УПРАВЛЕНИЕ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМИ СИТУАЦИЯМИ НА ОБЪЕКТАХ ТРАНСПОРТНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ ГОРОДА

Аннотация: Приведен анализ существующих подходов по оценке и моделированию чрезвычайных ситуаций связанных с устойчивостью объектов транспортной инфраструктуры в условиях города. Использована методология системной безопасности и принципы SWOT анализа, определены сильные и слабые стороны каждого метода, приведен математический аппарат и практические рекомендацию по расчету.

Выпуск: №2 / 2017 (июль — сентябрь)

УДК: 614.8.01

Автор(ы): Донцов Сергей Александрович
кандидат технических наук, доцент, кафедра "Управление безопасностью в техносфере", член-корреспондент Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности, Московский государственный университет путей сообщения Императора Николая II

Страна: Россия

Библиографическое описание статьи для цитирования: Донцов С. А. Управление чрезвычайными ситуациями на объектах транспортной инфраструктуры города [Электронный ресурс] / С. А. Донцов // Современные проблемы территориального развития : электрон. журн. – 2017. – № 2. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Систем. требования: Pentium III, процессор с тактовой частотой 800 МГц ; 128 Мб ; 10 Мб ; Windows XP/Vista/7/8/10 ; Acrobat 6 х.

Методы  управления чрезвычайными ситуациями (ЧС)  на объектах транспортной инфраструктуры (ОТИ) города, так или иначе направлены на определение уровня устойчивости объектов города к воздействиям дестабилизирующих факторов.

Понятие устойчивости ОТИ в условиях действия ЧС весьма многофакторно, однако различные формы пока­зателя устойчивости сводятся в конечном итоге к показателю экономического ущерба или экономической эффективности [1–2].

Общую экономическую эффективность технического объекта оценива­ют как отношение результатов производства Р к затратам З:

      Е = Р / З

где    Р = П(1- tв);

П –  плановая годовая прибыль;

tв — относительное время восстановления производства после воздействия ЧС (в долях года);

З – затраты на производство, которые в случае возникновения ЧС определяются по формуле:

З =У + М

где    У – стоимость ущерба;

М – затраты на производство и  мероприятия по повышению устойчивости ОТИ к воздействию ЧС.

Понятно, что основная сложность в определении экономической эффективности  будет заключаться в оценке экономического ущерба,  который для всего городского объекта в целом определяется по формуле:

где N –  число отдельных элементов объекта; у_i = с_i· к_i · Р_i

с_i – стоимость основных производственных фондов (ОПФ) i-го элемента ОТИ, находящегося в j-м состоянии;

Р_ij – вероят­ность j-го состояния i-то элемента ОТИ.

При оценке устойчивости  различают четыре степени состояния ОТИ и его элементов:

F₁ –  полная степень. Ущерб свыше 75% балансовой стоимости ОТИ;

F₂ –  сильная степень. Ущерб 45–75% балансовой стоимо­сти ОТИ;

F₃ – средняя степень. Ущерб 15–45% балансовой стоимо­сти ОТИ;

F₄ –  слабая степень. Ущерб 5–15% балансовой стоимости ОТИ.

Рассмотрим  алгоритм оценки ущерба, нанесенно­го ОТИ в результате воздействия ЧС, источником которой явля­ется взрыв.

1. a) Вычисление значения избыточного давления Δ_рф, действующего на каждый элемент объекта:

 

где g –  масса взрывчатого вещества (ВВ):

k_sф –  тротиловый эквивалент данного ВВ;

x_s –  координата эпицентра взрыва по оси X;

у_s – координата эпицентра взрыва по оси У.

б) Определение  давления во фронте воздушной ударной волны (Δp^*_s) при которой данный вид ОТИ получает разрушения сильной степени.

Основные виды технологического, подъемно-транспортного, инженерного и силового оборудования, входящего в ОТИ, заменяются средневзвешенными компонентами, которые и будут характеризовать данный вид оборудования.

