Использование технологии гибких информационно-моделирующих систем в чрезвычайных ситуациях. Части I, II

А.А. Старцев, генеральный директор Северо-западного международного центра чистых производств, международный эксперт ЮНИДО, член-корреспондент МАНЭБ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ГИБКИХ ИНФОРМАЦИОННО-МОДЕЛИРУЮЩИХ СИСТЕМ В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ. Часть I

Ключевые понятия: экологическая безопасность, стратегия, модель, экоинформатика, чрезвычайные ситуации и процессы – природные и антропогенные, их анализ, возможность предупреждения, системы и технологии.

Росгидромет обнародовал итоги изучения климата и последствий его изменений на территории Российской Федерации в 2012 году¹. Последний, согласно отчету Гидрометцентра России, вошел в десятку самых теплых в северном полушарии лет, начиная с 1891 года. Кроме того, все годы XXI века оказались в числе 14 самых теплых лет за всю историю наблюдений. Это обстоятельство серьезно беспокоит метеорологов. Из-за смещения климатических сезонов зима в России начинает все стремительнее переходить к лету, из-за чего весна так же стремительно сокращается, практически исчезая как время года. Под такой же угрозой находится и осень. В прошлом году она стала четвертой самой теплой в метеорологической истории России. И сразу вслед за ней ударили сильные декабрьские морозы, которых не было 12 лет.

Подобные температурные рекорды неизбежно влекут за собой серьезные проблемы. Так, в 2012 году в России случилось 987 опасных гидрометеорологических явлений, из которых 469 нанесли значительный материальный ущерб. А количество дождей, шквалов, градов и паводков возросло по сравнению с предыдущим годом сразу на 30 процентов, сделав его самым опасным за последние 14 лет².

Международное научное сообщество не первый десяток лет предупреждает человечество о том, что оно «уже превысило по некоторым параметрам пределы устойчивости биосферы и что только разумная политика может уменьшить негативные последствия для общества и окружающей среды»³. Очередное предупреждение прозвучало в декларации международной научной конференции «Состояние планеты», проходившей в марте 2012 года в Лондоне и приуроченной к очередному саммиту ООН «Рио+20» по проблемам устойчивого развития. В нем говорилось: «У человечества осталось всего десять лет, чтобы избежать глобальной экологической катастрофы, чреватой необратимыми последствиями... Исследования показывают, что дальнейшее существование экосистем в том виде, в котором они поддерживали в последние столетия благополучие человеческой цивилизации, находится под угрозой.... Если человечество не объединит усилия, то, скорее всего, станет свидетелем гибели экосистем»⁴.

О выходе цивилизации за пределы устойчивости свидетельствует развитие специфического комплекса опасных природно-техногенных процессов, провоцируемых человеческой деятельностью (подтопление территорий, работы на берегах водохранилищ, наведённая сейсмичность, оползни и др.). При росте антропогенного вмешательства в естественные процессы – налицо малая предсказуемость развития природных процессов.

Выстраиваемая в этой связи развитыми странами стратегия по уменьшению опасности стихийных бедствий пока, к сожалению, не преследует цели довести до сведения широкой общественности причинно-следственные связи всё чаще и чаще возникающих чрезвычайных ситуаций. Чаще всего они ограничиваются постановкой задач по предотвращению техногенных и природных катастроф, смягчению их последствий и заблаговременной готовности к ним. В таких условиях ученым, специалистам, спасателям приходится искать новые методы и формы прогнозирования, предупреждения, смягчения и ликвидации их.

Тревожная тенденция нарастания количества опасных гидрометеорологических явлений на суше и на море, вызванных чрезмерной антропогенной нагрузкой на окружающую среду, запредельными выбросами загрязняющих веществ, приведшими к тяжелым экономическим и экологическим последствиям и разрушающими естественные экосистемы, стимулировала создание в последние два десятилетия специальных проблемно-ориентированных (антикризисных) ситуационно-аналитических центров. Данная специализация предопределяет их оснащение соответствующим оборудованием и технологиями, которые способствуют своевременному обнаружению признаков приближения чрезвычайных ситуаций природного и антропогенного характера, принятию в оперативном режиме грамотных управленческих решений по предупреждению наступления возможных тяжелых экологических и социально-экономических последствий или их смягчению. В большинстве случаев такие центры имеют локальный характер деятельности и призваны выполнять антикризисные функции в интересах отдельных ведомств. Опыт различных стран показал, что их действия позволяют существенно снизить затраты на ликвидацию техногенных аварий и природных катастроф. Однако если локальный антикризисный центр способен решать жизненно важные задачи по предотвращению крупного ущерба в экономике и уменьшению числа человеческих жертв при возникновении опасных техногенных и природных ситуаций в регионе, то аналогичные задачи более высокого порядка решаются ими не столь эффективно.

