• ОТКРЫТЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ ЖУРНАЛ

    «Химическое разоружение в Российской Федерации»

СИСТЕМА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОСЛЕДСТВИЙ АВАРИЙ И ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ НА ОБЪЕКТАХ УНИЧТОЖЕНИЯ ХИМИЧЕСКОГО ОРУЖИЯ

16 Августа 2005

Колодкин В.М.
Институт исследования природных и техногенных катастроф Удмуртского госуниверситета, г. Ижевск





1. Введение


Вопросы обеспечения безопасности жизнедеятельности, обеспечения экологической безопасности всегда были в центре внимания при производстве, транспортировке и хранении боевых отравляющих веществ. Необходимые меры, направленные на обеспечение экологической безопасности, планируются и на этапе уничтожения химического оружия. Вместе с тем, в настоящее время существуют, по крайней мере, две объективные причины, которые обуславливают повышенное внимание к вопросам обеспечения безопасности:


необходимость использования сложных технических решений на стадии утилизации боевых отравляющих веществ;


негативные изменения в мире, связанные с распространением терроризма.


В этой связи, возрастает значимость системы прогнозирования последствий гипотетически возможных аварий, системы поддержки принятия управленческих решений в условиях чрезвычайных ситуаций (ЧС). Возрастают требования, предъявляемые к системам, по достоверности и оперативности прогнозирования, по доступности результатов прогнозирования лицам, призванным обеспечивать безопасный процесс уничтожения боевых отравляющих веществ. Возрастает круг лиц, кто, в своей профессиональной деятельности опирается на результаты прогнозирования.


Кроме того, появляются условно новые сферы деятельности, которые опираются на результаты прогнозирования. Например, страхование.


2. Гипотетически возможные аварийные ситуации на объектах уничтожения химического оружия


Гипотетически возможные аварийные ситуации, безусловно, имеют свои особенности на каждом из объектов уничтожения. Эти особенности находят отражение в физико-химико-математических моделях возникновения и развития токсической опасности, в части программного обеспечения системы. В данной работе, посвященной созданию компьютерных систем, акцент сделан на том, что является общим для систем прогнозирования и поддержки принятия решений независимо от типов отравляющих веществ, конструктивных особенностей боеприпасов и объектов утилизации.


Гипотетически возможные аварийные ситуации, имеющие место на объектах с химическим оружием, были исследованы в ряде работ [1-5]. Не вдаваясь в критический анализ данных работ, отметим, что ожидаемая частота аварий без существенного разрушения системы очистки зараженного воздуха ~ 10-2 — 10-4 1/год; прогнозируемая частота аварий, сопровождаемых разрушением системы очистки зараженного воздуха ~ 10-4 — 10-6 1/год. Аварии, при которых сохраняется работоспособность системы очистки воздуха, обычно называют проектными авариями, в противном случае, — запроектными.


В результате проведенных исследований[1-4] установлено, что последствия запроектных аварий в определяющей степени определяются аварийным сценарием, то есть сценарием, посредством которого отравляющее вещество попадает в природную среду (взрыв, пожар и т.д.) и динамикой изменения свойств отравляющих веществ в условиях аварийного процесса. Причем, достоверность результатов прогнозирования последствий аварий также в определяющей степени зависят от точности моделирования аварийного сценария (от точности воспроизведения условий, при которых находятся отравляющие вещества) и точности воспроизведения поведения отравляющих веществ в экстремальных условиях.


3. Функциональное наполнение системы прогнозирования


Функциональное наполнение системы прогнозирования должно обеспечить:


1. Прогнозирование загрязнения поверхностного слоя (снежный покров, почва, поверхностные воды) в 20 км зоне вокруг объекта утилизации для целей мониторинга природной среды в процессе уничтожения отравляющих веществ;


2. Быстрый поиск в базе прогнозов и отображение результатов предварительного прогнозирования последствий гипотетических аварий на объекте уничтожения;


3. Прогнозирование развития аварийного процесса и последствий воздействия токсичных веществ на человека и природную среду в режиме времени, превышающий реальный;


4. Количественную оценку рисков гипотетических аварий на объекте уничтожения отравляющих веществ с целью формирования планов действий в усло-виях ЧС.


Функция 1. Функция ориентирована на прогнозирование загрязнения поверхностного слоя в течение производственного цикла объекта уничтожения отравляющих веществ при работе объекта в штатном и в аварийном режимах (проектные аварии). Прогнозирование осуществляется периодически (период равен нескольким часам) на основе информации по массам токсичных веществ, попавших в производственные помещения, по накопленным за период метеорологическим данным. В случае возникновения проектной аварии, моделируется сценарий аварии, приведший к возникновению источника токсической опасности, моделируются изменения концентраций токсичных веществ в производственных помещениях, изменения концентраций в вентиляционной системе, в атмосфере и попадание токсичных веществ в поверхностный слой. Для точек поверхностного слоя моделируется изменение (увеличение, уменьшение) примеси в поверхностном слое. Результатом моделирования является динамика поля накопленных масс априори выбранных элементов (химических соединений). Это позволяет в любой момент времени представить текущую картину загрязнения поверхностного слоя. В данном режиме работы системы предусмотрена возможность корректировки полей накопленных масс по данным натурных измерений содержания элементов (соединений) в некоторых точках поверхностного слоя.


