Основы методологии оценки эффективности аэрокосмического мониторинга чрезвычайных ситуаций

Основы методологии оценки эффективности аэрокосмического мониторинга чрезвычайных ситуаций

Резников В. М., к.т.н., ВНИИ ГО ЧС

Эффективность проведения спасательных операций при природных и природнотехногенных чрезвычайных ситуациях во многом зависит от оперативности и качества принимаемых управленческих решений.

Для повышения оперативности получения необходимых данных для проведения спасательных мероприятий при возникновении природных чрезвычайных ситуаций в МЧС России была создана система мониторинга и прогноза ЧС. В соответствии с приказом МЧС России №722 от 10.11.96 г. «Об организации работ по использованию средств наблюдения и контроля космического базирования для предупреждения и оперативного контроля чрезвычайных ситуаций в системе МЧС России» ВНИИ ГОЧС был развернут экспериментальный пункт приема и обработки космической информации. В дальнейшем на базе ВНИИ ГОЧС была развернута система космического мониторинга чрезвычайных ситуаций МЧС России (СКМ ЧС), представляющая собой сеть наземных пунктов приема и обработки космической информации. На систему возложены задачи регулярных наблюдений и контроля окружающей среды для оценки ее состояния, анализа происходящих в среде процессов и своевременного выявления происходящих в ней изменений с целью обеспечения возможности смягчения природных и природнотехногенных рисков. Система постоянно расширялась и совершенствовалась и в настоящее время представляет распределенную систему космического мониторинга, в составе которой пять пунктов приема, обеспечивающих органы управления космической информацией практически обо всей территории Российской Федерации. Для обнаружения чрезвычайных ситуаций были разработаны методы тематической обработки космических данных ДЗЗ и специальное программное обеспечение.

СКМ ЧС достаточно успешно выполняет первоначально возложенные на нее задачи: мониторинг пожарной и паводковой обстановки, оценки масштабов последствий природных ЧС, однако в процессе ее эксплуатации были выявлены существенные проблемы, сужающие перечень типов природных ЧС для успешной ликвидации (локализации) которых необходима оперативная и достоверная информация. В этом смысле наземная составляющая опережает космическую, т.к. разработанные методы не обеспечены соответствующей оперативной информацией высокого разрешения.

Основной недостаток современных космических систем - принципиальная невозможность одновременного обеспечения высокого пространственного и временного разрешения информации. Если данные низкого разрешения можно получать с периодичностью 16 часов с одного космического аппарата, то периодичность получения данных высокого разрешения исчисляется неделями.

Авиационные средства разведки, имеющиеся в распоряжении МЧС России не могут вести постоянное, круглосуточное наблюдение за всей территорией РФ, в чем и состоит суть мониторинга.

В рамках чисто космической системы это противоречие разрешимо только при многократном увеличении группировки КА. Более простой и дешевый путь - добавление к космическому сегменту СКМ ЧС стратосферного (высотного) сегмента.

Федеральной целевой программой «Снижения рисков и смягчения последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2010 года» (п. 34) предусмотрено создание аэрокосмической системы мониторинга (АКСМ) чрезвычайных ситуаций. Созданию любой системы должно предшествовать обоснование ее эффективности, что в свою очередь предполагает создание совокупности методов и способов оценки как системы в целом. Так и сравнительной оценки вариантов ее структуры и состава.

Структура АКСМ (рис.1) должна представлять собой трехзвенную систему, сегменты которой соответствуют масштабам чрезвычайных ситуаций и структуре МЧС России. Верхний, космический, сегмент информационно замыкается на структуры регионального и федерального подчинения, средний, стратосферный на базе аэростатов и дирижаблей, - на территориальные (субъктовые) центры мониторинга и прогнозирования ЧС. Нижний, авиационный, обслуживает силы реагирования при ведении аварийно-спасательных работ. Этот сегмент не требует специального методологического осмысления, его развитие состоит в наращивании средств в соответствии с установившейся практикой использования. Правда, в настоящее время сегмент имеет тенденцию к расщеплению на пилотируемую и беспилотную авиацию, но обсуждение этих проблем выходит за рамки настоящей статьи, основное внимание которой привлечено к рассмотрению возможной эффективности стратосферного сегмента, добавление которого только и превращает космическую систему мониторинга в аэрокосмическую.

При разработке методологии оценки эффективности системы мониторинга необходимо иметь ввиду следующие положения.

АКСМ является функциональной составляющей - информационной подсистемой - системы безопасности в чрезвычайных ситуациях и как таковая не может оцениваться по конечному результату - снижению рисков от ЧС, а только по степени выполнения требований со стороны исполнительной системы.