Основными расчетными характеристиками средневзвешенных компонентов являются (Δp^*_s)_ср и среднее число ремонтных R_ср отдельно по механической и электрической системам:

б.1) по технологическому оборудованию:

где  $c_{n_{a_{n}}}$– количество оборудования a-й группы;

 $c_{n_{a_{n}}}$– количество оборудования n-го вида;

с_б  –  балансовая стоимость ОТИ данного элемента.

Среднее число ремонтных единиц предлагается определять по формуле:

где $R_{n_{a_{n}}}$;  $m_{n_{a_{n}}}$  определяются по статистическим данным.

Количество средневзвешенных станков (оборудования) n-го вида предлагается определять по формуле:

б.2)   по подъемно-транспортному, инженерному, силовому оборудованию:

где  $\overline{c_{k_{n_{k}}}}$ определяются по статистическим данным.

где $R_{k_{n_{k}}}$;  $m_{k_{n_{k}}}$  определяются по статистическим данным.

Количество средневзвешенных станков (оборудования) k-го типа определяется по формуле:

     

б.3) Определение обобщенного показателя устойчивости для всех видов факторов каждого элемента ОТИ города:

— для зданий, сооружений, открыто расположенного оборудования и коммуникаций:

Для оборудования расположенного в зданиях:

Параметр ν  определяется по статистическим данным с учетом специфичности ограждающих конструкций  здания и параметров;

$(\Delta p_{s}^*)_s$ – давление $(\Delta p_{\phi})$, при котором  здание, содержащее оборудование, получит разрушение сильной степени.

б.4) Определение вероятности Р_i, i = 0,4 получения разрушения той или иной степени в зависимости от параметра ε.

б.5) Определение вероятности получения i-й степени разрушения элемента ОТИ с учетом пожаров. Для этого определяется вероятность возникновения пожаров Р_п в зависимости от $(\Delta p_{\phi})$ и номера группы здания по пожароопасности.

б.6) Вычисление результирующей вероятности $P_{4}^n$  с учетом пожаров:

   Если Р₄> 0,9; то дальнейшие расчеты для текущего Δр* не производятся и вероятности Р1, Р₂, Р₃ определяются как:

б.7)  При определении ущерба  ОТИ рекомендуется разделить на шесть составных частей с разбивкой на виды исходя из условия неравнопрочности частей элементов  к воздействию ЧС:

—  здания и сооружения (L=1), разделенные на виды (l_n = 1);

—  технологическое оборудование (L= 2), разделенное на ви­ды (l_n = 2);

— подъемно-транспортное оборудование (L= 3) без разде­ления на виды;

—  инженерное оборудование (L= 4) без разделения на виды;

— силовое оборудование (L = 5) без разделения на виды;

—  инженерные и энергетические коммуникации (L= 6) с разделением на типы (l_n = 6).

б.8)  Определение ущерба отдельных частей каждого элемента ОТИ в стоимостном выражении:

где $P_{1ln}^n$  – вероятность получения i- степени поражения ln  видом дестабилизирующего фактора;

$C_{6ln}$– балансовая стоимость l_n вида  дестабилизирующего фактора ОТИ.

Суммарный ущерб и ко­эффициент выбытия К определяется  по формулам:

где $C_{\sigma L}$ – первоначальная балансовая стоимость L-части эле­мента объекта.

б.9)  Определение суммарного средневзвешенного ущерба по каждому элементу объекта в целом и коэффициенты выбытия факторов:

где  $C_{\sigma}$ –  первоначальная балансовая стоимость L – части  ОТИ.

Анализ научной и нормативно-методической литературы позволил выделить наиболее удобные и надежные методы  моделирования чрезвычайных ситуаций  на объектах транспортной инфраструктуры [1,3]:

1. Прогнозирование разрушений зданий и сооружений.
2. Прогнозирование повреждения оборудования.
3. Прогнозирование разрушения инженерных и энергетических коммуникаций.
4. Минимаксный критерий (ММ).
5. Критерий Байеса-Лапласа.
6. Критерий Гурвица (HW).