Одним из перспективных направлений, содействующих их разрешению, стало создание информационно-моделирующих тренажеров. Например, компания Ship Analytics International, Inc. (США) имеет многолетний опыт поставки тренажерных систем «виртуальной реальности» и комплексных центров управления в кризисных ситуациях⁵. Российская группа компаний Транзас (Transas – TRANsport SAfety Systems) вышла в мировые лидеры по производству и продаже широкого спектра бортовой электроники, морских и авиационных тренажеров, а также интегрированных комплексов для обеспечения безопасности на морском и авиационном транспорте, в сфере экологии и на объектах повышенной уязвимости⁶. Эти фирмы создали на базе высокоэффективных технологий управления, научного прогнозирования и математического моделирования систему GIMS, использующую новейшее компьютерное оборудование, системы связи и передачи данных. Ее применение обеспечивает комплексное решение вопросов составления аварийных планов, обучения персонала, прогнозирования, мониторинга и управления. Простота эксплуатации и интуитивно понятный интерфейс позволяют быстро обучить персонал. Модульность построения системы позволяет начать работу с простых, недорогих конфигураций, а в дальнейшем доукомплектовать ее и расширить в соответствии со специфическими особенностями региона.

Очевидно, что рассмотрение сценариев возникновения чрезвычайных ситуаций до реального их появления, способно содействовать сокращению угроз и потерь в будущем. Именно поэтому создание информационных технологий, обеспечивающих обучение населения и специальных служб быстрого реагирования действиям по эффективному превентивному противостоянию чрезвычайным обстоятельствам, становится важной задачей современной науки. Некоторые аспекты использования таких информационных технологий, помогающих выработке управленческих решений в кризисных ситуациях, отражены в данной работе.

Оценка состояния экологической безопасности. Понятие «экологическая безопасность» применительно к состоянию окружающей среды и жизнедеятельности населения на конкретной территории возникло в процессе оценки степени опасности причиненного в результате нарушений параметров окружающей среды ущерба экосистемам, биоразнообразию, здоровью человека, зданиям и сооружениям, объектам энергетики и транспорта, промышленным предприятиям, системам жизнеобеспечения населения, особенно в крупных городах или иных кризисно предрасположенных образованиях. Подобные нарушения могут быть вызваны природными и антропогенными причинами, а также совокупностью этих факторов. В одних случаях опасность связана с аномальными явлениями вследствие изменений климата, синоптической обстановки, стихийного бедствия. В других – становится реакцией природы и инфраструктуры на запредельные воздействия человека на них. Но всегда возникновение экологической опасности на конкретной территории есть следствие отклонения параметров среды обитания живых организмов и, разумеется, человека за дозволенные пределы жизнедеятельности, иные составляющие их существования. Однако это отдельная тема, которая требует дополнительного изучения, разработки и применения адекватной системы индикаторов.

При длительном пребывании в состоянии экологической опасности живой организм начинает испытывать стресс, ведущий к мобилизации собственных природных защитных свойств, нередко – к сокращению предопределённого жизненного цикла, а возможно – и к его гибели. Под воздействием негативных экологических факторов он способен в определённых случаях изменяться в ходе своего развития по не соответствующему естественному процессу эволюции направлению, то есть мутировать. По сути, понятия «экологическая опасность», «экологическая безопасность» связаны с естественно-научными понятиями устойчивости жизни в окружающей среде, живучести биоты (сообщества всех живых организмов), целостности биосферы и ее элементов.

