Запобігання виникненню надзвичайних ситуацій воєнного характеру місцевого рівня за результатами акустичного моніторингу їх джерел

Abstract

Усачов Д. В. Запобігання виникненню надзвичайних ситуацій воєнного характеру місцевого рівня за результатами акустичного моніторингу їх джерел. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 263 – цивільна безпека – Національний університет цивільного захисту України, Державна служба України з надзвичайних ситуацій, Черкаси, 2025. Дисертаційна робота присвячена вирішенню важливого науково-практичного завдання у галузі цивільного захисту – удосконаленню процесу запобігання виникненню надзвичайних ситуацій воєнного характеру місцевого рівня, шляхом впровадження акустичного моніторингу для виявлення та ідентифікації на території міст їх джерел. У вступі подано загальну характеристику дисертаційної роботи. Обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовано мету роботи та основні завдання дослідження, показано зв’язок роботи з науковими програмами. Наведено дані про особистий внесок здобувача, апробацію роботи та публікації. У першому розділі АНАЛІЗ ІСНУЮЧИХ ПРИНЦИПІВ ЗАПОБІГАННЯ ВИНИКНЕННЮ НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЙ МІСЦЕВОГО РІВНЯ встановлено, що територія великих населених пунктів України є складною багатофункціональною системою, яка піддається впливу різних видів небезпек – природних, техногенних, соціальних та воєнних. Функціонування критичної інфраструктури міста є основою його стабільності, безпеки та сталого розвитку, проте низка ризиків може суттєво порушити життєдіяльність міських процесів. Вплив цих небезпек може мати як локальні, так і масштабні наслідки, що проявляються у вигляді економічних, соціальних та екологічних втрат. Для забезпечення сталого розвитку міст необхідно впроваджувати ефективні механізми управління ризиками, удосконалювати нормативно-правову базу та підвищувати рівень адаптації інфраструктури до сучасних викликів. Проведено аналіз надзвичайних ситуацій, які пов’язані з масштабними пожежами, терористичними актами та випадками застосування безпілотних літальних апаратів на території України показав, що більшість небезпечних подій мають наслідки від агресії та в умовах уведення в державі правового режиму воєнного стану, що призводить до значних втрат у інфраструктурі та серед населення. Такі інциденти підтверджують необхідність посилення заходів запобігання виникненню надзвичайних ситуацій та вдосконалення процедур реагування на них. Використання вогнепальної зброї під час терористичних актів створює серйозну загрозу громадській безпеці. Велика кількість нелегальної зброї, що знаходиться в руках злочинців, ускладнює її обіг і контролювання, що сприяє зростанню рівня злочинності та збільшує ризики для життя та здоров’я громадян. Окрім вогнепальної зброї за останні два роки зріс відсоток випадків застосування безпілотних літальних апаратів, зокрема для терористичних атак, що свідчить про серйозну загрозу для житлової та критичної інфраструктури міст держави. Величезне збільшення обсягів виробництва безпілотних літальних апаратів підкреслює їх важливу роль у сучасних військових та гуманітарних конфліктах, що вимагає впровадження нових стратегій для боротьби з цією загрозою. Проведено аналіз правових засад запобігання надзвичайних ситуацій у містах України та захисту критичної інфраструктури ґрунтуються на національному законодавстві, узгодженому з міжнародними правовими нормами. Діяльність Державної служби України з надзвичайних ситуацій у цій сфері спрямована на зміцнення співпраці з Механізмом цивільного захисту Європейського Союзу, що дозволяє ефективно здійснювати моніторинг потенційних загроз, прогнозувати ризики, розробляти заходи щодо підвищення безпеки, включаючи створення систем оповіщення, планування евакуаційних маршрутів і вдосконалення інфраструктури цивільного захисту. Проведений аналіз стану запобігання та моніторингу надзвичайних ситуацій у розвинутих країнах світу засвідчив, що ефективність цих заходів залежить від рівня інтеграції сучасних технологій, координації між державними та приватними структурами, а також впровадження єдиної системи моніторингу. Провідні країни, такі як США, Великобританія, Німеччина та Японія, використовують централізовані платформи для обробки великих обсягів даних, що забезпечує швидке реагування та прийняття рішень у кризових ситуаціях. Проведено аналіз існуючих схемних рішень моніторингу попередніх факторів різного роду небезпечних подій як джерел надзвичайних ситуацій показав, що на сьогодні одним із напрямків раннього виявлення на території міста джерел надзвичайних ситуацій воєнного характеру є контроль акустичного простору міста за допомогою наземних стаціонарних автоматичних аналізаторів сигналів у акустичному діапазоні У другому розділі РОЗРОБКА СТРУКТУРНО-ФУНКЦІОНАЛЬНОЇ МОДЕЛІ СИСТЕМИ БЕЗПЕКИ МІСТА ЯК СКЛАДОВОЇ ПРОЦЕСУ ЗАПОБІГАННЯ НАДЗВИЧАЙНИМ СИТУАЦІЯМ МІСЦЕВОГО РІВНЯ розроблена (за стандартом IDEF0) структурно-функціональна модель особливостей функціонування системи безпеки міста, з урахуванням нормативно-правової бази України та наявності в державі