АКСМ, будучи входной подсистемой, в значительной мере определяет конечный результат проводимых мероприятий по ликвидации ЧС и смягчению их последствий.

При анализе эффективности АКСМ необходимо исследовать верхнюю оценку в предположении максимального использования полученных ею данных, т.к. исследуются возможности снижения рисков ЧС, а не результат. Это первый основной постулат оценки АКСМ.

Второе. Основными показателями качества информации являются: объективность, достоверность и своевременность (оперативность) передачи информации в управляющую подсистему (на основании первого постулата время задержки в системе связи игнорируется).

Объективность полученных данных обеспечивается самим фактом существования независимой структуры АКСМ.

Достоверность, т.е. точность определения координат объекта съемки и необходимая подобность спектра его излучения, определяется характеристиками съемочной аппаратуры и не зависит от структуры АСКМ, а только от характеристик средств приема и обработки данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Значения тех и других характеристик задаются исходя из достигнутых возможностей науки и производства.

Оперативность же полностью определяется структурой системы мониторинга и с этой точки зрения необходимо оценивать эффективность системы мониторинга ЧС в предположении максимально возможного приборного оснащения. В этом смысле оценка эффективности сводится к оценке оперативности обновления информации высокого пространственного разрешения, т.е. веровременным ятным характеристикам.

Рассматриваемая система является, многосвязной, состоящей из отдельно существующих элементов различного функционального назначения. Она оперирует с объектами разных характеристик, их поступление на вход системы, ввиду значительного количества, может считаться случайным Марковским процессом. Следовательно, к ней применим системный анализ, который понимается как исследование проблемы принятия решения в сложной системе и подразумевает: описание множества альтернатив, исследование многокритериальных задач, методы решения задач оптимизации, обработку экспертных оценок.

Основные принципы системного подхода, используемые при постановке и решении задачи:

- принцип конечной цели, абсолютный приоритет конечной цели - снижение риска ЧС;

- принцип единства - совместное рассмотрение системы как целого и как совокупности элементов;

- принцип связности - рассмотрение любой части совместно с ее связями с окружением;

- принцип модульного построения - выделение типовых модулей в системе и рассмотрение ее как совокупности модулей;

- принцип функциональности - совместное рассмотрение структуры и функции с приоритетом функции над структурой;

- принцип развития - учет изменяемости системы, ее способности к развитию, расширению, замене частей, накапливанию информации;

- принцип неопределенности - учет неопределенностей и случайностей в системе.

При определении эффективности АКСМ необходимо, также, применять принцип декомпозиции - отдельное рассмотрение эффективности по задачам (прогноз, обнаружение, оценка последствий) и типам ЧС. Обобщенная оценка системы производится путем суммирования предотвращенного ущерба (рисков) по всем задачам и типам ЧС с соответствующим весом, значение которого коррелируется с величиной среднего риска и может быть разным для различных регионов. Для случая значительных различий в весовых коэффициентах целесообразно применить метод ранжирования, оценивая систему по наиболее значимым задачам, переходя к оценке в следующем ранге только при примерном равенстве исследуемых вариантов. Такой метод может значительно сократить объем расчетов. Например, оценка эффективности получения среднесрочного прогноза по данным космического ДЗЗ может быть поставлена на последнее место, т.к. может быть получена (и получается) без жестких требований по оперативности и, кроме того, получается другими методами и системами. Наоборот, краткосрочный прогноз землетрясений является задачей приоритетной.

Возможности применения АКСМ для иных (не входящих в перечень задач МЧС России) задач рассматриваются в качестве дополнительных вне ранжирования.

В случае примерного равенства весовых коэффициентов целесообразно воспользоваться упрощенной оценкой - по произведению среднего времени обновления информации т на минимальное значение пространственного разрешения А:

Э ~ тА .

Среднее время обновления информации от одного КА может оцениваться по верхнему значению - времени повторяемости траектории. При получении информации от нескольких КА, что имеет место на практике, необходимо воспользоваться методами теории массового обслуживания, рассматривая суммарный поток информации.

Оценка эффективности выполнения отдельных задач производится по соответствующим моделям. Так, для природных стихийных бедствий кратковременного действия - землетрясений, тайфунов, ураганов важной характеристикой для сокращения людских потерь является краткосрочный прогноз за время не больше заданного. Для развивающихся ЧС, при которых ущерб со временем растет (пожары, наводнения, транспортные аварии), ущерб оценивается сверткой функции величины ущерба от времени развития события с плотностью распределения времени обнаружения. В иных случаях достаточной оценкой является вероятность обнаружения возникшего события.

Рис. 1. Общая структурная схема АКСМ