1. Прогнозирование разрушений зданий и сооружений.

Для зна­чения $(\Delta p_{\phi})$ и  $(\Delta p_{s}^*)$ определяются     для каждого здания ε с вероятности Р₁; Р^п₁ в соответствии с приведенными ранее п. б.3-б.6.

Степени разрушения строительных конструкций определяется  по зависимости:

где  $\beta_{k j}$ – вероятность (в долях единицы) j-й степени разрушения k-го типа конструкции;

$g_{k j}$ – условная вероятность (в долях единицы) j-й степени разрушения k-то типа конструкции при условии получения зданием i-й степени разрушения, определяется из статистики;

 $\beta_{k 0}$ –  вероятность (доля) неразрушенных конструкций k-то типа.

Для перехода  натуральным показателям необходимо перемножить доли разрушений строительных конструкций  на заданные исходные данные.

Объем здания, получившего повреждение i-й степени, определяется как:

где V – строительный объем здания.

2. Прогнозирование повреждения оборудования.

Для $(\Delta p_{\phi})$, действующего на здание, определяются для каждого вида технологического оборудования и каждого вида остального оборудования ε, P_i P^п_i способом, рассмотренным в п. б.5-б.8.

Количество оборудования, получившего повреждение i-й степени, определяется так:

— технологическое оборудование

где m_n – количество оборудования n-го вида;

—  подъемно-транспортное, инженерное и силовое оборудование

 где m_к – количество оборудования k-то типа.

Количество оборудования, расположенного в зданиях и получившего повреждение 1-й степени, определяется по виду здания, в котором оно расположено, и затем сумми­руется по степеням повреждения.

3. Прогнозирование разрушения инженерных и энергетических коммуникаций.

Для $(\Delta p_{\phi})$, $(\Delta p_{s}^*)$  определяются для каждого вида и типа наружных коммуникаций ε, $( P_{i})_k$ способом рассмотренным выше в п. б.3-б.6.

Полученные значения  $( P_{i})_k$ умножаются на значения протяженности наружных коммуникаций  и определя­ется длина коммуникаций, получивших повреждение i-й степени.

Вероятность (доля) внутренних поврежденных коммуника­ций определяются по формуле:

где а –  вероятность (доля) j- степени разрушения k-то типа внутренних коммуникаций;

 g_kij – условная вероятность (доля) j- степени разрушения k-го типа внутренних коммуникаций при условии получения зданием разрушений k-й степени оп­ределяется по статистике;

(Pⁿ_i)_зд  определяются по п. б.6;

a_k0 – вероятность (доля) неразрушенных коммуникаций k-то типа.

Вычисленные вероятности (доли) разрушений необходимо перемножить на соответствующие исходные данные по размерам коммуникаций.

Вычисленные значения прогностических оценок состояния подэлементов каждого элемента ОТИ после воздействия ЧС используются в дальнейшем как исходные данные для определении показателей восстановления возможностей предприятия.

4. Минимаксный критерий. Этот критерий использует оценочную функцию, соответствующую позиции край­ней осторожности:

E_мм = max_i min_j E_ij;   i = 1,m;    j = 1,n

«Правило выбора» в соответствии с ММ-критерием  можно сформулировать следующим образом: из матрицы решений $\parallel{E_{ij}\parallel}$ выделяется вектор $E_{ir}$, та­кой, что при j=r ситуация F_r ведет к наихудшему (min) результату $E_{ir}$. Затем из полученного вектора выбирается на­илучший результат.

Выбранные таким образом варианты полностью исключают риск, то есть лицо принимающее решение не может столкнуться с более худшим результатом, чем тот, на который оно ориентируется. Какие бы условия $E_{j}$ ни встретились, соответствующий результат не мо­жет оказаться ниже чем Е_мм.

Использование этого метода целесообразно в случаях:

— когда о возможности появления внешних ситуаций ничего неизвестно;

— при появлении различных внешних со­стояний $E_{j}$ ;

— решение реализуется один раз;

— любой риск полностью исключается.

