Введение 3
1. Анализ математических моделей 7
1.1. Модели геоинформационной подсистемы 7
1.2. Модель развития лесного пожара 10
1.3. Модель чрезвычайного подъема уровня воды 18
1.4. Перспективы развития моделей 22
2. Архитектура приложения 23
3. Релевантность модели построенного пилотного решения 25
3.1. Лесные пожары в России в республике Карелия и Иркутской области в
2010 году 25
3.2. Наводнение на Дальнем Востоке в 2013 году 30
Заключение 34
Список использованных источников 37
Приложения 40
Иллюстрации работы симуляционного приложения 40
Фрагменты программного кода 41
Неуклонное увеличение численности населения планеты, равно как и неизбежно связанное с ним повышение плотности населения, увеличение размеров городов и других видов населенных пунктов, а также обусловленная этими процессами необходимость наращивания плотности и интенсивности техногенных систем, как промышленного, так и гражданского назначения, приводят к необходимости повышения качества и интенсивности реагирования органов, сил и средств, уполномоченных на предупреждение и ликвидацию чрезвычайных ситуаций. Ввиду того, что процессы увеличения размеров городов и поселений имеют более чем линейное влияние на усложнение и плотность инфраструктуры, а также увеличивают не только техногенные, но и природные риски, то можно с уверенностью утверждать, что экстенсивное наращивание сил и средств предупреждения, реагирования и ликвидации ЧС не может компенсировать постоянно возрастающие риски.
В соответствии со сказанным выше, возникает острая необходимость в интенсивном внедрении достижений и результатов научно-технической деятельности, как средства управления, реагирования, ликвидации последствий ЧС, материально-технических ресурсов и запасов, также и средств планирования. К основным областям и сферам внедрения новейших технологий можно отнести комплексы и системы подвижной связи, системы высокоскоростной проводной связи, системы телеметрии и управления, системы информирования и оповещения, а также управляющие комплексы и подсистемы планирования и принятия решений. Вышеуказанный спектр направлений и актуальных сфер не является исчерпывающим, так как достижения внедряются и в медицинской, диагностической, робототехнической и прочих сферах, но он показателен в плане выделения общего объединяющего их свойства. В основе рассматриваемых сфер лежат информационные процессы, получение, обработка, передача, преобразование информации, которые в свою очередь неотрывно связаны с соответствующими моделями, формирующими рассматриваемое информационное поле в целом.
Ввиду указанных обстоятельств, эффективные действия в области предупреждения и ликвидации ЧС невозможны без разработки адекватных моделей, основных процессов, участвующих либо связанных с ситуацией возникновения ЧС.
В настоящей работе рассматриваются два уровня подобных моделей, а также два механизма возникновения чрезвычайных ситуаций, с учетом необходимости качественной визуализации и фактических числовых расчетов основных параметров.
На базовом уровне моделирования ЧС лежит геоинформационная модель, данные которой используются для проведения расчетов и визуального моделирования процессов возникновения и развития лесных пожаров и процессов чрезмерного повышения уровня воды, связанных с интенсивными осадками.
Обе модели являются актуальными в плане практического их использования, как в целях моделирования динамики развития ЧС, так и в плане определения численных (интегральных) параметров последствий ЧС. Исходя из сказанного, модель может быть полезна не только в дидактическо- образовательном аспекте, но и как средство расчета и планирования мероприятий по предупреждению, а также в процессе ликвидации ЧС, для повышения качества управления силами и средствами ЧС.
Актуальность применения расчетных моделей для разработки паспортов безопасности территорий, объектов экономики, социально-значимых объектов, а также стратегических объектов инфраструктуры, связана как с высоким риском при планировании развития и совершенствования указанных объектов, но так же, в связи с необходимостью планирования и обеспечения материальными и финансовыми ресурсами (в форме страхования ответственности) мероприятий при возможном возникновении соответствующих ЧС.
Вопросами разработки имитационных, аналитических, физических и прочих моделей занимаются как независимые исследователи, так и авторитетные государственные организации, входящие в саму структуру РСЧС . Они разрабатывают соответствующее методическое, математическое и организационное обеспечение для проведения расчетов основных параметров пожарной безопасности, защиты территорий от природных и техногенных ЧС, безопасности гидротехнических сооружений и т.д. Но в тоже время нельзя не отметить, что указанные средства и модели достаточно сложно адаптировать и использовать в непосредственных расчетах и имитациях. Ввиду этого между исследователями и разработчиками стандартов и конечными потребителями результатов научно-технической деятельности указанных ВНИИ и фактическими потребителями результатов появляется достаточно объемная прослойка коммерческих экспертных организаций, оказывающих свои услуги по разработке необходимых регламентирующих и разрешительных документов для конечных потребителей. Подобная структура экономических отношений никоим образом не обусловлена законодательством РФ, в частности ответственными в силу закона лицами по разработке паспортов безопасности технически сложных, химически опасных объектов, гидротехнических сооружений, территорий.
