Математическое моделирование и методы комплексной оценки техногенной безопасности для научных и учебных целей

- кандидат военных наук, доцент Овечко В.Г.;

- кандидат военных наук, доцент Белоусов В.Н;

- кандидат военных наук, доцент Бойко А.В.

Основное направление деятельности научной школы - создание научно-теоретических основ мобилизационной подготовки и мобилизации экономики в Российской Федерации.

В данном направлении деятельности выполнено 2 научно-исследовательские работы по заказу Минэкономразвития России, издано по государственному оборонному заказу 12 учебников тиражом 1000 экземпляров каждый, выполнено и защищено 2 диссертации на соискание ученой степени кандидата наук. Над кандидатскими диссертациями в настоящее время работает 2 соискателя. Опубликовано в различных изданиях 10 статей и тезисов докладов на научных конференциях и семинарах.

За цикл разработанных учебников по мобилизационной подготовке экономики Антонов П.И., Безмен М.М., Говоров М.В., Мартынов В.В. удостоены Государственной премии им. Маршала Советского Союза Г.К.Жукова в области военной науки.

Научная школа №2: «Обеспечение мобилизационной готовности Российской Федерации».

Руководитель научной школы Лауреат Государственной премии им. Маршала Советского Союза Г.К.Жукова, кандидат военных наук, доцент Безмен М.М.

Руководителями научных направлений являются:

- Заслуженный работник ВШ РФ, д.в.н., проф. Кузьмин В.М.;

- к.в.н., проф. Павлусик И. А.;

- к.в.н., доц. Штернов В.П.;

- к.т.н., доц. Галактионов А.И.;

- к.в.н., доц. Григорьев В.П.

Основное направление деятельности научной школы - создание научно-теоретических основ всестороннего обеспечения мобилизационной готовности экономики, Вооруженных Сил РФ, войск ГО, других войск и воинских формирований.

В данном направлении деятельности выполнено 2 научно-исследовательские работы по заказу Минэкономразвития России, издано по государственному оборонному заказу 9 учебников тиражом 1000 экземпляров каждый, выполнено и защищено 2 диссертации на соискание ученой степени кандидата наук, подготовлены 1 диссертация на соискание ученой степени доктора наук и 1 диссертация на соискание ученой степени кандидата наук. Над кандидатскими диссертациями в настоящее время работает 3 соискателя. Опубликовано в различных изданиях 15 статей и тезисов докладов на научных конференциях и семинарах.

По данным направлениям более 20000 экземпляров учебников отправлены в Федеральные органы исполнительной власти, органы исполнительной власти субъектов РФ, местного самоуправления и организации для обучения специалистов в области мобилизационной подготовки.

УДК 517.958:52/59

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И МЕТОДЫ КОМПЛЕКСНОЙ ОЦЕНКИ

ТЕХНОГЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ДЛЯ НАУЧНЫХ И УЧЕБНЫХ ЦЕЛЕЙ

Добров А.В., к.т.н., доц.

Академия гражданской защиты МЧС России

MATHEMATICAL MODELING AND METHODS OF COMPLEX ESTIMATION TECHNOGENIC SAFETY FOR SCIENTIFIC & EDUCATIONAL PURPOSES

Dobrov A. V.

Кафедра «Прикладная математика» ведёт свою историю с июля 1998 г., когда было принято решение создать вместо кафедры «Математика» две новые кафедры: «Прикладная математика» и «Общая математика». Исследованиям на кафедре посвящена данная статья.

Кафедрой прикладной математики читаются нижеперечисленные дисциплины.

1. Для курсантов командно-инженерного факультета, выпускаемых по специальности «Прикладная математика»:

- теория функций комплексного переменного;

- теория вероятностей и математическая статистика;

- основы теории эффективности;

- теория случайных процессов;

- дифференциальные уравнения;

- дифференциальные уравнения в частных производных;

- методы оптимизации;

- теория управления;

- численные методы;

- теория игр и исследование операций;

- нечёткие множества и нечёткая логика;

- интеллектуальные системы;

- математическое моделирование.

2. Для слушателей факультета руководящего состава и по специальности «Государственное и муниципальное управление», «Командно-штабная оперативно-тактическая гражданской защиты» - системный анализ.

3. Для слушателей факультета руководящего состава и специального факультета по подготовке иностранных военнослужащих, выпускаемых по специальности «Командно-штабная оперативно-тактическая гражданской защиты» - высшая математика.

4. Для адъюнктов - математическое моделирование.

