Теория определения техногенного геодинамического риска пространственно-временного состояния технических систем

УДК 502.22 517:519.8 И.Г. Вовк, Т.Ю. Бугакова СГГА, Новосибирск

ТЕОРИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНОГЕННОГО ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО РИСКА ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

В статье изложены актуальность оценки безопасности техногенной деятельности человека, сформулирована цель исследований техногенного геодинамического риска пространственно-временного состояния технических систем, определены задачи для достижения цели.

I.G. Vovk, T.Yu. Bugakova SSGA, Novosibirsk

TECHNOGENIC GEODYNAMIC RISK OF ENGINEERING SYSTEMS SPACE-TIME CONDITIONS. THE THEORY OF DETERMINATION

The paper deals with the safety of human technogenic activities and the urgent problem of its evaluation. The research objective is stated concerning the technogenic geodynamic risk of engineering systems space-time condition. The task is set to achieve the goal.

Проблемы риска и производственной безопасности технических систем (ТС) приобретают всё большее значение. Особую актуальность они приобретают в связи с возникновением техногенных катастроф при строительстве и эксплуатации крупных инженерных сооружений, например, в атомной энергетике, химической промышленности, машиностроении, на транспорте и других отраслях хозяйственной деятельности. Причины техногенных катастроф разнообразны, но многие из них обязаны своим происхождением различным геодинамическим процессам и явлениям.

Геодинамикой называют раздел наук о Земле, лежащий на стыке астрономии, геодезии и геофизики. Основная задача геодинамики - изучение геодинамических систем и происходящих в них геодинамических процессов. Классическим примером геодинамической системы служит система Солнце -Земля - Луна. Геодинамические процессы на планете Земля генерируются её взаимодействием с Солнцем, Луной и другими планетами Солнечной системы, а так же процессами, происходящими в недрах Земли и на её поверхности.

Строительство и эксплуатация ТС нарушает равновесие, сложившееся в геодинамических системах, оказывает влияние на разнообразные процессы, протекающие в недрах Земли и на её поверхности, и генерирует множество разнообразных геодинамических явлений. Эти геодинамические процессы проявляются в локальных изменениях гравитационного поля Земли, в изменениях условий функционирования и существования ТС, в движениях и деформациях земной поверхности и ТС и других явлениях. Геодинамические системы, в которых ощутима техногенная деятельность

людей, называют техногенными геодинамическими системами, а геодинамические процессы, обусловленные техногенной деятельностью людей, - техногенными геодинамическими процессами.

Например, строительство и эксплуатация Саяно-Шушенской ГЭС привели к локальным изменениям гравитационного поля Земли в несколько

5 2

миллигал (10‘ м/с ) и локальным изменениям направления отвеса до 1" [1]. Изменения гравитационного поля и вертикальные смещения земной поверхности происходят и в окрестности разрабатываемых рудных месторождений [2]. В Тюменском регионе на газовых месторождениях, определены вертикальные движения земной поверхности со скоростью 15 мм/год. Движения и деформации земной поверхности техногенного происхождения могут иметь серьёзные последствия вплоть до угрозы безопасности состояния ТС и пребывания людей в указанных районах.

В настоящее время техногенная деятельность человека по своим последствиям становится сопоставимой с последствиями естественных геодинамических процессов. Любые нарушения геодинамического равновесия на Земле сопровождаются не всегда объяснимыми и предсказуемыми последствиями, которые представляют опасность для существования людей. Как известно абсолютную безопасность техногенной деятельности гарантировать в принципе невозможно и поэтому возникает необходимость оценивать меру этой опасности, т. е. оценивать риск опасных последствий техногенной деятельности. Этим обосновывается актуальность темы исследований.

В последнее время участились случаи возникновения техногенных катастроф и чрезвычайных ситуаций (ЧС), сопровождающиеся не только значительным материальным ущербом, но и человеческими жертвами и связанные с полным или частичным разрушением ТС.

Одним из значимых направлений в области безопасности техносферы является контроль состояний таких технических систем как строительные сооружения. И по сей день геодезическое обеспечение является необходимым и наиболее доступным для решения этой задачи.

Изучая движения и деформации сооружения, можно судить о его пространственно-временном состоянии (ПВС), оценивать опасность этого состояния и принимать необходимые меры для снижения техногенного риска.

Движение ТС - это изменение его положения в пространстве относительно принятой неизменной системы отсчёта, а деформация -движение частей системы относительно друг друга, сопровождающиеся изменениями формы и размеров всего сооружения или отдельных его частей. Форма, размеры и положение в пространстве ТС, отнесённые к некоторому моменту времени определяют её пространственно-временное состояние, а функции, характеризующие ПВС системы - характеристики состояния. Например, пространственно-временными характеристиками состояния ТС могут служить координаты контрольных точек сооружения, расстояния между ними, углы между направлениями векторов, связанных с контрольными точками, уравнения линий и поверхностей, описывающих

форму сооружения, площади частей поверхности сооружения и другие функции, определённые на множестве контрольных точек. Выбор характеристик для определения ПВС ТС неоднозначен, т. е. существует множество вариантов их выбора для достижения поставленной цели.