Возможность корректировки особенно значима на этапе настройки и в период начальной эксплуатации системы. Кроме того, учитывая, что в настоящее время весьма затруднительно указать все химические реакции между априори выбранными элементами (химическими соединениями) и элементами природной среды, которые будут существенно влиять на изменение полей накопленных масс, указанное свойство системы является весьма значимым.


Функция 1 системы прогнозирования относится к функциям поддержки систем экологического мониторинга, позволяя, в частности, значительно сократить количество мест отбора проб [6].


Функция 2. Функция предоставляет конечному пользователю возможность выбора определенного сценария аварии или возможность ввода характеристик сценария. В последнем случае первоначально осуществляется выбор наиболее близкого сценария. Сценарии гипотетических аварий собраны в базе сценариев.


Для основных гипотетически возможных аварий на объекте предварительно промоделирована динамика аварийных процессов, оценены возможные последствия и выполнена оценка неопределенности результатов прогнозирования. Динамика развития каждого аварийного процесса представляется в виде последовательности областей, отвечающих разной степени поражения человека и загрязнения природной среды (перемещения областей, отвечающих разной степени поражения, по цифровой карте местности). В частности, последствия аварии для человека выражаются в виде перемещений по цифровой карте местности границ зон, в пределах которых токсические нагрузки превышают определенные критические значения (или/и границ зон, в пределах которых, вероятности гибели человека превышают определенные критические значения). Последствия аварий для природной среды выражаются в виде перемещений по цифровой карте местности границ зон, в которых значения накопленных масс токсичных веществ, превышают заранее выбранные значения. Результаты множества расчетов, каждый из которых связан с определенным сценарием, хранятся в базе данных результатов прогнозирования.


Таким образом, конечный пользователь системы имеет возможность оперативно отследить процесс заражения территории при заданной гипотетической аварии, данных метеорологических условиях (направлении и скорости ветра, состояния атмосферы и т.д.).


Для каждого сценария также предварительно формируются рекомендации по принятию управленческих решений в условиях данного аварийного процесса. Рекомендации дифференцированы в зависимости от категории пользователя.


Для представления результатов прогнозирования создается специальный программный продукт, который позволяет по сценарию аварии, по метеорологическим данным выбрать из базы данных результаты соответствующего расчета и представить эти результаты на соответствующей цифровой карте местности. Функция 2 подсистемы прогнозирования не требует от конечного пользователя специальных знаний. Результаты прогнозирования и рекомендации отображаются достаточно оперативно.


Функция 3. Функция предоставляет возможность ввода и корректировки параметров аварийного процесса на объекте уничтожения отравляющих веществ, возможность моделирования возникновения источника аварийной опасности и возможность моделирования динамики аварийного процесса с использованием физико-математических моделей разных уровней достоверности. Модели разных уровней достоверности (соответственно и разных уровней оперативности) одного и того же процесса работают одновременно. В процессе прогнозирования результаты отображаются и уточняются по мере готовности результатов, отвечающих моделям более высокой степени достоверности. Режим поддерживает формирование рекомендаций для принятия управленческих решений. В соответствии с общей идеологией системы, рекомендации для принятия управленческих решений, предоставляются дифференцировано для разных групп пользователей.


Необходимость корректировки параметров аварийного процесса возникает по мере уточнения информации об аварии и изменений в аварийном процессе. Например, спустя какое-то время после аварийного разлива токсичного веществ, возник пожар. Возникновение пожара изменяет сценарий аварии, и это изменение должно найти отражение в моделируемом сценарии. Кроме того, в процессе прогнозирования осуществляется постоянная корректировка метеорологических параметров.


Функция прогнозирования развития аварийного процесса поддерживается совокупностью моделей источников аварийной опасности (пролив, взрыв, пожар) и развития аварийного процесса (распространение примеси в замкнутом пространстве, распространение примеси в атмосфере, фильтрация в почве, в грунтовых водах и т.д.). Формирование моделей, отвечающих заданному аварийному сценарию, осуществляется как в автоматическом режиме, так и с участием человека, если пользователь системы считает это целесообразным. Например, при возникновении пожара, пользователь системы может выбрать одну из предлагаемых ему моделей горения, в зависимости от условий пожара. Модели аварийного процесса различаются по уровню оперативности и уровню достоверности результатов прогнозирования. Модели включаются в работу по мере подготовки (задания) необходимой информации и работают параллельно. В частности, параллельно работают несколько моделей распространения примеси в атмосфере. Например, очень «быстрая» модель распространения примеси в атмосфере на основе модифицированного метода случайных блужданий [7] и модель на основе численного решения трехмерного уравнения турбулентной диффузии с учетом перегрева и химических реакций [8-10].