В настоящее время на кафедре работают:

заслуженный деятель науки РФ, д.т.н., проф., академик Российской академии космонавтики Воронецкий А.В.; доц. Некрасов О.Н., к.т.н. Бахтиярова О.Н., к.п.н. Гальченко В.Т.

Профессорско-преподавательский состав кафедры ведёт большую научную и учебно-методическую работу.

В рамках научного направления: «Математические методы анализа безопасности объектов и территории» разрабатываются алгоритмы решении задач оценки и управления природной и техногенной безопасностью объектов и территорий методами теории нечётких множеств.

Выбор методов теории нечётких множеств для решения поставленных задач связан с тем, что неопределённость и нечёткость характеризуют ситуации, в которых мы рассматриваем окружающие нас реальные явления. Оба эти понятия относятся к объёму знаний, которыми мы владеем и которые могут быть в нашем распоряжении, но этот объем принципиально ограничен.

Неопределённость и нечёткость дополняют друг друга и представляют собой две части общего явления, которое называется недетерминированностью.

Неопределённость возникает из-за недостатка знаний, относящихся к появлению некоторого события. Она встречается до момента проведения некоторого эксперимента (процесса, события, теста и т.п.), результат которого нам не известен. После проведения эксперимента и анализа его результатов неопределённость полностью или частично исчезает.

Термину «появление» внутренне присущ некоторый момент времени, т.е. неопределённость всегда связана с вопросом появления или непоявления данного события в пределах некоторого отрезка времени.

Специфической формой неопределённости является случайность, которая была введена в рассмотрение в значительной степени, благодаря наличию большого числа внешних факторов, вызывающих неясность исхода и не позволяющих в этом случае использовать детерминированное описание процесса, явления или фактора.

В 20-м веке в связи с открытиями в ядерной физике и квантовой механике случайность и неопределенность были расценены как неотъемлемые и глубокие характеристики природных (и

социальных) процессов и явлений. В квантовой механике понятие случайности является фундаментальным, поскольку эта теория предполагает только вероятностную форму описания характеристики результатов.

Математическая модель неопределённости основана на теории вероятностей. В обычной терминологии вероятность понимается как численная мера правдоподобности появления некоторого события. Значением вероятности является число из интервала [0; 1], так что значение, близкое к 1, означает, что событие правдоподобно произойдёт, а близкое к 0 - противоположное.

Существуют другие математические теории описания неопределённости, например, теория возможностей.

Нечёткость - это понятие возникает в процессе объединения объектов, которые имеют одно и тоже свойство ф. Результатом объединения будет группировка объектов Х.

Группировка Х не является множеством, поскольку обладание свойством ф может и не привести к возможности точно и однозначно описать группировку Х из-за того, что могут существовать граничные элементы, для которых не всегда ясно, обладают ли они свойством ф и, значит, принадлежат Х или нет.

Типичным примером является нечёткое свойство - быть малым натуральным числом.

Нечёткость возникает из способа познания мира и его объектов. Наше сознание формирует понятия через процесс моделирования или «идеализации». Однако сами природные процессы только частично совпадают с такого рода идеализацией и именованием, так как в самой природе нечёткость не предусмотрена.

Нечёткость противоположна точности и она не может быть устранена из способов объяснения человеком окружающего мира. Всякая попытка истолковать общее с необходимостью ведёт к использованию нечётких понятий, поскольку точное описание содержит излишнее количество деталей. Для понимания общего мы должны их сгруппировать, что точно сделать трудно. Подобная ситуация часто возникает в естественном языке, которому свойственна нечёткость терминов и понятий.

Таким образом, можно заключить, что увеличение точности ведёт к увеличению количества информации, содержательность которой убывает до такого момента, пока точность и содержательность не станут взаимно исключающими характеристиками. Это составляет принцип неопределённости, описанный Л.А. Заде. Он показывает, что нечёткость необходима для передачи содержательной информации.

Математическая теория нечёткости наиболее успешно представлена нечёткой логикой.

Таким образом, из сравнения неопределённости и нечёткости как двух граней недетерминированности следует, что для неопределённости принципиальным является появление в результате эксперимента некоторого события, одного или нескольких. Могут появиться разные события, но у нас нет достаточных знаний для определения, какое именно из них произойдёт.

Нечёткость относится к способу описания самого события и не рассматривает вопрос, произойдёт оно или нет. Это событие представимо «одной» группировкой «многих» объектов.

Следовательно, можно говорить, что нечёткость возникает как отношение многое - к -одному, в то время как неопределённость возникает как отношение один - ко - многим.

В действительности недетерминируемости присущи как неопределённость, так и нечёткость.

Различие между нечёткостью и неопределённостью может быть охарактеризовано на основе сопоставления актуальной и потенциальной сущностей.

