INTEGRAL ANALYTICAL ESTIMATION OF THE NATURAL AND ANTHROPOGENIC TERRITORY SAFETY OF KRASNOYARSK REGION Anna M. Metus, Tatiana G. Penkova Institute of Computational Modelling SB RAS, Krasnoyarsk, Russia Abstract: The natural and anthropogenic territory safety is defined by a synergy of environmental and tech- nosphere factors. This paper presents a comprehensive estimation of the natural and anthropogenic territory safety of Krasnoyarsk region based on the technique of integral analytical assessment. This technique pro- vides the formation of the complex safety indicator and the calculation of an integrated assessment of the state of environment and technosphere objects. Keywords: natural and anthropogenic territory safety, integral analytical assessment, complex safety indicator, territory management. Copyright © 2019 for this paper by its authors. Use permitted under Creative Commons License Attribution 4.0 Interna- tional (CC BY 4.0). ИНТЕГРАЛЬНОЕ АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОЦЕНИВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕРРИТОРИЙ КРАСНОЯРСКОГО КРАЯ Метус А.М., к.т.н. Пенькова Т.Г Институт вычислительного моделирования СО РАН, г. Красноярск Природно-техногенная безопасность территории определяется совокупностью факторов окру- жающей среды и техносферы. В работе выполнено оценивание состояния природно-техногенной без- опасности территорий Красноярского края на основе метода интегрального аналитического оценива- ния, который позволяет сформировать комплексный показатель безопасности территории и рассчи- тать интегральную оценку комплексного показателя, являющуюся количественным выражением уровня безопасности. Ключевые слова: природно-техногенная безопасность, интегральное аналитическое оценива- ние, комплексный показатель, управление территориальной безопасностью. Введение. Одним из важнейших факторов защиты населения и территорий от чрезвы- чайных ситуаций является стратегическое управление территориальной безопасностью [1], которое направлено на совершенствование деятельности подразделений, отвечающих за ликвидацию последствий ЧС, планирование мероприятий и разработку управляющих реко- мендаций по уменьшению риска. Безусловной необходимостью в процессе стратегического управления является всесторонний анализ показателей безопасности территории, их времен- ной и пространственной динамики, обеспечивающий информационно-аналитическую под- держку лиц, принимающих решения. В условиях множественности сфер мониторинга и роста объема накапливаемых данных требуется применение методов комплексного оценивания безопасности территории. В насто- ящее время для оценивания состояния безопасности используется три основных подхода [2]. Вероятностный подход подразумевает построение математической модели риска. Методы данного типа используются для расчета индивидуальных, коллективных и социальных рис- ков и ориентированы, как правило, на конкретный производственный объект. Статистиче- ский подход позволяет формировать количественную оценку на основе анализа данных за определенный период наблюдения. Методы данного типа дают возможность объективно ис- следовать динамику изменений наблюдаемых параметров и формировать сводные показате- ли. Однако такие методы не могут быть применены для редко наблюдаемых событий и не позволяют получать интерпретации количественных оценок. Эвристический подход позво- ляет формировать качественные оценки, когда формальные методы слишком сложны, а ис- ходная база данных недостаточна для получения однозначного аналитического решения. Однако применение методов данного типа без аналитической поддержки ведет к ошибкам субъективного характера. Таким образом, для оценивания природно-техногенной безопасно- сти территории необходим комбинированный подход, позволяющий опираться на статисти- ческие наблюдения и учитывать экспертные знания о характере протекающих процессов. В работе выполнен анализ состояния природно-техногенной безопасности территорий Красноярского края с использованием метода интегрального аналитического оценивания [3] на основе мониторинговых данных Главного управления МЧС России по Красноярскому краю. Метод обеспечивает формирование комплексного показателя на основе многомерного аналитического моделирования