Крупные города стали своеобразными узловыми точками процесса глобализации. Сосредоточение на ограниченной территории современного поселения постоянно возрастающего числа людей, количества техники, транспорта, зданий и сооружений, коммуникационных систем, предприятий производственного сектора, торговли, сферы услуг (где в обороте находятся миллионы тонн потенциально опасных химических веществ), приводит к тому, что городская жилая и производственная среда по качеству начинает принципиально отличаться от природной (естественной). В условиях крупных городов человек полностью деформирует элементы биосферы и, оставаясь сам ее частью, остро ощущает последствия этого на себе.

Контрасты экологической обстановки в сочетании с трудноразрешимыми проблемами обеспечения экологической безопасности в крупных городах мира, связанные с многоуровневыми социально-экономическими факторами, отчётливо просматриваются на примере доступа населения к объектам санитарии. От этого показателя существенно зависит степень экологической безопасности населения, особенно при возникновении аномальных погодно-климатических явлений, природных чрезвычайных ситуаций, возникающих в последние годы всё чаще и чаще.

Показательно в данном контексте наиболее катастрофическое по своим последствиям наводнение в 15-миллионной столице Королевства Таиланда городе Бангкоке, которое случилось в 2011 году. Драматическое событие произошло в результате стечения ряда факторов. Тропический шторм вызвал непрерывное поступление воды с гор, которые окружают средний Таиланд со всех сторон (кроме южной). Защитные плотины переполнились, а высокие морские приливы закупорили устье реки Чао-Прайя. Сточные воды через канализационные люки вырвались наружу, и потоки воды, обходя заграждения и шлюзы, заливали город. При отсутствии современной системы канализации неочищенные бытовые, ливневые и промышленные сточные воды попали в каналы мегаполиса (в городе их более 200), затем в реку Чао-Прайя и далее – в Сиамский залив Южно-Китайского моря. В пик наводнений в конце октября затопленными оказались практически две трети территории королевства и 27 из 50 районов Бангкока, где погибли более 800 человек. Причиненный ущерб, по оценкам Всемирного банка, составил свыше 25 миллиардов долларов⁷.

Анализ последствий катастроф такого масштаба свидетельствует о том, что положение во многом усугубляется из-за неразработанности эффективной системы прогнозирования и предупреждения чрезвычайных ситуаций, неготовности инженерной инфраструктуры противостоять им или, по крайней мере, смягчать их последствия, а также отсутствия адекватной научно-обоснованной стратегии управления жизнедеятельностью современных крупных мегаполисов. Серьезной, до сих пор не решенной проблемой современного управления городским хозяйством, остается отсутствие методов количественного учёта факторов социально-экономического развития, влияющих на экодинамику изменений в так называемой системе «Природа – Общество» в региональном и в глобальном масштабах. При этом недооценивается определяющее значение индикаторов экологически устойчивого развития, в том числе комплексных, подобных ВВП и «индексу благополучия» (для окружающей природной среды и жизнедеятельности человека), а также обоснование и принятие к исполнению адекватной природоохранной политики в регионах РФ и в государстве в целом.

В качестве основной причины, дестабилизирующей систему «Природа – Общество» (СПО), ученые и практики называют требующее изучения явление глобализации антропогенных процессов. Оно связано с ускоряющимся развитием крупных агломераций или мегаполисов, а также других кризисно предрасположенных образований. При исследовании динамики глобальной СПО важно обращать особое внимание на прогнозирование, обнаружение, оценку и предотвращение катастроф как естественного происхождения, так и антропогенно инициированных. Основной смысл такого подхода состоит в совместном использовании технологий математического моделирования и глобального мониторинга изменений экопроцессов, позволяющих отслеживать динамику функционирования СПО⁸. Поскольку структура человеческого общества обусловлена территориальным делением на государства, то в дальнейшем под элементом социально-экономического компонента СПО автор подразумевает страну.

Уровень национальной безопасности любой страны в современных условиях оценивается на основе многих критериев, в том числе военного, экономического, экологического и социального характера. Разработка эффективной прикладной методики объективного анализа проблем обеспечения национальной безопасности требует привлечения новейших методов сбора и обработки данных о различных сторонах функционирования мировой системы в целом. Такие прикладные исследования возможны на стыке различных наук, объединяемые общим термином – экоинформатика. Их оптимальным и многоцелевым инструментом выступают технологии геоинформационных моделирующих систем (ГИМС-технологии).