відповідних механізмів (ресурсів). В процесі моделювання показано, що процес реєстрації загроз для життєдіяльності міста включає організацію фінансового аудиту, моніторингу соціального стану та довкілля, відеоспостереження, радіаційного, хімічного та біологічного моніторингу, а також спектрального аналізу випромінювань від джерел небезпек. Встановлено, що організація спектрального аналізу випромінювань від джерел небезпек включає комплексний аналіз характеристик випромінювань в різних частотних діапазонах (в акустичному, радіо, інфрачервоному, оптичному, ультрафіолетовому та рентгенівському діапазонах, а також аналіз гамма та космічних променів). Тому, реалізація ефективних заходів запобігання виникненню надзвичайних ситуацій місцевого рівня потребує розробки міської системи оперативного моніторингу і прогнозування надзвичайних ситуацій на основі спектрального аналізу акустичного простору для виявлення та ідентифікації небезпечних подій, з подальшою розробкою рішень щодо управління службами безпеки та комунальними службами міста. Запропоновано системний підхід та принципи використання спектрального аналізу акустичного простору міста, для реалізації безперервного та тривалого у реальному масштабі часу оперативного моніторингу за місцем виникнення та динамікою розвитку ідентифікованих джерел надзвичайних ситуацій різного характеру. При цьому, встановлено, що основним показником ефективності функціонування підсистеми оперативного акустичного моніторингу зони надзвичайних ситуацій на території міста є достовірність ідентифікації джерела небезпеки за видом та місцем виникнення, яка залежить від факторів, які характеризують безпосередньо динаміку зміни показників розвитку джерела небезпеки, від факторів, які характеризують тактико-технічні показники засобів контролю акустичного простору, а також від факторів, які характеризуються географічними та фізико-хімічними показниками місця виникнення джерела небезпеки та середовища розповсюдження інформаційного акустичного сигналу. У третьому розділі ДОСЛІДЖЕННЯ МОЖЛИВОСТЕЙ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛІЗУ АКУСТИЧНОГО ПРОСТОРУ ЩОДО ВИЯВЛЕННЯ ТА ІДЕНТЕФІКАЦІЇ ДЖЕРЕЛ НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЙ ВОЄННОГО ХАРАКТЕРУ МІСЦЕВОГО РІВНЯ представлені результати досліджень можливостей акустичного методу щодо ідентифікації джерел надзвичайних ситуацій воєнного характеру місцевого рівня. Основу проведених досліджень становить аналіз амплітудно-частотних характеристик звукових коливань, які є унікальними для кожного типу небезпечних події. Зокрема, дослідження спрямовані на вивчення характеристик звуків, які виникають під час пожеж з рідкими органічними речовинами, терористичних актів із використанням вогнепальної зброї та безпілотних літальних апаратів. За результатами дослідження можливостей акустичного методу щодо ідентифікації джерел надзвичайних ситуацій, пов’язаних з масштабними пожежами рідких органічних речовин, встановлено, що динаміка процесу високотемпературного окиснення (горіння), тобто залежності кількості максимумів амплітудно-часових та амплітудно-частотних характеристик прийнятого акустичного сигналу при ефекті акустичної емісії, визначається фізичними та фізико-хімічними термодинамічними параметрами процесу. Досліджено ефект «спалаху», тобто час первинного процесу горіння парів рідких органічних речовин, та встановлено однозначну залежність тривалості даного процесу від парціального тиску парів над чистим розчинником та температурою спалаху або займання. Встановлено, що чим більше парціальний тиск парів і менше температурою спалаху (займання), тим менше час «спалаху», тобто тривалість горіння парів органічних речовин. Встановлено, що незалежно від природи досліджених органічних речовин значення показників Херста і фрактальної розмірності залишаються постійними для дослідженого ряду легкозаймистих рідин. При цьому встановлено тенденцію підвищення показника Херста і відповідно зниження показника фрактальної розмірності для ізомерів спиртів. Практична сталість параметрів Херста і фрактальної розмірності для органічних речовин з лінійною та ізомерною структурою С  каркасів молекул органічних речовин свідчить про відповідний рівень достовірності та надійності отриманих результатів щодо обробки акустичних сигналів при ефекті акустичної емісії реакції високотемпературного окислення (горіння) деяких органічних речовин, що дозволяє зменшити ступінь помилкових спрацьовувань акустичного пристрою виявлення на території міста джерел масштабних пожеж та встановлення природи пального матеріалу в осередку займання. За результатами дослідження можливостей акустичного методу щодо ідентифікації джерел надзвичайних ситуацій, пов’язаних із застосуванням різних типів вогнепальної зброї, удосконалено метод ідентифікації фактів застосування різних типів вогнепальної зброї за параметрами та характеристиками акустичних спектрів пострілів. Застосування удосконаленого методу для дослідження характеристик акустичних спектрів пострілів з пістолету Макарова калібру 9 мм, травматичного пістолету «Форт-14Р» та автомату АК-74 калібру 5,45 мм дозволило