Институт информатики и математического моделирования Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр Российской академии наук»
Информационное обеспечение систем управления промышленно-экологической безопасностью: концептуальные основы и практические приложения
Шемякин А.С., Яковлев С.Ю., Маслобоев А.В.
Аннотация
Проблемы развития Арктической зоны России, в частности, вопросы информационно-аналитического обеспечения техногенно-экологической безопасности полярных регионов особенно актуальны в последнее время. При этом степень формализации знаний о предметной области как для федерального, так и для нижестоящих уровней явно недостаточна для достижения поставленных программных целей и задач.
Предметом исследований являются модели и технологии компьютерной поддержки риск- устойчивого регионального развития.
Целью исследований является разработка информационных технологий обеспечения техногенно-экологической безопасности арктических регионов. Практические приложения разработок реализованы на примере промышленных объектов Мурманской области.
В работе предложено интегрированное формализованное описание трехуровневой предметной области. Обоснована структура программно-алгоритмического комплекса обеспечения безопасности регионального промышленно-природного кластера, рассматриваются его состав и метод построения.
Приводится описание унифицированной информационной технологии прогнозирования и управления рисками чрезвычайных ситуаций техногенного и природного характера.
Отличительной особенностью созданной технологии является реализация подсистемы формирования основных планирующих документов, обеспечивающей согласование принимаемых управленческих решений с актуальными нормативно-правовыми актами.
Разработан и апробирован комплекс средств визуализации принимаемых решений, нацеленный на повышение точности и наглядности результатов управления. Дана общая картина внедрения разработок на территории Мурманской области.
Ключевые слова: информационная поддержка, управление, промышленно-экологическая безопасность, риск, чрезвычайная ситуация, компьютерная технология, полярный регион.
Информация об авторах: Маслобоев Андрей Владимирович, доктор технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник лаборатории информационных технологий управления региональным развитием Института информатики и математического моделирования Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр Российской академии наук», Апатиты, Россия
Шемякин Алексей Сергеевич, младший научный сотрудник лаборатории информационных технологий управления региональным развитием Института информатики и математического моделирования Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр Российской академии наук», Апатиты, Россия
Яковлев Сергей Юрьевич, кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник лаборатории информационных технологий управления региональным развитием Института информатики и математического моделирования Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр Российской академии наук», Апатиты, Россия
Abstract
Information support of industrial and environmental safety control systems: conceptual foundations and applications
Shemyakin A.S., Yakovlev S.Yu., Masloboev A.V.
Institute for Informatics and Mathematical Modeling of the Federal Research Centre «Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences»
Development problems of the Arctic zone of Russia, particularly the information and analytical support issues of technogenic and environmental safety management in polar regions, have been especially urgent lately. At the same time the expert knowledge formalization degree of that problem domain both at the federal and lower levels is clearly insufficient to achieve the stated program goals and objectives.
The subject of research are models and technologies for computer support of risk-sustainable regional development. Our research work is aimed at information technologies engineering for technogenic and environmental safety management support of the Arctic regions.
The developments applications are implemented by the example of industrial objects of Murmansk region. The following research results are highlighted. An integrated formalized description of a three- level research knowledge domain is proposed. Software system framework for safety management support of regional industrial-natural cluster is substantiated.
Its structure synthesis method and composition are discussed. A unified information technology description for risk management and prediction of technogenic and natural emergency situations is carried out.
A distinctive feature of the designed technology is subsystem implementation for automated formation of main safety planning documents, which provides managerial decision-making coordination with current regulatory legal acts.
In addition a set of decision-making visualization tools aimed at improving the accuracy and visibility of management results has been developed and tested.
The overall picture of developments deployment at the territory of Murmansk region is given.
Keywords: information support, control, industrial and environmental safety, risk, emergency situation, computer-aided technology, polar region.
Information about the authors:
Andrey V. Masloboev, Doctor of Technical Sciences, Associate professor, Leading Researcher in Department of information technologies for regional development management, Institute for Informatics and Mathematical Modeling of the Federal Research Center “Kola Science Center of the Russian Academy of Sciences”, Apatity, Russia
Aleksey S. Shemyakin, Junior Researcher in Department of information technologies for regional development management, Institute for Informatics and Mathematical Modeling of the Federal Research Center “Kola Science Center of the Russian Academy of Sciences”, Apatity, Russia
Sergey Yu. Yakovlev, Candidate of Technical Sciences, Associate professor, Senior Researcher in Department of information technologies for regional development management, Institute for Informatics and Mathematical Modeling of the Federal Research Center “Kola Science Center of the Russian Academy of Sciences”, Apatity, Russia
Введение
В последнее время наблюдается тенденция интенсификации исследований в сфере разработки систем обеспечения промышленно-экологической безопасности как в нашей стране, так и за рубежом. Для этого широко применяются современные информационные технологии (технологии Big Data, IoT, Data Mining, ГИС, нейросети, киберфизические системы и др.) и методы моделирования (системная динамика, робастно-энтропийный подход, рандомизированное прогнозирование, логико-вероятностные и нечеткие методы, когнитивные карты и др.).
Особую потребность в таких разработках для решения проблем экологической безопасности испытывают объекты оборонно-промышленного комплекса, расположенные в Арктической зоне Российской Федерации (АЗ РФ). Так, недавняя авария под Норильском четко продемонстрировала актуальность и остроту этой проблематики, необходимость комплексного учета производственных, региональных и природноклиматических особенностей АЗ РФ в системе информационного обеспечения борьбы с чрезвычайными ситуациями (ЧС) техногенного и природного характера в этом регионе с высокой чувствительностью систем жизнеобеспечения к любым внешним воздействиям.