Экономико-экологический аспект в контексте задачи обеспечения общенациональной безопасности. С позиций системной оценки любую страну можно рассматривать как объект системного анализа, функционирующий в пространстве других сложных систем. Их взаимодействие связано с контролируемыми и неконтролируемыми обменами элементами, имеющими политическую, экономическую и экологическую характеристики. Адекватная оценка обстановки предполагает поиск оптимальных стратегий каждой из взаимодействующих систем. При этом придется учитывать их неоднородный научно-технический уровень и, следовательно, различие в подходах при выборе критериев оценки состояния уровня национальной безопасности.

Конкретный путь решения возникающих задач предлагает ГИМС-технология. При ее применении разрабатывается глобальная модель системы «Природа – Общество», описывающая основные процессы в СПО по параметрам пространства и времени. Модель опирается на имеющиеся базы данных и информационное пространство. Она вписывается в единую национальную систему экологического мониторинга территории страны и совмещается с другими аналогичными национальными и мировой системами, с которыми возможно взаимодействие. Соединение модели СПО, систем сбора данных об окружающей среде и параметрах социально-экономического развития регионов страны, а также компьютерного картографирования и средств информатики, синтезирует (образует) единую национальную систему наблюдения за уровнем экономико-экологической безопасности и его контроля. Эта система имеет иерархическую структуру информационных каналов с соответствующей последовательностью решения задач. Она сможет, например, поставлять в регионы оперативную и достоверную информацию о состоянии окружающей среды, естественных экосистем и экономики, в том числе своевременно информировать о:

• влиянии глобальных климатических и иных изменений на окружающую среду конкретного государства;
• происходящих или планируемых изменениях природной среды, климата, биосферы в стране и прилегающих регионах;
• состоянии атмосферы, гидросферы и почвенно-растительных формаций на территории страны;
• наличии конкретных данных об экологических, климатических, экономических и демографических параметрах любого региона;
• уровне экологической безопасности на конкретной территории;
• появлении опасных для человека и окружающей среды явлений (их признаков);
• наметившихся тенденциях изменения состояния лесов, болот, пастбищ, сельскохозяйственных угодий, посевов, речных и озерных систем и других природных комплексов;
• существующих рисках изменения окружающей природной среды при осуществлении тех или иных (например, хозяйственных, гуманитарных, военных) действий и мероприятий.

На национальном уровне данная система способна решать такие задачи, как:

• долгосрочное и своевременное планирование хозяйственной деятельности и управление ею с учетом экологической целесообразности и разработки стратегии рационального природопользования;
• оперативное оповещение (предупреждение) о выявлении внутри страны и за пределами ее территории процессов, способных ухудшить экологическую обстановку и вызвать долговременные негативные изменения природной среды, повышающие риск для здоровья населения и сохранения биоразнообразия какого-либо региона;
• идентификация причин нежелательных изменений окружающей среды на отдельных территориях государства;
• оценка последствий для страны и других территорий земного шара реализации крупных антропогенных проектов;
• выработка неотложных мер по ликвидации причин возникновения экологических катастроф, стихийных бедствий и их последствий.

Безусловно, разработка и внедрение эффективной технологии оценки степени экологической безопасности в глобальных масштабах возможны лишь при условии конструктивного международного сотрудничества, а также создания международного центра глобального геоинформационного мониторинга, о чем пойдет речь в следующей публикации.

А.А. Старцев, генеральный директор Северо-Западного международного центра чистых производств, международный эксперт ЮНИДО, член-корреспондент МАНЭБ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ГИБКИХ ИНФОРМАЦИОННО-МОДЕЛИРУЮЩИХ СИСТЕМ В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ. Часть II

Ключевые понятия: экологическая безопасность, стратегия, модель, экоинформатика, чрезвычайные ситуации и процессы – природные и антропогенные, их анализ, возможность предупреждения, системы и технологии.