состояния окружающей среды и объектов техносферы и поз- воляет получить интегральную оценку природно-техногенной безопасности территорий. Метод интегрального аналитического оценивания. Общий подход к анализу состо- яния природно-техногенной безопасности территорий, согласно используемому методу, предусматривает формирование стандарта безопасности территории, а затем – интегральное оценивание состояния объектов окружающей среды и техносферы на основе разработанного стандарта. Стандарт природно-техногенной безопасности территорий представляет собой терри- ториально-ориентированную нормативную модель, множество переменных которой описы- вают «желаемый» уровень безопасности с учетом индивидуальных особенностей территории и реальных возможностей его достижения. На рисунке 1 представлена функциональная диа- грамма формирования стандарта природно-техногенной безопасности в нотации IDEF0. Характеристики территории Федеральные нормативы Алгоритм формирования Иерархическая Статистические функций принадлежности система данные показателей Формирование Базовые иерархии показателей Коэффициенты 1 показатели значимости Определение показателей коэффициентов значимости показателей 2 Функции Базовые и агрегирования комплексные многомерных показатели Определение показателей функции агрегирования Многомерные 3 нормативы базовых Формирование показателей нормативов 4 Коэффициенты Формирование чувствительности коэффициентов оценок чувствительности 5 Оценочная шкала Формирование Экспертная оценочной шкалы 6 оценка 7 Эксперт предметной области Корректировка Рис. 1. Формирование стандарта безопасности территории. На первом шаге формируется иерархическая система показателей – набор показателей, характеризующих природные и техногенные факторы риска возникновения чрезвычайных ситуаций [4]. Иерархия содержит два типа показателей: на нижнем уровне находятся базовые показатели, имеющие распределение по территории; на уровнях выше – комплексные, обоб- щенные по территории, показатели. На втором шаге определяются коэффициенты значимо- сти показателей – весовые коэффициенты, характеризующие относительный вклад показате- лей нижнего уровня иерархии в показатели верхнего уровня. Коэффициенты значимости по- казателей определяются для каждой территории с учетом её физико-географических и соци- ально-экономических особенностей. На третьем шаге определяются функции агрегирования оценок – функции, обеспечивающие переход от многомерных оценок показателей, рассчи- танных по нескольким пунктам наблюдения, к одномерным значениям, рассчитанным по территории в целом. Функции агрегирования определяют, как отражается разброс оценок в пунктах наблюдений на оценке показателя территории. На четвертом шаге определяются нормативные значения показателей – интервалы значений, определяющих статистически нормальную величину показателей с учетом их распределения по территории. На пятом шаге определяются коэффициенты чувствительности оценок – коэффициенты, регулирующие скорость изменения оценки при отклонении фактического значения показателя от установ- ленного норматива. На шестом шаге формируется оценочная шкала – отображение количе- ственного значения оценки в ее качественное выражение с использованием методов нечет- кой логики. Для этого определяется лингвистическая переменная «Уровень безопасности», принимающая множество значений: «Улучшенный», «Хороший», «Приемлемый», «Удовле- творительный», «Пониженный», «Низкий», «Критический». Каждому значению лингвисти- ческой переменной ставится в соответствие значение оценки показателя, которое со 100% вероятностью соответствует данному значению лингвистической переменной и которое слу- жит для определения вероятности принадлежности любого другого значения оценки этому значению переменной. В завершение выполняется экспертиза, в ходе которой проводится оценка адекватности сформированных параметров стандарта и необходимая корректировка. На втором этапе метода проводится интегральное оценивание состояния природно- техногенной безопасности территории путем последовательного расчета оценок уровней иерархии показателей с применением выработанного стандарта. На рисунке 2 представлена функциональная диаграмма процессов оценивания состояния природно-техногенной без- опасности