В классической теории множеств каждое множество понимается актуальным, т.е. его элементы представляются существующими и имеющимися в распоряжении наблюдателя в каждый момент времени. Это относится как к конечным, так и к бесконечным множествам. Несмотря на то, что только часть бесконечного множества может быть доступна, наши рассуждения относительно произвольного множества происходят из предположения, что оно имеется в нашем распоряжении целиком.

С другой стороны, большинство окружающих нас событий всего лишь потенциальны, т.е. они не обязательно могут появиться или произойти.

Следовательно, разница между актуальным и потенциальным соответствует разнице между нечётким и неопределённым.

Нечёткость происходит из неактуализованных (актуализировать - воссоздать реалистически, актуализированных - воссоздаваемых реалистически), неформализованных, нечётко описанных группировок, в то время как неопределённость встречается тогда, когда мы имеем дело с ещё не актуализированными областями изменения объектов. Последнее означает, что мы можем делать предположения о протяжённости группировки Х, но только часть её существует в действительности (доступна наблюдению). Более того, будучи однажды актуализованной (т.е. уже существующей) группировка объектов из Х находится в нашем распоряжении, так что имеет смысл говорить об истинности того факта, что некоторый элемент принадлежит этой области.

Действительно, сформируем объект рассмотрения у. Если выяснится, что он обладает свойством ф, то мы знаем, что он попадает в существующую часть Х, т.е. мы знаем, что утверждение уеХ истинно. Однако, в общем случае, имеет место неопределённость: будет ли у сформирован (будет существовать) или нет, и поэтому мы не можем говорить об истинности, того, что уеХ.

Математика стоит перед проблемой, как описать нечёткие группировки объектов. Классическая теория множеств не занималась нечёткостью, поскольку не было к ней интереса. Теория нечётких множеств представляет собой попытку найти такое описание нечётких группировок, которая в ситуации, где, например, естественный язык играет значительную роль, была бы более удобна, чем классическая теория множеств.

В основу разрабатываемом на кафедре прикладной математике научном направлении оценки и управлении безопасностью объектов и территории положен общий принцип, который основан на градуированном или нечётком подходе. Это означает использование шкалы при описании отношений между объектами и их свойств. Градуированный подход, по всей видимости, представляет собой общий принцип человеческого мышления, который используется при попытке выяснить, обладает ли объект свойствами в полной мере или частично, поскольку данное свойство нечёткое.

Например, мы часто говорим «низкий уровень опасности», «высокий уровень техногенной безопасности», «низкий уровень риска», «высокий уровень устойчивости», «чересчур неприятная ситуация», «очень сильный ветер» и т.п. Во всех этих ситуациях присутствует скрытая степень интенсивности рассматриваемых свойств.

Градуированный подход может быть формализован с помощью специальной шкалы, которая является упорядоченным множеством. Для того чтобы быть достаточно общим и учитывать свойство непрерывности нечёткости, в этом подходе предполагается, что мы имеет несчётное множество. Для представления различных манипуляций со свойствами, которыми частично обладают объекты, шкала снабжается дополнительными операциями, в результате получается специальная алгебра. Результатом градуированного подхода к нечёткой группировке являются нечёткие множества.

Для оценки природной и техногенной безопасности объектов и территорий необходимо иметь математические модели природных и техногенных процессов разного уровня детализации, которые адекватно описывают различные процессы формирования и развитие природных и техногенных процессов, приводящих к возникновению угроз, опасностей и рисков на объектах и территориях. По свое природе эти процессы плохо или вообще не формализуемые, поэтому одним из направлений в рамках общего направления «Математических методов анализа безопасности объектов и территории» развивается направление, связанное с построением имитационных моделей на основе агрегативного подхода к описанию процессов моделирования и организации квазипараллельного режима в имитационных моделях. Это направление базируется на работах Н.П. Бусленко.

Планируется:

• развитие методов теории нечётких множеств для оценки и прогнозирования природной и техногенной безопасности объектов и территорий;

• построение экспертных систем на основе нечёткой логики, предназначенных для оценки природно-техногенной безопасности объектов и территорий;

• разработка математических моделей опасных природных и техногенных процессов;

• разработка и построение имитационных моделей техногенных и природных чрезвычайных ситуаций.

Основные направления научных исследований коллектива

1. Основы, общие задачи и методы оценки опасности и угроз.

2. Математические методы оценки угроз, опасности и рисков.

3. Экспертные и советующие системы, предназначенные для оценки природно-техногенной безопасности объектов и территорий.