Создание международного центра глобального геоинформационного мониторинга, о чем говорилось в статье, опубликованной в сентябрьском номере журнала, так же, как разработка и внедрение эффективной технологии оценки степени экологической безопасности в глобальных масштабах, возможны лишь при налаживании и поддержании конструктивного международного сотрудничества. Позитивным примером такого плодотворного взаимодействия служит Международная геосферно-биосферная программа «Глобальные изменения», которая стартовала в Оттаве в 1984 году. В настоящее время ее целесообразно, как полагает автор данной публикации, перенацелить на изучение регулирующих функций естественных экосистем, на создание и полноценную деятельность Международного центра глобального геоинформационного мониторинга (МЦГГИМ).

Такой подход обусловлен прежде всего высокой степенью озабоченности таких специализированных международных организаций, как ЮНИДО, сформировавшей новую стратегическую Платформу «Зелёная промышленность». Соединяя усилия большого числа ученых и практиков, она предлагает глобальный подход к реагированию на новые вызовы и угрозы человеческой цивилизации, который нацелен на переход к постоянному учёту экологических, климатических и социальных факторов при функционировании разных отраслей промышленности во всём мире. В числе стратегических задач платформы: 1) смена существующей парадигмы производства и потребления (главный научный довод: дальнейшее существование естественных экосистем в том виде, в котором они поддерживали в последние столетия благополучие цивилизации, находится под угрозой); 2) объективная (критическая) оценка происходящих негативных изменений в динамике системы «Природа – Общество» по итогам проведения (с использованием всех современных приемов и техники) мониторинга окружающей среды и методов математического моделирования.

Платформа ЮНИДО «Зелёная промышленность» построена с позиции здравого смысла (естественная природа не должна погибнуть под натиском человеческой деятельности) и использует весьма прагматичный подход, предполагающий, в частности, «Ресурсосбережение и более чистые производства». Обеспечить реализацию обозначенных в ней целей призваны разработка и продвижение экологически чистых («зелёных») технологий, выявление так называемых «горячих» точек, в том числе с помощью создания адекватной системы мониторинга окружающей среды и сети антикризисных ситуационно-аналитических центров.

Создание упомянутого выше МЦГГИМ в качестве дополнительного инструмента позволит лучше понимать динамические механизмы функционирования СПО и проводить сегодня более взвешенную природоохранную политику, а стратегически – обеспечит поиск новых решений, поддерживающих устойчивость биосферы взамен существующей тупиковой модели развития цивилизации.

Вспомогательным инструментарием, обеспечивающим такой вектор развития, выступают новые технологии обработки данных, опирающиеся на успехи эволюционной информатики и глобального моделирования, а также новых междисциплинарных исследований в области эко-, био-, энерго-, оптоинформатики. По существу речь идет о реализации разработанного рядом отечественных исследователей данной проблемы (Букатова и др., 1991; Krapivin et al., 1998-б; Nitu et al., 2000-а,б) подхода к моделированию процессов в условиях неполной априорной информированности об их параметрах и наличии принципиально неустранимых информационных пробелов¹.

Согласно схеме, представленной на рис. 1, идеологию МЦГГИМ формирует набор таких действий (функций), как:

• сбор и обобщение информации, предоставляемой национальными системами мониторинга и международных центров изучения окружающей среды;
• сортировка, первичная обработка и накопление данных о природных процессах;
• формирование базы знаний о процессах в окружающей среде;
• имитация, математическое и физическое моделирование климатических, биосферных, космических, социальных и экономических процессов;
• прогнозирование состояния окружающей среды и создание постоянно обновляемого банка сценариев антропогенной активности;
• обслуживание запросов, поступающих от национальных и международных агентств по охране окружающей среды;
• выдача рекомендаций национальным и международным центрам мониторинга окружающей среды.

