поля является его трансформация, сводящаяся к фильтрации наблюдаемого поля с целью выделения полезной информации и подавления помех. Все свойства трансформации полностью определяются ее частотной характеристикой и поэтому анализ трансформаций (как профильных, так и площадных) сводится к анализу их частотных характеристик.

На практике применяют не теоретические трансформации, а их приближения, т.е. определенным образом сконструированные вычислительные схемы. Основной базой применяемых алгоритмов для проведения практических трансформаций (построения вычислительных схем) являются тригонометрические полиномы, т.е. отрезки рядов Фурье.

Рассмотрена система уравнений в перемещениях в форме Ламе для двумерного случая. Воспользовавшись данными соотношениями, были получены выражения для компонент тензора напряжений (для произвольной и-ой гармоники):

k(B + Dz) + C

2A + ju Я + ju

shkz+

k(A + Cz) + D

2A + ju Я + ju

chkz > cos кх.

V

V

C-

Я + ju

-k(B + Dz)

shkz+

D-

Я + ju

-k(A + Cz)

chkz > cos kx,

(1)

k(A + Cz) + D

Я

Я + /л

shkz+

k(B + Dz) + C

Я

Я + /л

chkz> sin kx,

Для определения коэффициентов А, В, С, Dна рассматриваемый упругий слой прямоугольный формы должны быть наложены граничные условия. В связи с этим рассмотрено несколько моделей, отличающихся друг от друга видом граничных условий и способом задания нагрузки.

МОДЕЛЬ А.Предполагается, что к нижней поверхности модели геосреды РПТС вертикально снизу вверх приложена нагрузка вида f(x) = PBcoskx(где Рв - величина возмущения на нижней границе модели геосреды РПТС), которая в настоящий момент времени принимается постоянной, и заданы следующие граничные условия на верхней и нижней поверхностях слоя (границах модели геосреды РПТС):

(2)

\rД(x,h) = 0,аа az(x,h) = 0,

Txz(х>) = > <7Z(х,0) = Рв cos kx.

МОДЕЛЬаа В.В этой модели полагается, что возмущения, оказываемые

распределенной нагрузкой на нижнюю поверхность модели геосреды РПТС,

действуют строго горизонтально и изменяются с расстоянием по закону вида

f(x) = Рг sin fee (где Рр- величина возмущения на нижней границе модели). То-

10

гда граничные условия в данном случае для верхней и нижней поверхностей слоя соответственно можно записать в следующем виде:

'тД(х,К) = 0,аа az(x,h) = 0,

(3) <jzО,0) = 0, rxz(х,0) = РА sin кх.

МОДЕЛЬ С.Предполагается, что в этой модели известны дискретные значения величин этой нагрузки/?(3сг>) (где / = 1,...,п), заданные с некоторым фиксированным постоянным шагом по оси X. В таком случае распределенная нагрузка, известная по своим дискретным значениям с их заданным постоянным шагом, представляется в виде следующего тригонометрического ряда:

mг* L

P(x) = ^pnsmkx, рп =Ч jp(x)smkxdx,(4)

и=1 -^ о

При вычислениях по этим моделям расчеты были произведены для прямоугольного слоя длиной MN= 200 км и толщиной 40 км с шагом по горизонтальной оси AL= 5 км и Ah= 2 км - по вертикальной при величине нагрузки Р = 105 Па. Полученные значения напряжений варьируют по порядку в пределах от 106 до 107 Па и соответствуют данным по континентальным платформам (порядка 106- 107 Па). Наилучшее соответствие расчетов данным приборных исследований показало использование модели А, которая и была применена далее при решении задачи оценки риска ЧС геодинамического характера для РПТС различного масштабного уровня.

Рассмотрена математическая модель учета влияния релаксации сдвиговых напряжений и деформаций на скорость их накопления в геосреде РПТС, позволяющая для реальных территорий производить оценки изменения скорости деформации сдвига за определенный период времени, что является немаловажным при оценке риска ЧС. Также в настоящей главе рассмотрена математическая модель оценки риска ЧС геодинамического характера для РПТС локального (мелкомасштабного) уровня, представлены и проанализированы результаты количественной оценки риска для этих систем.

Предложена и описана вероятностная модель оценки риска ЧС геодинамического характера для РПТС регионального масштабного уровня. Модель основана на представлении возможных геодинамических состояний среды РПТС (рис. 1) как простейшего потока событий и построении системы дифференциальных уравнений Колмогорова относительно вероятности нахождения среды РПТС в этих состояниях.

Рис. 1. Схема взаимопереходов среды РПТС по состояниям 1, 2, 3.