В рамках научного направления кафедры совместно с В.И. Мухиным издана монография [4], защищена одна кандидатская диссертация ст. лейтенантом Поддубецким Е.А. и ведётся подготовка адъюнктов:

лейтенанта Кудренко М.С., лейтенанта Рыбакова А.В., представителя Таджикистана майора Курбонбеков Д.Д.;

одного аспиранта Подреса К.С.;

осуществляется научное руководство диссертационным исследованием адъюнкта кафедры медико-биологической защиты лейтенанта Мясникова Д.В. и адъюнкта кафедры гражданской защиты Письменского Н.В.;

двух соискателей: капитана Рябова С.В. и ст. лейтенанта Малахова В.А. по направлениям:

- оценка природной и техногенной безопасности объектов промышленности и территории;

- математические методы поддержки принятия решений [2,3,5];

- математическое моделирование природных и техногенных ЧС [1,5,6];

- оценка эффективности функционирования сил и средств МЧС России [2,4].

Разработки, выполненные под руководством д.т.н. профессора Воронецкого А.В., удостоена серебряной медали на Всемирном Салоне изобретений «Женева - 2001» и золотой медали на Всемирном салоне изобретателей в 2003 году в Брюсселе.

За время существования кафедры было подготовлено и выпущено 37 курсантов и слушателей по специализации «Математическое обеспечение исследований систем предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций»

На кафедре работает научный кружок. Наиболее способные курсанты выполняют свои научные работы во ВНИИ ГОЧС под руководством преподавателей кафедры и сотрудников института.

Три работы выполненные курсантами получили первые места во Всероссийском открытом конкурсе, проводимом министерством науки и образования России.

В условиях информатизации высшей военно-профессиональной школы наиболее целесообразно отбор содержания проводить на основе теории дидактического единства содержательной и процессуальной сторон обучения. Сформулированные в рамках названной теории принципы и критерии формирования содержания образования позволяют военному педагогу на научной основе реализовать в учебном процессе определенные им цели обучения. Однако это не исключает необходимость соотнесения их с запросами профессиональной деятельности, возникающими по мере развития современного общества.

В этой связи одной из частных задач настоящего исследования встала задача разработки учебно-методического комплекса подготовки инженеров-математиков к профессиональной деятельности в центрах мониторинга и прогнозирования ЧС в рамках обучения их по специальности «Прикладная математика».

В последние десятилетия в мире развивается новая прикладная область математики, специализирующаяся на искусственных нейронных сетях (НС). Актуальность исследований в этом

направлении подтверждается широким применением НС в автоматизации процессов распознавания образов, адаптивном управлении, прогнозировании, в создании экспертных систем и многих других областях.

Предлагаемая методика применения НС в тренажерных программно-технических комплексах для подготовки специалистов МЧС реализует методы когнитивной графики и основана на анализе визуальной модели, отображающей реальную обстановку на цифровой карте местности в виде, удобном для восприятия обучающимся, а также в виде, позволяющим автоматизировать оценку его действий.

Обучающийся разрабатывает визуальный образ размещения сил и средств на цифровой карте местности - картографическую модель предметной области, которая служит в качестве исходной информации для интеллектуальных средств обучения, использующих процедуры последовательного применения методов анаморфирования [3] и классификации визуальных моделей на основе НС. Задача формирования научно-обоснованных по содержанию и объему учебных планов и программ является одной из важнейших и актуальных задач, возникающих в процессе непрерывного профессионального обучения специалистов МЧС, и обязательно требует разработки методик математических моделей и алгоритмов оптимизации, позволяющих подойти к ее решению с единых методологических позиций на основе использования идей и разработок системного анализа, ориентированных на концептуальные модели, описанные в количественной форме.

Одним из наиболее эффективных методов, который может быть принят в качестве методологической основы непрерывной профессиональной подготовки специалистов МЧС, является программно-целевой метод планирования. Технология этого метода планирования применительно к задаче формирования научно-обоснованных по содержанию и объему учебных планов и программ позволяет связать в единое целое разработку учебных планов с целями подготовки, а через них и конкретными программами учебных дисциплин. Программно-целевой метод позволяет развернуть главную цель непрерывной подготовки специалистов МЧС в иерархический граф цели и задач меньшего масштаба. Он дает возможность выбора методологии близкой к оптимальному решению, с позиции достижения главных целей повышения уровня профессиональной идентичности специалиста МЧС [5].

Учебные программы должны представлять собой совокупность взаимосвязанных разделов и тем учебного материала, изучение которых позволит специалистам МЧС овладеть знаниями и навыками, необходимыми им для достижения сформулированных в квалификационных характеристиках целей.