территории. Алгоритм Оценочная Многомерные Алгоритм Иерархическая Коэффициенты формирования Функции шкала нормативы формирования система значимости агрегирования интегральной оценки аналитических оценки показателей показателей многомерных комплексного показателей базового показателей показателя показателя Данные Интегральная оценка мониторинга Формирование Оценки природно-техногенной многомерных оценок базовых безопасности базовых показателей показателей территории 1 Формирование интегральной оценки комплексного показателя 2 Качественная интерпретация Интерпретация оценок оценок показателей 3 OLAP-система Рис. 2. Оценивание состояния природно-техногенной безопасности территории. На первом шаге рассчитываются оценки показателей нижнего уровня иерархии – базо- вых показателей. Вначале рассчитываются многомерные оценки характеризующие соответ- ствие показателя нормативу в разрезе отдельных пунктов наблюдения. Многомерные оценки рассчитываются следующим образом: 𝑖𝑗𝑘 = 1 + ∆𝑃𝑗𝑘 𝑆𝑗𝑘 где 𝑆𝑗𝑘 = ±1 – коэффициент, отражающий тенденцию k-го показателя в j-м пункте наблюде- ния, и принимает значение 1, если состояние безопасности улучшается при увеличении зна- чения показателя, -1 в ином случае; ∆𝑃𝑗𝑘 – коэффициент соответствия фактического значения k-го показателя нормативу в j-м пункте наблюдения. Коэффициент соответствия рассчитыва- ется следующим образом: 0, если 𝑃𝑗𝑘 ∈ [𝑁𝑗𝑘 , 𝑍𝑗𝑘 ] 𝑞𝑘 𝑃𝑗𝑘 − 𝑍𝑗𝑘 ( 𝑘 ) , если 𝑃𝑗𝑘 > 𝑍𝑗𝑘 ∆𝑃𝑗𝑘 = 𝑍𝑗 − 𝑁𝑗𝑘 𝑞 𝑁𝑗𝑘 − 𝑃𝑗𝑘 𝑘 𝑘 𝑘 −( 𝑘 𝑘 ) , если 𝑃𝑗 < 𝑁𝑗 { 𝑍𝑗 − 𝑁 𝑗 где 𝑞𝑘 – коэффициент чувствительности оценки к отклонению k-го показателя от норматива, заданный в стандарте безопасности; [𝑁𝑗𝑘 , 𝑍𝑗𝑘 ]– диапазон нормативных значений k-го показа- теля в j-м пункте наблюдения; 𝑃𝑗𝑘 – фактическое значение k-го показателя в j-м пункте наблюдения. Значение коэффициента ∆𝑃𝑗𝑘 в совокупности со значением коэффициента 𝑆𝑗𝑘 позволяют получить количественную оценку 𝑖𝑗𝑘 показателя. Значения оценки 𝑖𝑗𝑘 , превышаю- щие единицу, демонстрируют улучшение показателя. Затем, проводится агрегация многомерных оценок базовых показателей по территории: 𝑘 𝐼𝑘 = 𝑓𝑎𝑔𝑟 (𝑖1𝑘 , … , 𝑖𝑚 𝑘 ) где 𝑖𝑗𝑘 , 𝑗 ∈ {1 … 𝑚} – многомерная оценка k-го базового показателя в j-м пункте 𝑘 ния, 𝑓𝑎𝑔𝑟 – функция агрегирования для k-го базового показателя, заданная в стандарте без- опасности. На втором шаге рассчитывается интегральная оценка комплексного показателя на ос- нове оценок базовых показателей с учетом их значимости в показателе верхнего уровня иерархии: 𝑛 𝐼Σ = ∑ 𝑢𝑘 𝐼𝑘 𝑘=1 где 𝐼Σ – интегральная оценка комплексного показателя; 𝐼𝑘 – оценка k-го базового, или проме- жуточного комплексного, показателя по территории, 𝑢𝑘 – коэффициент значимости k-го ба- зового показателя, заданный в стандарте безопасности. На третьем шаге проводится интерпретация количественного значения оценок показа- телей с помощью шкал, заданных в стандарте безопасности, следующим образом: 1 𝜇𝑖 = 2 С ‖𝑥 − 𝑐𝑗 ‖ ∑𝑘=1 ( ) ‖𝑥 − 𝑐𝑘 ‖ где 𝜇𝑖 – функция принадлежности i-го значения лингвистической переменной, 𝑐𝑖 – значение оценки показателя, которое со 100% вероятностью соответствует i-му значению лингвисти- ческой переменной, 𝑐𝑘 – значение оценки показателя, которое со 100% вероятностью соот- ветствует k-му значению лингвистической переменной, x – текущее значение оценки показа- теля, C = 7 – число значений лингвистической переменной. Значением функции принадлеж- ности будет вероятность, с которой данное значение оценки показателя соответствует i-му значению лингвистической переменной. Таким образом, метод интегрального аналитического оценивания позволяет сформиро- вать комплексный показатель природно-техногенной безопасности, имеющий иерархичную структуру, рассчитать интегральную оценку комплексного показателя, являющуюся количе- ственным выражением уровня безопасности и провести ее качественную интерпретацию. Интегральное аналитическое оценивание состояния безопасности территорий Красноярского края. Территория Красноярского края характеризуется повышенным уров- нем чрезвычайных ситуаций, во многом определяющимся социально-экономическими при- чинами, большим ресурсным потенциалом, географическим положением и климатическими условиями. По данным Государственного доклада Главного управления МЧС РФ по Красно- ярскому краю за 2017 год [5], на территории региона расположено большое количество по- тенциально опасных объектов техносферы как регионального, так и федерального значения, большое количество объектов жизнеобеспечения, включая котельные, водозаборы, очистные сооружения. Территория края занимает более 1 млн. кв. км. и расположена в семи климати- ческих зонах. Крупные ЧС природного характера фиксируются практические ежегодно. Для всех территорий Красноярского края сформирован стандарт природно-техногенной безопасности [6]. Часть стандарта безопасности приведена в таблице 1. Оценивание природ- но-техногенной безопасности территорий Красноярского края осуществляется в разрезе тер- риторий по различным сферам мониторинга. В качестве примера рассмотрим формирование интегральной оценки комплексного показателя «Пожарная обстановка» городского округа г. Красноярска, в состав которого входят населенные пункты г. Красноярск и д. Песчанка. Таблица 1. Стандарта природно-техногенной безопасности территорий Красноярского края Коэффици- Нижняя гра- Верхняя гра- Коэффици- ент ница норма- ница нормати- ент значи- чувстви- Иерархия показателей тива, ва, мости, тельности, Nk Zk uk qk г. Красноярск 1. Техногенная безопасность 0,8 1.1 Обстановка на объектах техносферы 0,35 1.2 Транспортная обстановка 0,3 1.3 Обстановка на объектах ЖКХ 0,1 1.4 Пожарная обстановка 0,1 Количество бытовых и производствен- 1,0 0 2,520 0,4 ных пожаров на 10000 населения,×10-8 Количество пожаров с погибшими на 0,3 0,012 0,036 0,3 10000 населения,×10-8 Количество пожаров с пострадавшими 0,8 0,005 0,041 0,3 на 10000 населения,×10-8 1.5 Радиационная обстановка 0,15 2.Природная безопасность 0,2 2.1 Метеорологическая обстановка 0,3 2.2 Гидрологическая обстановка 0,2 2.3 Геофизическая обстановка 0,3 2.4 Лесопожарная обстановка 0,2 На первом этапе рассчитываются оценки базовых показателей пожарной обстановки – определяются многомерные оценки (в разрезе двух пунктов наблюдения – г. Красноярск и д. Песчанка) и выполняется их агрегирование по всей территории – городскому округу г. Крас- ноярска. Фактические значения показателя «Количество бытовых и производственных пожа- ров на 10000 населения» для г. Красноярска составляет 𝑃1.4.1 = 3,721, для д. Песчанка – 𝑃1.4.1 = 1,346. Поэтому, коэффициент соответствия для г. Красноярск рассчитывается по 1 условию выхода за верхнюю границу норматива: Δ𝑃1.4.1 = ((3,721 − 2,52)/2,52) = 0,48; для д. Песчанка коэффициент рассчитывается по условию выхода за нижнюю границу нор- 1 матива: Δ𝑃1.4.1 = −((1,882 − 1,346)/(7,54 − 1,882)) = −0,09. Далее, с учетом полярности показателя, оценка для г. Красноярска составляет 𝑖1.4.1 = 1 + 0,48(−1) = 0,52, для д. Пес- чанка – 𝑖1.4.1 = 1 + (−0,09)(−1) = 1,09. Аналогично, для показателя «Количество пожаров с погибшими на 10000 населения» оценки составляют: 𝑖1.4.2 = 0,43 для г. Красноярска и 𝑖1.4.2 = 1,84 для д. Песчанка, для показателя «Количество пожаров с пострадавшими на 10000 населения» – для 𝑖1.4.3 = 0,44 и 𝑖1.4.3 = 2,38 соответственно. Агрегированные оценки базовых показателей рассчитываются исходя из наихудших значений, зарегистрированных в отдельных пунктах наблюдения. Так, оценка базового пока- зателя «Количество бытовых и производственных пожаров на 10000 населения» составляет 𝐼1.4.1 = min(0,52; 1,09) = 0,52. Оценки базовых показателей «Количество пожаров с погиб- шими на 10000 населения» и «Количество пожаров с пострадавшими на 10000 населения» составляют – 𝐼1.4.2 = 0,43 и 𝐼1.4.3 = 0,44 соответственно. На втором этапе рассчитывается интегральная оценка комплексного показателя «По- жарная обстановка» по городскому округу г. Красноярска на основе коэффициентов значи- мости входящих в него показателей. Оценка комплексного показателя «Пожарная обстанов- ка» составляет 𝐼Пожар. = 0,4 ∗ 0,52 + 0,3 ∗ 0,43 + 0,3 ∗ 0,44 = 0,47 . Аналогичным образом рассчитываются остальные комплексные показатели: «Обстановка на объектах ЖКХ» – 𝐼ЖКХ = 0,43; «Транспортная обстановка» – 𝐼Трансп. = 1,0; «Обстановка на объектах техносфе- ры» – 𝐼Техносф. = 1,23; «Радиационная обстановка» –𝐼Радиац. = 1,0; «Лесопожарная обстанов- ка» –𝐼Лесопожар. = 1,05; «Геофизическая обстановка» –𝐼Геофизич. = 1,0; «Гидрологическая об- становка» – 𝐼Гидролог. = 1,0; «Метеорологическая обстановка» –𝐼Метеор. = 1,17. Комплексные показатели более высокого уровня рассчитываются на основе коэффици- ентов значимости комплексных показателей нижнего уровня: «Техногенная безопасность» – 𝐼Техног. = 0,47 ∗ 0,1 + 0,43 ∗ 0,1 + 1 ∗ 0,3 + 1,23 ∗ 0,35 + 1 ∗ 0,15 = 0,97 ; «Природная без- опасность» – 𝐼Природ. = 1,05 ∗ 0,2 + 1 ∗ 0,3 + 1 ∗ 0,2 + 1,17 ∗ 0,3 = 1,06 ; «Природно- техногенная безопасность» – 𝐼Природ.