Цель настоящей работы не направлена на изменение сложившейся ситуации, но в противоположность существующим коммерческим решениями в нее закладывается принцип максимальной доступности как результата, так и математического обеспечения и компонентной модели. Для выполнения указанного принципа в данной работе делается акцент на использовании бесплатного программного обеспечения, в качестве которого выбрана среда визуального имитационного моделирования Unity3d, в совокупности с широко-распространенным языком высокого уровня, обеспечивающего реализацию наиболее популярных парадигм программирования, в совокупности с развитыми языковыми средствами такими как лямбда-выражения, средства делегирования, система основных контейнерных типов, с поддержкой основных объектных парадигм и т.д. Указанные свойства языка C# определяют как растущую популярность его использования, так и простоту и семантическую чистоту получаемого кода, достаточно хорошо пригодного для прочтения и понимания. Указанные свойства языка программирования в совокупности с визуальной средой моделирования, где каждой сущности может быть привязан визуализируемый объект, обладающий свойствами контейнера для прочих компонентов, позволяющий отображать свое состояние в процессе выполнения модели в среде разработки, делают порог необходимых усилий для начала использования разработанной модели очень низкими.
Таким образом, разработанная модель направлена не столько на достижения новых результатов в математической или алгоритмической области, сколько в формирование «дружественной» среды, для ее использования, что должно послужить отправной точкой как для ее популяризации, так и для дальнейшего совершенствования широким кругом заинтересованных лиц.
Результатом проделанной работы по созданию модели полигона чрезвычайных ситуаций является следующая совокупность результатов:
- архитектура программно-алгоритмического решения;
- алгоритм и средства генерации геоинформационной составляющей системы моделирования;
-алгоритм моделирования распространения возгорания;
-алгоритм моделирования чрезвычайного повышения уровня воды;
- концепция расширения и совершенствования разработанной модели.
Эти результаты являются значимыми с точки зрения повышения интереса потенциальных пользователей системы и использовании ее в качестве базовой отправной точки для итеративного процесса дальнейшего развития функционала.
Вторым позитивным моментом можно считать возможность применения предложенного архитектурного решения для создания хорошо инкапсулированной библиотеки компонентов, организованной в форме Prefabs и программных plugins, и предоставлении для дальнейшего совершенствования сообществу разработчиков программного обеспечения с открытым исходным кодом. Такой подход обоснован актуальностью применения разработанных моделей не только в качестве инструмента моделирования чрезвычайных ситуаций, но и в составе различных проектов игровой тематики.
Формирование указанных раздельных потоков непрерывной разработки в конечном счете могут привести систему в состояние самодостаточного продукта для моделирования техногенных рисков, что является очень важным для большого круга потребителей.
Среди основных алгоритмических усовершенствований целесообразно ввести в объектную среду моделируемого пространства объекты, инкапсулирующие математические и алгоритмические аспекты конечно-элементных и CDF (ComputableDocumentFormat) вычислений. Разделение геоинформационной составляющей на раздельные пользовательские слои позволяет добавлять достаточно большое количество независимых характеристик территории, но следует отметить, что функционал среды позволяет взаимодействие разных слоев, в случае, когда это является целесообразным. Указанные вычислительные компоненты целесообразно реализовать в качестве отдельных плагинов, вычислительная часть которых является компилируемой и может учитывать требования к высокопроизводительным средам вычисления.
С точки зрения развития прикладных моделей по типу возможных ЧС и их последствий целесообразно также учесть:
- гидродинамические аварии характеризующиеся возможностью возникновения разрушительной волны;
- химические выбросы;
- поражающие воздействия, связанные с формированием взрывной волны;
- радиационное заражение вследствие возможной аварии на объекте производств;
- паническое поведение толп людей и животных.
Указанные выше модели являются в достаточной степени проработанными, в частности методика Токси 7 является общеприменительной для расчета химических аварий и площади распространения химического заражения.
Токси - методика оценки последствий химических аварий.
С точки зрения развития существующего прикладного уровня возможными направлениями развития являются работы по совершенствованию объектов предметной области, в частности большой интерес представляет внедрение в предметную область объектов с собственным активным поведением. Т.к. среда визуального моделирования изначально предназначена для разработки игровых проектов, средства для внедрения в имитационные модели мультиагентной составляющей представлены в полном объеме. В таком разрезе разработанная модель может составить практическую конкуренцию решениям на базе Anylogic.
Помимо моделирования и расчетов, необходимо уделить соответствующее внимание вопросам генерации отчетных данных, а также соответствующих графических материалов в виде диаграмм, чертежей и схем, что могло бы повысить интерес пользователей к результатам работы настоящей модели.
Резюмируя вышесказанное, в данной работе выполнена попытка не только моделирования отдельных объектов, связанных с предметной областью, но и разработан общий подход по ее расширению и развитию.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