Различия в результатах моделирования обусловлены использованием моделей, обеспечивающих разную степень достоверности результата — обычно, более достоверный результат обеспечивается более развитыми моделями; моделями, требующих более детальной исходной информации (по аварийному процессу, по метеорологическим условиям и т.д.). Соответственно, более развитые модели обычно предъявляют более высокие требования к вычислительным ресурсам.


Функция 4. Функция обеспечивает расчет оценок аварийного риска при гипотетических авариях на объекте уничтожения химического оружия. При расчете оценок используются результаты прогнозирования распространения зон заражения при авариях, ГИС-информация по распределению реципиентов риска в соответствии с цифровой картой местности в 20-ти километровой зоне вокруг объекта. Выходная информация системы — поле численных значений оценок рисков является основой для формирования планов действий в условиях ЧС.


4. Требования к математическому обеспечению подсистемы прогнозирования


Математическое обеспечение системы прогнозирования призвано обеспечить:


— прогнозирование процессов возникновения и развития источников токсической опасности при гипотетических авариях, в частности, для проектных аварий;


— прогнозирование последствий аварийных проливов, связанных с испарением жидких ОВ в условиях вынужденной вентиляции помещений; изменение масс токсичных веществ при перемещении паров ОВ по вентиляционной системе с учетом очистки. Для запроектных аварий математическое обеспечение призвано прогнозировать динамику поступления токсичных веществ в природные среды в условиях пролива, пожара, взрыва. При этом должны учитываться характеристики токсичных веществ в аварийных выбросах (агрегатное состояние, дисперсность, химические реакции, температура, скорость и т.д.);


— оперативный и достоверный прогноз динамики развития аварийного загрязнения пограничного слоя атмосферы и динамику загрязнения (динамику восстановления) территорий, прилежащих к объекту утилизации.


Противоречивость требований по оперативности и достоверности должна быть разрешена путем:


— включения в математическое обеспечение моделей разного уровня достоверности и оперативности, но имеющих одно и то же функциональное назначение;


— широким использованием алгоритмов и программ параллельных вы-числений;


— использованием современных информационных технологий и средств вычислительной техники.


Представление пользователям оценок степени достоверности результатов прогнозирования. С этой целью математические модели, алгоритмы и программные продукты должны быть выверены на общеизвестных тестах. В частности, для проверки адекватности математических моделей и программных продуктов по прогнозированию распространения примеси в атмосфере обычно используется пакет “model validation kit”[11], который включает в себя три базы данных по результатам рассеяния примеси в пограничном слое атмосферы, набор программ и протоколов для проверки моделей. В настоящее время доступны базы данных с результатами экспериментальных исследований распространения примеси European Tracer EXperiment[12].


Представление пользователям оценок неопределенности (по входным данным) результатов прогнозирования, учитывающих, что исходная информация для системы прогнозирования определена с определенной степенью точности. Причем оценка неопределенности результатов прогнозирования должна рассчитываться и представляться пользователю одновременно с представлением результатов прогнозирования.


Математическое обеспечение подсистемы прогнозирования с точки зрения функциональных возможностей должно быть достаточным для прогнозирования последствий гипотетических аварий на объекте утилизации. Математическое обеспечение должно обеспечить приемлемый по точности и оперативности прогноз с указанием оценок неопределенности.


5. Возможные подходы к построению подсистемы прогнозирования


Анализ российских программных разработок по прогнозированию последствий аварий на объектах химико-технологического профиля не позволяет выделить разработку, которая бы полностью удовлетворяла предъявленным требованиям, хотя некоторые разработки могут найти применение как отдельные элементы системы. В частности, известные методики [13-14], доведенные до программных продуктов и прошедшие тщательное тестирование по экспериментальным данным могут найти применение в блоках оперативного прогнозирования распространения примеси в атмосфере. Методики [13-14] опираются на хорошо изученные модели рассеяния в атмосфере, которые широко используются как в национальных так и международных организациях по контролю за радиационным загрязнением атмосферы. Применение моделей для аварийных «выбросов» токсичных веществ в условиях пожара, взрыва не правомерно. Нужно отметить, что представленные в методиках[13-14] модели испарения не прошли достаточную проверку на экспериментальном материале.