техног. = 0,97 ∗ 0,8 + 1,06 ∗ 0,2 = 0,99. Рассмотрим процесс интерпретации оценки на примере показателя «Природно- техногенная безопасность». Оценочная шкала для данного показателя представлена в табли- це 2, где 𝑙𝒊 представляет значения лингвистической переменной «Уровень природно- техногенной безопасности», 𝑐𝑖 – значения показателя «Природно-техногенная безопасность», которые со 100% вероятностью соответствуют значению переменной, μi – значения функции принадлежности оценочной шкалы. Значение оценки г. Красноярска 𝐼Природ.техног. = 0,99 ха- рактеризуется как улучшенный уровень природно-техногенной безопасности территории. Таблица 2. Оценочная шкала комплексного показателя природно-техногенной безопасности 𝑙𝒊 𝑐𝑖 μi 1 Улучшенный 0.9093267666288 0,986412206 2 Хороший 0.8136647929115 0,008926737 3 Приемлемый 0.7275432132811 0,002325299 4 Удовлетворительный 0.6561627709198 0,00114636 5 Пониженный 0.6003893396118 0,0 6 Низкий 0.4804927665189 0,0 7 Критический 0.1016071897181 0,0 Аналогично выполнен расчет и интерпретация оценок иерархии показателей для остальных территорий Красноярского края. Пространственная динамика уровня природно- техногенной безопасности по территориям края показана на рисунке 3. Рис. 3. Уровни природно-техногенной безопасности территорий Красноярского края Наиболее высокий уровень природно-техногенной безопасности демонстрируют такие районы как Сухобузимский, Ужурский, Саянский, а так же города Енисейск, Лесосибирск, Красноярск. К территориям с наиболее низким уровнем природно-техногенной безопасности относятся Нижнеингашский район и город Минусинск, что обусловлено неблагоприятными значениями показателя «Количество аварий на системах водоснабжения на 10000 чел. насе- ления» в г. Минусинске и показателями «Количество аварий на системах электроснабжения на 10000 чел. населения», «Количество бытовых и производственных пожаров на 10000 чел. населения» в населенных пунктах Нижнеингашского района. Заключение. Выполнен анализ состояния природно-техногенной безопасности терри- торий Красноярского края с использованием метода интегрального аналитического оценива- ния. Представлены этапы формирования стандарта безопасности, учитывающего индивиду- альные особенности территории, приведен алгоритм расчета интегральной оценки состояния безопасности на основе сформированного стандарта, являющийся количественным выраже- нием уровня безопасности, приведен процесс интерпретации интегральной оценки, позволя- ющий получить качественную интерпретацию интегральной оценки. Полученные оценки состояния территорий служат в качестве информационно-аналитической поддержки в про- цессе стратегического управления территорией. ЛИТЕРАТУРА [1] Ямалов И.У. Моделирование процессов управления и принятия решений в условиях чрезвы- чайных ситуаций. М.: Лаборатория базовых знаний, 2013. 288 с. [2] Метус А.М. Актуальные задачи комплексного оценивания природно-техногенной безопасно- сти территории // Молодой ученый. 2015. № 11. С. 89-92. [3] Пенькова Т.Г., Метус А.М., Ничепорчук В.В. Метод интегрального аналитического оценива- ния природно-техногенной безопасности территорий (на примере Красноярского края) // Проблемы анализа риска. 2018. Т.15, № 5. C. 16-25. [4] Ничепорчук В.В., Пенькова Т.Г. Система аналитических показателей для стратегического кон- троля природно-техногенной безопасности территорий // Проблемы анализа риска. 2018. Т. 15, №1. С. 70-77. [5] Государственный доклад о состоянии защиты населения и территорий Красноярского края от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера: Главное управление МЧС России по Красноярскому краю в 2017 году. Красноярск, 2018. 248 с. [6] Ничепорчук В.В., Пенькова Т.Г., Метус А.М. Формирование стандарта природно-техногенной безопасности территорий Красноярского края // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. 2018. № 2. C.41-52.