Показатели, представляющие геоинформационную мониторинговую систему (ГИМС) как базовую подсистему МЦГГИМ, группируются тематически и уточняются в процессе ее эксплуатации, охватывая ключевые характеристики топографии земного шара, синоптической обстановки в энергоактивных зонах, содержания опасных загрязнителей атмосферы отдельных, конкретных широтных поясов, а также возможных катастроф. Входом в ГИМС служит множество нерегулярных по пространству и отрывочных по времени данных геофизических, геохимических, экологических, биогеоценотических и синоптических измерений. Они осуществляются в различных волновых диапазонах приборами контактного и дистанционного действия различной степени точности. Согласование получаемых измерений с другими блоками ГИМС осуществляется алгоритмическими процедурами в ходе первичной обработки данных. Их объем будет сокращаться в процессе функционирования ГИМС. Предусматривается также возможность восприятия ею сигналов от сценариев антропогенного развития изучаемых ситуаций.

Источник: авторская работа.

К числу ожидаемых экономических преимуществ от применения геоинформационной мониторинговой системы автор относит:

• сокращение расходов на мониторинг геоэкологической системы (ГЭС) и обеспечение промышленной и экологической безопасности транспортно-технологической инфраструктуры в три–четыре раза;
• обеспечение достоверности поведения антропогенного объекта контроля на 70–80 процентов с последующим прогнозом изменения ГЭС вплоть до одного месяца;
• визуальную и количественную оценки воздействия на окружающую среду в динамике, а также численную оценку последствий, в том числе вероятного экономического ущерба;
• снижение рисков загрязнения окружающей среды в разы и сокращение до 80 процентов затрат на ликвидацию последствий чрезвычайных ситуаций;
• достаточно быструю окупаемость ГИМС (за 2–3 года) и последующую высокую ее прибыльность как высокотехнологичной услуги.

Источник: авторская работа.

Модель ГИМС представлена концептуальной схемой на рис. 2.

Взаимосвязь входных и выходных параметров осуществляется в рамках указанных здесь информационных потоков. Функционирует она в адаптивном режиме, и конечный результат влияет на входные характеристики ее измерительной части. Математическая начинка ГИМС представлена на рис. 3.

Здесь все биогеохимические и биогеоценотические процессы представлены системами балансовых уравнений. Однако значительная их часть описывается с помощью метода эволюционного моделирования нестационарных процессов, ориентированного на выявление параметров без формул. Способ функционирования ГИМС представлен на рис. 4.

Социально-экономическая структура на земном шаре может быть условно разделена на m уровней. Она имеет три главных уровня развития регионов: развитые, развивающиеся и слабо развитые. Реализация проекта МЦГГИМ способна придать динамику процессу их выравнивания, так как ускоряется оптимизация планирования организационной структуры общества и обеспечивается целевая направленность глобальных процессов на пользу природе, без ущерба для человека. И что самое главное – практическая модель действующего МЦГГИМ будет содействовать выработке более справедливых международных механизмов согласованного природопользовательского поведения всего населения Земли на базе естественнонаучного подхода к устойчивости его жизнедеятельности. Любая из стран, обратившихся в МЦГГИМ, получит существенные преимущества. Она сможет всесторонне и объективно оценивать воздействие на окружающую среду строящегося антропогенного объекта не только на предпроектной фазе, но и на протяжении всего его жизненного цикла. При этом не придется тратить лишние средства на реализацию экологически неприемлемых проектов и одновременно удастся обеспечить сохранность пределов устойчивости естественных экосистем, осмысленно претворять в жизнь полезные природоохранные проекты. По мере прогресса науки и техники каждая страна будет расходовать высвобождаемые средства на создание малоотходных и безотходных производств с высокой степенью энергоэффективности и ресурсосбережения.

Источник: авторская работа.

Источник: авторская работа.

Формализация понятия экологической безопасности страны предполагает оценку ее оптимального уровня на математическом языке с использованием методов теории сложных систем и теории живучести. Обозначим национальную систему страны как A. Понятно, что A находится во взаимодействии с другими подобными ей системами (обозначим их символом B), имеющими различное пространственное расположение. Все иные страны автор отождествляет в приближении с единой системой B, хотя в последующем ситуацию можно усложнить путем рассмотрения многих систем, с которыми взаимодействует A.