Под состоянием 1 понимается равновесное устойчивое состояние геосреды ( Аёт1 = Е1-Е0 -0),а состояниема 2 - неустойчивоеа неравновеснома состояние

11

(АЕ2 = Е2-Е1фО), состоянием 3 - квазиравновесное состояние (АЕ2 =Е2-Е1фО), причем АЕ1 < АЕ3 л АЕ2 (Е0, Е\, Е2, Еъ - энергетические параметры геосреды в моменты времени t0, t\, t2, - соответственно).

При составлении системы уравнений для вероятностей p\(t), p2(t), p?,(t) нахождения среды в состояниях 1, 2, 3, определяются интенсивности процессов (Ху (где / = 1, 2, 3;У = 1, 2, 3), физически представляющих собой сумму энергетических параметров процессов, протекающих в системе, окончание которых приводит к непосредственному переходу системы из состояния / в состояние у.

Изменения указанных вероятностей описываются следующей системой дифференциальных уравнений Колмогорова:

p[(t) = -а13А(0 + <*3lp3(t),

< p'2(t) = -a23p2(t) + a32p3(t),(5)

p'3(t) = aupl(t) + a23p2(t)-(a3l + a32)p3(t).

Заменяя любое из ее уравнений (например, третье) условием нормировки и предполагая для среды РПТС существование предельных вероятностей состояний 1, 2, 3, преобразовывая систему (5) в систему линейных алгебраических уравнений вида

'-al3pl+a3lp3=Q,

<-а23р2+а32р3=0,(6)

+Р2+Рз =!Х найдем из нее искомые вероятностир\,рг,Ръ-

На основании решения системы (6) были построены оценочно-прогностические карты эквипотенциального распределения показателя комплексного риска ЧС геодинамического характера - вероятности нахождения среды в состояниях, отличном от состояний 1 и 3 (рис. 2), иллюстрирующие достоверность предложенной вероятностной модели оценки геодинамического риска.

Отмечено, что в отличие от традиционных методик, основанных на использовании статистических данных, предлагаемые математические модели, реализованные в виде комплекса проблемно-ориентированных программ позволяют строить достоверные оценочно-прогностические карты эквипотенциального распределения показателя риска чрезвычайных ситуаций геодинамического характера для РПТС значительного масштабного уровня. Имея подобные оценочно-прогностические карты, можно достаточно эффективно проводить выявление зон геодинамического риска и выполнять оценку уровня геодинамической безопасности РПТС различного масштабного уровня.

В третьей главе Математические методы комплексной оценки риска чрезвычайных ситуаций геодинамического характера в распределенных природно-технических системах рассмотрены математический метод описания воздействий на среду РПТС опасных процессов геодинамического происхождения и результаты вычислительного эксперимента по количественной комплексной оценке риска ЧС геодинамического характера.

12

133а 134а 135а 136а 137а 138

Рис. 2. Карта эквипотенциального распределения показателя комплексного риска ЧС

геодинамического характера для г. Хабаровска и прилегающей к нему территории

с эпицентрами произошедших в 2001 - 2010 гг. землетрясений.

Метод аналитико-количественного описания воздействий на среду РПТС опасных процессов геодинамического происхождения основан на представлении совокупности объектов природной, техногенной и антропогенной составляющих РПТС в виде набора множеств Р, Q, Т, R. При этом между элементами множества Р (множество факторов геодинамического риска, например, землетрясения, опускания, поднятия, оползни и т.п.) и элементами множества Q(множество объектов, подвергающихся воздействиям факторов геодинамического риска, например, население, жилые и промышленные здания, сооружения, сети коммуникаций и т.п.) устанавливаются как прямые Т, так и обратные Rвоздействия.

С этих позиций взаимодействия в среде РПТС с формальной точки зрения

т

представлены в виде отображения PoQ, а среда РПТС рассматривается как

R

пространство динамических квартаполей - множества пар произвольных взаимодействующих элементов множеств Р, Qи пар произвольных элементов множеств Т, R, т.е. совокупность объектов вида с. ={pi,qmJД,rs}. Определено поле состояний Sпространства динамических квартаполей С и введены величины г - масштабный параметр РПТС и t- характеристическое время функционирования РПТС.

Для количественной оценки поля состояний пространства динамических квартаполей введены функция состояний W(r; t), определяющая в каждой точке фазового пространства (г, t) величину значений поля состояний пространства динамических квартаполей С:

W(r; t) = {(А + Ct)shkt+(в + Dt)chkt}sm(kr+ ф)(7)

13

и функция компенсации F(r; t), определяющая в каждой точке фазового пространства (г, t) изменение величины значений поля состояний пространства динамических квартаполей С, т.е. величину возмущения, стремящегося вернуть среду РПТС в равновесное состояние.