Традиционно ПВС системы определяется по координатам конечного числа контрольных геодезических точек, полученным из обработки повторных циклов геодезических измерений, выполненных в фиксированные моменты времени ^. По этим данным определяется математическая модель ПВС ТС в виде некоторой фазовой траектории в фазовом пространстве. Тогда положение фазовой точки на фазовой траектории, моделирующей эволюцию ПВС ТС, определит опасность состояния ТС в данный момент времени. Для оценки опасности состояния ТС в будущем необходимо выполнить прогнозирование эволюции ПВС ТС и по полученным результатам оценить риск опасного состояния системы.

Только по данным о ПВС или эволюции ПВС ТС определить причины возникновения опасного состояния невозможно. Однако эти данные служат надёжным предвестником возможного перехода сооружения из безопасного или неопределённого состояния в опасное и обосновывают необходимость выявления физических причин такого перехода. Задача будет решена, если определить состояние ТС и установить соответствие между ПВС ТС и мерой опасности состояния ТС.

Следовательно, цель исследования состоит в определении пространственно-временного состояния технических систем и оценке техногенного риска, обусловленного изменением ПВС ТС. В связи с многогранностью сформулированной цели меру её достижения необходимо, оценивать не по одному, а по множеству критериев. Вследствие этого может не существовать единственного решения полезного по всем критериям. Для нахождения такого решения потребуется привлечение эвристических методов решения, основанных на интуиции и опыте.

Изложенные обстоятельства свидетельствуют, что достижение сформулированной цели основывается на принципах системно-целевого подхода и осуществляется в результате решения следующей совокупности взаимосвязанных задач:

1. Анализ состояния проблемы: сбор статистических данных, изучение существующих решений, определение требований к результатам, определение требований к исходным данным, обоснование и формулирование проблемы.

2. Разработка теории определения пространственно-временного состояния технических систем.

3. Разработка математической модели для определения пространственно-временного состояния ТС по геодезическим данным.

4. Разработка теории оценки риска перехода ТС в опасное состояние по геодезическим данным.

5. Разработка математической модели оценки техногенного риска по геодезическим данным.

6. Оценка и анализ техногенного геодинамического риска по результатам моделирования пространственно-временного состояния технических систем.

Результаты исследований найдут применение при оценке и анализе техногенного риска в процессе проектирования, строительства и эксплуатации инженерно-технических систем: зданий и сооружений, дорог, нефте- и газопроводов, при решении задач физической геодинамики, в картографии, экологии и геоинформатике.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Вовк, И.Г. Системный анализ и моделирование пространственно-временного состояния технических систем [Текст] // ГЕО - Сибирь-2008. Т.3: Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология.Ч.2 : сб. материалов IV Междунар. Науч. Конгр. "Геосибирь 2008" 22 - 24 апр. 2008 г., Новосибирск. - Новосибирск: СГГА, 2008. - С 132 - 135.

2. Вовк, И.Г. Оценка состояния техногенных систем по геодезическим данным [Текст] // ГЕО - Сибирь-2009. Т.1: Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология. Ч.2 : сб. материалов V Междунар. Науч. Конгр. "Геосибирь 2009" 22 - 24 апр. 2009 г., Новосибирск. -Новосибирск: СГГА, 2009. - С 211 - 213.

3. Вовк, И.Г. Вариации гравитационного поля при изменении уровня водохранилища [Текст] // Геодезия и картография. - 1982. - №9. - С.12 - 15.

4. Вовк, И.Г. Неприливные вариации силы тяжести в окрестности рудного месторождения [Текст] / Вовк, И.Г., Горленко, Н.М. Повтор. Гравиметр. измерения. - М., 1984. - С. 78-79.

5. Бугакова, Т.Ю. Математическое моделирование эволюции объектов прикладной геодезии [Текст]/ Бугакова, Т.Ю., Вовк, И.Г. Геодезия и картография.-1999.-№11.-С.22-24.

6. Вовк И.Г. Математическое моделирование эволюции геофизических полей [Текст] // Геодезия и картография.- 1997.- №8.- С.8-11.

7. Вовк, И.Г. К вопросу выбора оптимального варианта развития систем [Текст] // Геосибирь - 2007. Т. 1: Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия. Ч1: сб. материалов ІІІ Междунар. науч. Конгр. "ГЕО-Сибирь - 2007", 25 - 27 апр.2007 г., Новосибирск. - Новосибирск: СГГА, 2007. - С. 88 - 91.

8. Вентцель, Е.С. Исследование операций [Текст]. - М.: Сов. Радио, 1972. - 522 с.

© И.Г. Вовк, Т.Ю. Бугакова, 2010