Только при таком подходе программы разрабатываются с ориентацией на конечные цели непрерывной подготовки специалистов МЧС, и являются соотносимыми непосредственно с промежуточными целями и реализуются через эти цели. Программно-целевой метод не вступает в противоречие с традиционными методами планирования непрерывной подготовки специалистов МЧС. Он является дополнением и развитием, позволяющим с новых позиций подойти к планированию подготовки данных специалистов, повысить его эффективность и качество. Учебный план при этом должен быть разделен на следующие этапы: 1.Этап прогноза. Определяются цели и задачи деятельности специалиста. 2.Этап оптимизации. Это процесс собственно планирования. Выработка соответствующих критериев, объема учебного времени, отводимого на изучение каждой темы учебного материала. Анализ и выбор методов оптимизации. З.Этап агрегирования. Анализ взаимосвязи тем учебного материала и сферы практической деятельности специалиста МЧС. Постановка задачи формирования учебных программ.

К сожалению, до сих пор подготовка ведётся по традиционной схеме, используя фронтальные методы обучения - лекции, семинары, в то время как другие страны от этого давно отказались и перешли к более эффективным методам. Особое внимание следует уделить конструированию форм организации различных видов деятельности специалистов МЧС в процессе непрерывной профессиональной подготовки.

Литература

1. Добров А.В., Рябов С.В. Отчет о НИР: «Разработка методов прогнозирования развития природных чрезвычайных ситуаций» ». - М.: ДПЧС МЧС России. - 2007.

2. Добров А.В., Поддубецкий Е.А. Отчет о НИР «Разработка методики управления процессами формирования и доставки грузов гуманитарной помощи в зону ЧС». - М.: ДМД МЧС России. - 2007.

3. Добров А.В., Кашарный В.В., Поддубецкий Е.А. Основы выработки решений и модели системы доставки гуманитарной помощи в зону ЧС // Технологии гражданской безопасности. М.: ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ). №3 (13). - 2007. - С.89-94.

4. Мухин В.И., Добров А.В. Методы оценки проектных рисков. - М.: НИБ. 2005.- 212 с.

5. Арефьева Е.В. Математические методы предупреждения чрезвычайных ситуаций при подтоплении объектов и территорий. - М.: Изд-во Тровант, 2006. - 88 с.

6. Арефьева Е.В. Подтопление объектов экономики как потенциальный источник возникновения инженерно-геологических опасностей и чрезвычайных ситуаций. Химки: АГЗ, 2007. - 118 с.

УДК 17:37.01

РАЗВИТИЕ НАУЧНОЙ ШКОЛЫ «ФОРМИРОВАНИЕ ДУХОВНОГО МИРА ЛИЧНОСТИ»

Ремизов В.А., д.культ., проф., заслуженный работник высшей школы, Академия гражданской защиты МЧС России

DEVELOPMENT OF THE SCIENTIFIC SCHOOL «FORMATION OF PERSON'S INNER WORLD»

Remizov V.A.

Работа посвящена формированию и развитию научной школы формирования духовного мира личности

Научная школа по данной проблеме начала складываться у автора во второй половине восьмидесятых годов. Автор ее формировал, расширяя проблемы кандидатской диссертацией по проблеме эстетического восприятия личности. В эти годы состоялась защита пяти кандидатских диссертаций, подготовленных на обозначенном научном поле под руководством автора. Тогда же автор принимал участие в разработке одного учебника и нескольких учебных пособий в стенах Военного Университета РФ и Львовского высшего военно-политического училища. Среди них - «Культурно-просветительная работа в армии и на флоте», «Этика офицера - политработника», «Культура и воспитание воинов Вооруженных Сил СССР», «Искусство и формирование эмоционального мира воинов». В 90-е годы автор сосредотачивает свое внимание на проблемах культуры личности непосредственно. Этому были посвящены выступления на ряде международных и всероссийских научных конференциях, научные публикации и публикации в периодической печати. Автор развивает эту тему и в другой - в художественной форме, публикуясь в Союзе писателей. В настоящее время автор имеет 15 поэтических сборников, посвященных в значительной мере теме личности и ее духовности.

В этот период под руководством автора подготовлен ряд кандидатских диссертационных исследований, в которых тема культуры личности являлась, если не персонифицираванной, то соотнесенной. Среди четырех диссертантов следует отметить работу Кердана А.Б. по теме «Искусство в системе формирования чести офицера», где «честь» рассматривалась как явление культуры в личностном измерении. Им так же подготовлена монография, в которой широко использованы работы, опубликованные в рамках научной школы. Проблеме профессиональной личностной культуры была посвящена диссертация Снобко Н.М.