Объектом исследований в работе является техногенно-экологическая безопасность типового полярного региона РФ. Регион функционирует как часть надсистемы - АЗ РФ.
В качестве подсистем выступают промышленно-природные комплексы (кластеры), характерные для северных моногородов.
Предметом исследований являются модели, методы и технологии компьютерной поддержки риск-устойчивого развития полярных территорий.
Конечная цель исследований - разработка и внедрение информационных технологий обеспечения промышленно-экологической безопасности АЗ РФ. Отметим, что практические приложения реализованы на примере промышленных объектов, входящих в состав горнохимического и металлургического кластеров Мурманской области.
Работа состоит из трех разделов. Первый раздел содержит краткий обзор известных теоретических и прикладных исследований по вопросам информационного обеспечения промышленно-экологической безопасности. Второй раздел посвящен методическим основам авторских разработок в этой сфере и включает описания концептуальной модели трехуровневой предметной области, признаков и элементов классификации, структуры программно-алгоритмического комплекса поддержки управления безопасностью типового регионального промышленно-природного кластера и подхода к его построению.
Третий раздел включает общую характеристику унифицированной информационной технологии, разработанной для задач борьбы с техногенно-экологическими ЧС в Российской Арктике. Подробно рассматриваются схема взаимодействия компонентов технологии, подсистема, отвечающая за формирование планирующих документов с учетом нормативно-правовой базы, и средства визуализации, использование которых позволяет снизить риск принятия ошибочных решений в системе управления промышленно-экологической безопасностью. Приводятся сведения о практической реализации и внедрении разработок на территории Мурманской области.
1. Анализ проблем обеспечения промышленно-экологической безопасности АЗ РФ
Проблемам развития АЗ РФ в целом и полярных регионов в частности в последние годы уделяется повышенное внимание. Об этом свидетельствуют ежегодные конференции и совещания, которые регулярно проводятся по данной тематике в России и за рубежом. В этой сфере тесно переплетаются интересы многих сторон и уровней - властей, бизнес-сообщества, ученых и т. д.
Возьмем для примера конференцию Offshore Marintec Russia [Сборник, 2018], посвященную судостроению и разработке высокотехнологичного оборудования для освоения континентального шельфа АЗ РФ.
В докладах освещались различные аспекты социальноэкономического развития и освоения северных территорий на арктическом региональном направлении: от постройки заводов и терминалов на суше для переработки добываемой нефти и газа до мониторинга состояния нормативно-методической базы и обеспечения комплексной безопасности эксплуатации промышленных объектов в АЗ РФ.
Развитие АЗ РФ - сложная междисциплинарная предметная область, имеющая множество аспектов из различных сфер деятельности, которые, в свою очередь, очень разноплановые. Поэтому важным этапом исследований является структуризация и формализация объектов этой предметной области, то есть создание концептуальной модели предметной области. Наличие этой модели, как основы, необходимо для построения единого информационного пространства в соответствии с принятым курсом на создание цифровой экономики [Маслобоев, Путилов, 2016; Программа, 2017].
Решение задач борьбы с ЧС различного характера, связанными с хозяйственной деятельностью в АЗ РФ, требует внедрения новых информационных технологий и средств моделирования, функционирующих в комплексе на базе единой цифровой платформы.
Однако современные исследования и разработки обеспечивают, как правило, лишь «точечные», локальные решения.
Так, в работах [Бурков, Титаренко, 2017; Титаренко, Бурков, 2017] для задач управления рисками предлагаются механизмы экономической ответственности, перераспределения риска (путем страхования), стимулирования усилий по повышению уровня безопасности, резервирования производственных, материальных и трудовых ресурсов на случай ЧС.
На сегодняшний день разработано большое количество программных комплексов, позволяющих моделировать практически все виды техногенно-природных ЧС: пожары, наводнения, радиационные заражения, разливы и утечки токсичных веществ и другие в различных масштабах - от локального до глобального.
В обзорной работе [Попов и др., 2019] приводится описание целого ряда подобных программных средств. В большинстве существующих решений моделирование ЧС является основным звеном функционала информационной системы, вокруг которого формируются «надстройки», облегчающие дальнейшую экспертную выработку управленческих решений в ответ на то или иное развитие ситуации. В качестве примера можно привести моделирующий комплекс NARAC [Nasstrom, et. al., 2005], позволяющий специалистам составить план борьбы с ЧС.
Однако опираться только на мнения экспертов при принятии решений - не всегда правильный выбор. Специально проведенные серии экспериментов показали, что при одинаковых исходных данных различные группы даже высококвалифицированных исследователей могут давать оценки рисков, отличающиеся в десятки и сотни раз [Колесников, 2013].
По этой причине при решении задач в сфере промышленно-экологической безопасности целесообразно иметь доступ к инструментарию, позволяющему автоматизировать сам процесс принятия решений и снизить влияние субъективности эксперта на конечный результат. В настоящее время в России ведутся разработки, целью которых является автоматизация составления планов действий для борьбы с ЧС.
Например, в [Топольский и др., 2016] предлагается информационно-аналитическое обеспечение поддержки поисково-спасательных операций, основной функцией которого является рациональное распределение сил и средств по направлениям поисков.
В частности, предложены программные средства, позволяющие составлять карты вероятностей расположения объекта поиска, оптимизировать маршруты следования к заданной области и соответствующим образом перераспределять имеющиеся ресурсы. В [Гудин, Хабибулин, 2017] предлагается модель оптимизации мероприятий по управлению пожарной безопасностью на территории производственных объектов нефтегазовой отрасли.