Системы A и B имеют свои цели, структуры и поведение (стратегии). Так, A (B) системы A(B) стремится достичь определенных предпочтительных для нее состояний. Эта цель может иметь многогранный иерархический характер. Ее параметрическое представление – одна из важных задач. В качестве примера рассмотрим следующие компоненты цели системы A: A₁ – интегральный показатель Q качества окружающей среды всей территории страны не должен быть ниже порога q; A₂ – предельно допустимые концентрации L(i,j) (j=1, m_i) веществ не должны нарушаться на j-й части территории страны в среде i (i=1 – почва; i=2 – вода; i=3 – атмосфера); A₃ – экономический потенциал страны за время Δ t должен увеличиваться на s процентов.

Цель B системы B может быть по отношению к A антагонистической, нейтральной или коалиционной, что определяется видом ее критериальных функций. Целесообразность структуры |A| (|B|) и целенаправленность поведения A(B) системы A(B) оценивается степенью эффективности, с которой достигается цель. Поведение систем может способствовать, не препятствовать или противодействовать достижению как своих целей, так и целей другой системы. В первом случае пару систем допустимо рассматривать как одну, имеющую общую цель и взаимодействующую с другими системами, в других случаях придется говорить об их взаимоотношениях.

Так как под системами понимаются национальные экологические системы, то целесообразно уточнить некоторые положения, касающиеся способов их взаимодействия, в том числе в форме обменов некоторыми ресурсами (финансовыми и техническими средствами, природными ресурсами и др.). При вводе некоторого ресурса V, расходуемого системой, и ресурса W, потребляемого ею, между взаимодействующими сторонами происходит обмен (V,W). Каждая из них стремится сделать его выгодным для себя. Такой подход позволяет провести дальнейшую формализацию функционирования систем. Предположим, что цель каждой из них – наиболее выгодный обмен (V,W), когда каждая сторона стремится за минимальное количество V получить возможно большее количество W, которое становится функцией структуры и поведения взаимодействующих систем:

В результате, взаимодействие A и B математически сводится к следующим соотношениям (моделям):

где A₀ и B₀ – оптимальные системы.

Из уравнений (1) – (3) видно, что для определения своей цели каждой системе придется решить, что для нее важнее: получить самый выгодный обмен (V,W) или помешать это сделать другой системе. При этом значения V,W обменов варьируются в некоторых пределах. Так, W₁ ≤ W_a ≤ W₁, а W₂ ≤ W_b ≤ W₂, где W₁ и W₂ соответствуют максимально агрессивным состояниям, а W₁ и W₂ – наиболее осторожным.

Когда цели систем известны, складывается вполне определенная ситуация. Если же стороны или одна из них скрывают свои намерения, то налицо игровая ситуация относительно выбора цели. Обозначим через A_i и B_j (i = 1,…,n; j = 1,…,m) наборы целей систем A и B соответственно. Цели A₁ и B₁ состоят в причинении максимального ущерба другой стороне (наибольшая агрессивность), а цели A_n и B_m соответствуют крайне осторожному их поведению (режим наибольшего благоприятствования). Все остальные цели расположены по шкалам {i} и {j} в порядке перехода от A₁(B₁) к A_n(B_m). Предположив, что в ситуации {A_i, B_j} системы получают выигрыши W_a = a_ij и W_b = b_ij, получим биматричную игру на определение оптимальной цели с платежными матрицами ‖a_ij‖ и ‖b_ij‖. В частном случае вариант, когда W_a = −W_b, игра становится антагонистической.

Заметим, что в общем случае ситуацию следует изучать в вероятностном пространстве, когда приходится говорить о некоторой вероятности достижения каждой системой своей цели – P(V,W). Более того, необходимо рассматривать различные проявления в поведении систем, такие, как надежность, информативность, управляемость, обучаемость. При этом их элементы должны иметь разные функции и назначения, в том числе защитные, жизненно важные. В дополнение к уравнениям (1)–(3) важно анализировать динамические соотношения, описывающие зависимость параметров систем от времени. В этом случае математически задача оценки оптимального уровня экологической безопасности территории страны сводится к дифференциальной игре.