5. Критерий Байеса-Лапласа (BL). Использование этого критерия оправдано в случаях:

— вероятности появления состояния F_i известны и не зависят от времени;

— решение реализуется (теоретически) бесконечно много раз;

— при малом числе реализаций допускается некоторый риск.

Пусть  вероятность g_i  появления внешнего состояния F_i и все g_i образуют полную группу несовместных событий, т.е.

Тогда:

Правило выбора оптимального решения в соответствии с ВL-методологий: из матрицы решений $\parallel{E_{ij}\parallel}$ выделяется вектор $E_{ir}$, со­держащий математическое ожидание значений каждой из строк $\parallel{E_{ij}\parallel}$, после  чего и выбирается наилучшее (mах) значение $E_{ir}$.

В целом необходимо отметить, что исходная позиция применяющегося ВL-критерия оптимистичнее, чем позиция ММ-критерия, но при этом предполагается более высокий уровень информированности и достаточно длинные реализации, что часто проблематично для большого ОТИ.

6. Критерий Гурвица. Согласно этого критерия оптимистичность позиции лица принимающего решения зависит от весового ко­эффициента ℘:

Оценочная функция НW-критерия находится где-то между позициями крайнего оптимизма и крайнего пес­симизма. Обычно принимается значение ℘=0,5, что соответствует некой средней позиции.

Рассмотрим «правило выбора» НW-критерия: из матрицы решений $\parallel{E_{ij}\parallel}$ выделяется вектор $E_{ir}$, содержащий средневзвешенные значения наибольшего и наименьшего ре­зультатов для каждой строки $\parallel{E_{ij}\parallel}$. Затем из полученного век­тора выбирается наилучший максимальный результат.

Использование этого критерия оправдано в случаях:

— когда о вероятностях появления состояний F_j ничего неизвестно;

— решение реализуется малое число раз;

допускается некоторый риск.

Основной недостаток НW-критерия – полная произвольность выбора весового коэффициента ℘.

Использование теория принятия решений является той методологической ос­новой исследования задач обеспечения комплексной безопасности ОТИ города, которая позволяет придать строгие, научно аргументированные положения практическим методам выработки решений.

Приведенный анализ  методов управления моделированием чрезвычайных ситуаций  на объектах транспортной инфраструктуры города позволяет выбрать оптимальный с учетом специфики размеров объекта, количества исходных данных, квалификации лиц принимающих организационно-технические и управленческие решения.

 

 

Список использованных источников

 

 

1. Моисеев Н. Н. Математические задачи системного анализа / Н. Н. Моисеев. – М. : Наука, 1981. – 488 с.
2. Основы устойчивого развития регионов России: учеб. пособие / С. А. Донцов, Б. С. Липнер, Л. В. Птушкина, Г. К. Ивахнюк; под общ. ред. проф. Г. К. Ивахнюка. – СПб. : Печатный цех, 2016. – 571 с.
3. Орлов А. И. Теория принятия решений: учеб. пособие / А. И. Орлов.–. М. : Экзамен, 2005. – 656 с.

 

---

 

Dontsov Sergei

Doctor of technical Sciences, Associate Professor, Department Management of Safety in Technosphere, Emperor Nicholas II Moscow State Transport University, corresponding member of International Academy of Ecology and Life Safety

 

MANAGEMENT OF EMERGENCY SITUATIONS ON OBJECTS OF TRANSPORT INFRASTRUCTURE OF THE CITY

 

The article analyses existing approaches to the evaluation and modeling of emergency situations that are related to sustainability of transport infrastructure in the city. The author uses the methodology of system safety and the principles of the SWOT analysis. He estimates the strengths and weaknesses of each method and gives the mathematical technique and practical advices for the calculation.

 

Keywords: management, emergency situations, objects of transport infrastructure of the city, sustainability, damage.

 

© АНО СНОЛД «Партнёр», 2017

© Донцов С. А., 2017