Наиболее продвинутым программным продуктом, ориентированным на решение задач прогнозирования рассеяния примеси в атмосфере при авариях, является «Компьютерная система информационной поддержки решения задач чрезвычайных ситуаций, связанных с аварийным загрязнением окружающей природной среды анализа и контроля RECASS». Разработчик НПО «Тайфун». Назначение системы — прогноз последствий радиационных аварий. Аналогичные системы эксплуатируются в США(NARAC), ЕС(RODOS, HITERM). Представленные системы имеют хорошее метеорологическое обеспечение, которое может быть адаптировано к условиям конкретной территории.


Вместе с тем, начальная ориентация систем на радиационные аварии приводит к затруднениям адаптации, например системы RECASS, для прогноза последствий химических аварий. Например, в системе RECASS, отсутствуют модели, отвечающие возникновению и развитию источников токсической опасности: модели испарения; модели горения жидкости, модели объемных пожаров с вовлечением ОВ; развития аварии внутри вентилируемых помещений и т.д. Модели рассеяния примеси в атмосфере, ввиду их ориентации на последствия радиационных аварий, принципиально не учитывают специфику химических аварий (химические реакции высокого порядка, источники выбросов при крупных пожарах, термики и др.).


Наиболее полно требованиям, предъявляемым к системе прогнозирования последствий аварий на объектах уничтожения химического оружия, отвечают разработки Института катастроф УдГУ[2-10]. В основе прогнозирования последствий функционирования объекта в штатном и в аварийном режимах работы лежат физико-химико-математические модели, в которых учтена специфика боевых отравляющих веществ. Высокопроизводительный программный комплекс, базирующийся на параллельных алгоритмах, прошел опытную эксплуатацию.


Литература





1. Эдвард Карлсон, Матс Конберг, Пер Рун, Стеллан Винтер. Оценка последствий возможных аварий на объекте по хранению люизита в районе г. Камбарки. Российский химический журнал. т. XXXIX. № 4. 1995. С. 79—88.


2. Под ред. Колодкина В.М. Прогноз последствий аварий на объекте хранения боевых отравляющих веществ в районе г. Камбарка Удмуртской Республики. — Ижевск: Изд-во УдГУ, 1995 г. 113 с.


3. V.Kolodkin. Risk posed by the chemical weapon stockpile in the Udmurt Republic // Chemical Weapon Destruction in Russia: Political, Legal and Technical Aspects. Edited by John Hart and Cynthia D. Miller. SIPRI Chemical & Biological Warfare Studies., 17., 1998. Oxford University Press. P. 94—102.


4. Под ред. Колодкина В.М. Оценка риска, связанного с объектами хранения химического оружия на территории Удмуртской Республики. — Ижевск: Изд-во УдГУ. 1996 г. 218 с.


5. Обоснование возможных аварийных ситуаций на объекте по уничтожению химического оружия в г. Камбарка Удмуртской Республики // Отчет о выполнении 1-го этапа работ. ФГУП «СоюзпромНИИпроект». — М. 2004 г.


6. Колодкин В.М. Проектирование систем экологического мониторинга для районов размещения потенциально опасных объектов // Сб. статей «Экологический мониторинг». — Ижевск. 2002 г. С. 5—18.


7. Колодкин В.М., Аксаков А.В., Мурин А.В. Прогнозирование экологических рисков при химических авариях // Сб. докладов международной конференции «Экологическая и информационная безопасность». — М.: «Атомэнергоиздат». 2004 г. С. 134—137.


8. Колодкин В.М., Мурин А.В., Петров А.К., Горский В.Г. Количественная оценка риска химических аварий. — Ижевск: Изд-во Удм. Ун-та. 2001. 228 с.


9. Мурин А.В. Математическое моделирование на параллельных системах последствий химических аварий. — Дисс. на соискание уч. степени кандидата физ.-мат. наук. — Ижевск. 2002. 201 с.


10. Мурин А.В. Параллельная объектно-ориентированная среда для моделирования процессов атмосферного переноса при аварийных выбросах // Вычислительные технологии. Том 9. Спец. вып. Ч.2. 2004. С. 42—49.


11. Initiative on “Harmonisation within Atmospheric Dispersion Modelling for Regulatory Purposes” — http:www.dmu.dk/AtmosphericEnviroment/harmoni.htm


12. The European Tracer Experiment // Joint Research Centre. Luxembourg. Office for Official Publications of the European Communities. 1998. 107 p.


13. Методика определения площади зоны защитных мероприятий, устанавливаемых вокруг объектов по хранению химического оружия и объектов по уничтожению химического оружия. — М.: МО РФ, 1999.


14. Методика оценки последствий аварий на объектах по хранению и уничтожению химического оружия. — АГЗ МЧС РФ, Новогорск, 2001.


Источник: Информационно-аналитический сборник » Федеральные и региональные проблеммы уничтожения химического оружия», Выпуск 5.


Статьи и материалы Сборника включают данные 2004г.

Возврат к списку