На национальном уровне, как указывалось выше, присутствует множество критериев. Государство призвано заботиться о соблюдении вполне определенных санитарно-гигиенических и экологических нормативов в заданных климатических ситуациях. Все они должны прогнозироваться и становиться исходными условиями при оценке экологической безопасности. Качество окружающей среды есть сложная составляющая (функция) температуры T, скорости ветра U, суммарного содержания тяжелых металлов в воде E, воздухе D и почве G; присутствия газа k-го типа (k = 1,…,N) в атмосфере S_k; биомассы растительного покрова M и других параметров, которую можно представить в виде:

Аналогичные действия сопровождают функциональное представление зависимостей L(i,j) и других характеристик окружающей среды от природных и антропогенных изменений. Более того, многие из определяющих их параметров могут давать представление (в виде функций) об инвестиционной политике государства. Например, размеры инвестиций, предназначенных на борьбу с загрязнениями, развитие сельского хозяйства, строительство дорог, внедрение новых технологий и т.д. влияют на показатели качества окружающей среды. И задача, таким образом, сводится к поиску индикаторов оптимальной инвестиционной политики.

Совокупность моделей динамики параметров окружающей среды и указанных выше оптимизированных соотношений предопределяет важность синтеза национальной политики в области природоохранной деятельности и соответствующих политик соседних государств, а также всего мирового сообщества. Некоторые аспекты подобного подхода к рассматриваемой проблеме детализируются в работах отечественных исследователей².

С учетом всего сказанного первоочередной становится задача конкретизации целевых функций и их зависимости от действующих параметров для оптимизации и совершенствования внутренней и внешней национальной стратегии в области экологического мониторинга. В окончательном виде математически она сводится к решению задачи для системы дифференциальных уравнений параболического типа применительно к территории края и его условиям. При этом система уравнений опишет динамику загрязнений на территории государства, а условия края будут определяться с учетом стратегий поведения прилегающих к нему территорий. Решение региональной задачи будет входить в соотношения (1)–(4), которые позволят окончательно определить оптимальный уровень экологической безопасности конкретного края.

В заключение автор еще раз обращает внимание на то, что непрерывно нарастающая технологическая экспансия человека в мир дикой природы приобрела сегодня глобальные масштабы. Она сопровождается быстрым разрушением естественных экосистем, нарушением биохимического круговорота, что проявляется в опасных сбоях устойчивости природных процессов, в участившихся стихийных катастрофических природно-климатических явлениях. С конца XX и начала XXI века изменения окружающей природной среды происходят на глазах одного поколения людей, которые стали всё чаще испытывать их жёсткое влияние на себе. Появившиеся совершенные современные системы наблюдений за ее параметрами однозначно подтверждают беспрецедентность происходящих в природе изменений.

Предложенный в данной публикации подход к предупреждению возникновения природных и антропогенных чрезвычайных ситуаций, смягчению негативных последствий путем создания антикризисных ситуационно-аналитических центров на базе информационно-моделирующих систем является, по своей сути, инновационным. С помощью ГИМС-технологий, оснащенных алгоритмами поиска стратегий оптимизации поведения при принятии управленческих решений по предотвращению крупных техногенных ущербов, появляются инструменты превентивной оценки наиболее вероятных сценариев развития ситуации и выработки оптимальных способов реагирования на них. При этом возможна и оптимизация построения самих систем мониторинга, стоимость которых при изготовлении и эксплуатации может быть снижена за счет их комплексного использования совместно с математическими моделями функционирования подсистем окружающей среды.

Полезный экономический эффект от применения ГИМС-технологии при решении глобальных задач по борьбе с негативными последствиями чрезвычайных ситуаций многократно возрастает при совместном использовании всех национальных систем контроля окружающей среды. Реальное достижение положительного эффекта гарантирует воплощение в практику идеи создания и функционирования МЦГГИМ. Последний способен содействовать преодолению ведомственных барьеров и конъюнктурных интересов в ходе обмена данными мониторинга, поскольку за счет эффекта синергии многократно расширяются возможности и возникают стимулы для развития многих национальных систем контроля, в частности, локальных антикризисных ситуационно-аналитических центров³.

Создание их сети, безусловно, послужит интересам международного сотрудничества в целях обеспечения глобальной экологической безопасности по примеру функционирования инициированной 30 лет тому назад Международной геосферно-биосферной программы «Глобальные изменения», разумеется, при современном перенацеливании её на изучение регулирующих функций естественных экосистем Земли.