Функция F(r; t) определяетсяаа н основании соотношения

F(r-t) = gradW(r,t), Т.е.аа F(r;t)=аа rJi +----------- ^2 J,(8)

orat

где i, j- единичные векторы координатных осей г иа tсоответственно. Компоненты функции F(r; t) представляют собой:

1. функцию территориальной компенсации/Дг;) = ЧъШ.^ показывающую, что часть компенсирующих факторов природного и антропогенного характера существенным образом зависит от особенностей ландшафта, площади территории и распределенных на ней природных, техногенных и антропогенных ресурсов;
2. функцию временной компенсации fs(г; t) = Ч^-^-, показывающую, что

dt

часть компенсирующих факторов природного и антропогенного характера проявляется только спустя некоторое время после реализации опасного природного или природно-техногенного процесса геодинамического происхождения.

На основании выражений (7) и (8) компоненты функции компенсации F(r; t) будут находятся по соотношениям:

[fp(г, t) = к{(А + Ct)shkt+(В + Dt)chkt}cos(kr+ ф),

|/s (г, i) = зк(В + Dt) + C]shkt+ [к(А + Ct) + D]ohkt}sm(kr+ <р).

Изменение значений элементов поля состояний пространства динамиче

ских квартаполей в каждой точке фазового пространства (г; t) оцениваются на

основании следующего соотношения;________

l^>0| = V/>>0+./>,0. (Ю)

По соотношениям системы (9) и выражению (10) были рассчитаны значения изменений поля состояний пространства динамических квартаполей для различных модельных видов проявления воздействий в среде РПТС опасных факторов геодинамического происхождения, например, таких как:

1) воздействия параболического вида f(r) = \-г2 (тип 1);

2

1. воздействия нормального вида fir)= 1аа с^ (тип 2);
2. воздействия гиперболического вида дг) _аа 1 (тип 3) (где а и b- некоторые

a + br

постоянные коэффициенты);

4) воздействия дискретного лимпульсного вида различных типов, в частности, такого как f(r) = 1аа Vr [О; l] (тип 4) и многих других.

14

Отмечено, что фазовые диаграммы поля состояний пространства динамических квартаполей (рис. 3) позволяют оценить для каждого значения масштабного параметра г динамику этого пространства и оценить геодинамический риск для любого ее участка.

Показано, что важным моментом анализа фазовых диаграмм поля состояний пространства динамических квартаполей является построение графиков зависимости величины риска ЧС геодинамического происхождения от характеристического времени tпри различных фиксированных значениях масштабного параметра г, что позволяет заранее определить возможный риск ЧС геодинамического характера и закономерности его изменения на определенном интервале характеристического

ГГГ0.0а 0.1а 0.2а 0.3а 0.4а 0.5а 0.6а 0.7

ВркМкНИ t(рИС.аа 4).а Масштабный параметр

Рис. 3. Фазовая диаграмма поля состояний пространства динамических квартаполей при модельном воздействии параболического вида (тип 1).

Динамика риска ЧС при воздействии гиперболического вида (тип 3) с техногенной нагрузкой

0.8 ~ 0.6 0.4 0.2

----------- г = 0.0 г = 0.2 г = 0.3 г = 0.9 г= 1.0

ж**"ж

------^^Ч^^

JS^Sfe

0.1а 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Рис. 4. Зависимость изменения величины риска ЧС геодинамического характера при воздействии на среду РПТС модельного воздействия гиперболического вида

(тип 3) с техногенной нагрузкой. В Заключении приводятся основные результаты проведенного исследования.

1. Рассмотрены на предмет возможности их использования для оценки риска чрезвычайных ситуаций геодинамического происхождения существующие математические методы анализа геодинамических опасностей и на этой основе 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.
2. Теоретически обоснованы, созданы и исследованы современные математические модели оценки геодинамической устойчивости территорий и математические модели оценки риска чрезвычайных ситуаций геодинамического характера в среде распределенных природно-технических систем.

15

1. Разработан метод количественного описания воздействий на среду распределенных природно-технических систем опасных процессов геодинамического происхождения, и на основе проведения вычислительного эксперимента по данному методу выполнена численная комплексная оценка риска чрезвычайных ситуаций геодинамического характера для этих систем.
2. Построены алгоритмы и схемы численного решения уравнений для моделей оценки геодинамической устойчивости и риска чрезвычайных ситуаций геодинамического характера в среде распределенных природно-технических систем, а также осуществлена их практическая реализация в виде комплекса проблемно-ориентированных программ для проведения вычислительного эксперимента с помощью ЭВМ.
3. Разработана и практически реализована математическая модель учета влияния релаксации напряжений и деформаций на скорость их накопления в геосреде распределенных природно-технических систем, имеющая определяющее значение для превентивной количественной оценки риска чрезвычайных ситуаций геодинамического характера.
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.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Монографии

1.а Данилов P.M. Геодинамическая безопасность ландшафтно-

территориальных комплексов / P.M. Данилов, А.О. Фаддеев // Монография. Под

ред. проф. МинаеваВ.А. -Хабаровск, 2010. - 169 с.

В изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ:

2.а Данилов P.M. Управление природно-техногенным риском геодинами

ческого характера / P.M. Данилов, В.А. Минаев, А.О. Фаддеев // Проблемы

управления рисками в техносфере. - 2010. - №2. - С. 45-55.

3.аа Данилов P.M. Построение системы управления геодинамическим

риском в территориальных социально-экономических системах / P.M. Данилов,

В.А. Минаев, А.О. Фаддеев // Проблемы управления рисками в техносфере. -

2010. -№2. -С. 55-76.

1. Данилов P.M. Медленные катастрофы как причины возникновения чрезвычайных ситуаций / P.M. Данилов, В.А. Минаев, А.О. Фаддеев // Проблемы управления рисками в техносфере. - 2010. - №3. - С. 42-58.
2. Данилов P.M. Математическое моделирование рисков гео динамического происхождения / P.M. Данилов, В.А. Минаев, А.О. Фаддеев // Спецтехника и связь. -2011. -№1. С. 48-52.
3. Данилов P.M. Природно-техногенные риски геодинамического характера: особенности управления / P.M. Данилов, В.А. Минаев, А.О. Фаддеев // Технологии техносферной безопасности: Интернет-журнал. - Вып. 6 (34). -2010. - 12 с.

16

7. Данилов P.M. Геодинамические риски в территориальных социально-

экономических системах / P.M. Данилов, В.А. Минаев, А.О. Фаддеев // Техно

логии техносферной безопасности: Интернет-журнал. - Вып. 6 (34). - 2010. - 12

с. - В иных изданиях:

8. Данилов P.M. Комплексный подход к управлению рисками геодинами

ческого характера // Материалы XXVIII Международной научно-технической

конференции Системы безопасности - СБ-2009. М.: Академия ГПС МЧС РФ,

2009. С.31-34.

9.а Данилов P.M. О модели управления геодинамическими рисками в

территориальных социально-экономических системах в условиях кризисных

ситуаций / P.M. Данилов, В.А. Минаев, А.О. Фаддеев // Материалы XXVIII

Международной научно-технической конференции Системы безопасности -

СБ-2009. М.: Академия ГПС МЧС РФ, 2009. С. 41-46..

1. Данилов P.M. О модели управления геодинамическими рисками в территориальных социально-экономических системах / P.M. Данилов, А.О. Фаддеев //Материалы XXVIII Международной научно-технической конференции Системы безопасности - СБ-2009. М.: Академия ГПС МЧС РФ, 2009. С. 34-41.
2. Данилов P.M. Геодинамические риски в территориальных социально-экономических системах. / P.M. Данилов, В.А. Минаев, А.О. Фаддеев // В сб.: Цивилизация знаний: проблемы модернизации России / Труды Одиннадцатой Международной научной конференции, 23-24 апреля 2010 г. Москва, РосНОУ, 2010.-С. 145-153.
3. Данилов P.M. Медленные катастрофы и чрезвычайные ситуации / P.M. Данилов, А.О. Фаддеев // Труды Международной научной конференции Образование, наука и экономика в вузах. Интеграция в международное образовательное пространство, 20 - 25 сентября. Плоцк, Польша, 2010. - С. 690-699.

13. Данилов P.M. Приро дно -техногенный риск геодинамического

характера: особенности управления / P.M. Данилов, А.О. Фаддеев // Труды

Международной научной конференции Образование, наука и экономика в

вузах. Интеграция в международное образовательное пространство, 20 - 25

сентября. Плоцк, Польша, 2010. - С. 699-710.

14. Данилов P.M. Математическое моделирование и мониторинг безопас

ности крупномасштабных геодинамических систем / P.M. Данилов, В.А. Мина

ев, А.О. Фаддеев // Материалы XX научно-технической конференции Системы

безопасности - СБ-2011. М.: Академия ГПС МЧС РФ, 2011. С. 5-9.

Подписано в печатьаа .аа .2012. Формат 60x84 J/,

Усл. печ. л.0,93. Уч.-изд. л. 1,0.

Тираж 100. Заказ №а

Типография Воронежского института МВД России 394065, г. Воронеж, пр. Патриотов, 53

     Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]