з ймовірністю 95% ідентифікувати тип вогнепальної зброї за прийнятим акустичним сигналом. Розроблено функціональну схему ідентифікації фактів застосування різних типів вогнепальної зброї за спектральними властивостями прийнятого акустичного сигналу. За результатами дослідження можливостей акустичного методу щодо ідентифікації джерел надзвичайних ситуацій, пов’язаних із застосуванням безпілотних літальних апаратів, удосконалено метод автоматичного виявлення безпілотних літальних апаратів та визначення їх типів на основі акустичних сигналів, який поєднує кластерний аналіз і вейвлет-аналіз. Застосування удосконаленого методу для трьох експериментальних моделей безпілотних літальних апаратів – Alpha Robotics Hummingbird 1000 SRTK, DJI Mavic 3t та FPV 7inch ProDrone дозволило з ймовірністю до 90 % точно ідентифікувати тип безпілотних літальних апаратів за їх акустичним сигналом. Розроблено алгоритм виявлення та ідентифікації за амплітудно-частотними характеристиками акустичних сигналів безпілотних літальних апаратів, який базується на методі вейвлет-аналізу. Цей метод дозволяє отримувати інформацію як про частотний, так і про часовий інтервал акустичного сигналу, що дає можливість виділяти характерні особливості спектру безпілотних літальних апаратів. У четвертому розділі УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДУ ЗАПОБІГАННЯ ВИНИКНЕННЮ НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЙ ВОЄННОГО ХАРАКТЕРУ МІСЦЕВОГО РІВНЯ НА ОСНОВІ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛІЗУ АКУСТИЧНОГО ПРОСТОРУ розроблено когнітивну модель функціонування об’єкту критичної інфраструктури в умовах впливу різного роду загроз, де ключові компоненти системи розбиті на чотири групи. Складові повсякденного функціонування враховують взаємозв’язки між показниками рівня фінансування, ресурсного забезпечення, станом технологічного обладнання, якістю продукції, а також чисельністю і кваліфікацією персоналу. Складові зовнішніх та внутрішніх загроз об’єднали різни види ризиків (фінансові, природні, техногенні, соціальні, застосування безпілотних літальних апаратів, застосування вогнепальної зброї, інформаційні, пожежні тощо) та враховують ступінь їх впливу на рівень нормального функціонування об’єкту. Наслідки від цих небезпек об’єднали соціальні, матеріальні та екологічні збитки. Четверта група об’єднала елементи системи акустичного моніторингу джерел надзвичайних ситуацій. Проведено структурно-топологічний аналіз побудованих нечітких когнетивних карт та встановлено, що ці карти є адекватними для оцінки впливу зовнішніх та внутрішніх загроз, а також застосування системи акустичного моніторингу джерел небезпек. Для кожної із запропонованих когнітивних моделей визначено концепти, які мають найвищу структурну значимість в умовах уведення в державі правого режиму воєнного стану при загрозах пожеж, а також застосування безпілотних літальних апаратів та вогнепальної зброї. Проведено сценарне моделювання максимального негативного впливу найвагоміших концептів системи загроз на рівень безпеки об’єктів критичної інфраструктури. Встановлено, що ці загрози безпосередньо впливають на ключові показники повсякденного функціонування та призводить до таких значних наслідків як соціальні та матеріальні збитки. Ці зміни вказують на необхідність посилення захисних заходів для мінімізації ризиків та забезпечення стійкості об’єктів критичної інфраструктури особливо перед загрозами, які виникають в умовах уведення в державі правого режиму воєнного стану. За результатами проведеного сценарного моделювання позитивного впливу результатів впровадження системи акустичного моніторингу (яка сприяє своєчасному виявленню та ідентифікації пожежних загроз, атак із застосуванням безпілотних літальних апаратів та терористичних дій) на показники зовнішніх та внутрішніх загроз на нормальне функціонування об’єктів критичної інфраструктури, встановлено підвищення рівня захисту критичної інфраструктури міста на 40–50 %. Розроблено керуючий алгоритм методу запобігання виникненню надзвичайних ситуацій воєнного характеру місцевого рівня за результатами моніторингу акустичного простору, який передбачає виконання п’яти процедур: 1) моніторинг акустичного простору міста (за допомогою системи наземних автоматизованих пристроїв акустичного контролю та пасивної локації джерел небезпек) та аналіз прийнятого акустичного сигналу (шляхом фільтрації шумів та частотного аналізу «корисного» сигналу); 2) виявлення та ідентифікації небезпечної події (шляхом порівняння амплітудно-частотних характеристик прийнятого акустичного сигналу з даними банку даних та знань характеристик акустичних сигналів від відомих небезпечних подій); 3) моделювання та аналіз загрози виникнення надзвичайних ситуацій воєнного характеру місцевого рівня; 4) ухвалення рішень щодо недопущення розвитку небезпечної події на території міста до надзвичайних ситуацій воєнного характеру місцевого рівня; 5) координація дій відповідних служб міста. Показано, що основні служби міста об’єднують підрозділи Збройних Сил України, Служби безпеки України, Міністерства внутрішніх справ України, Національна гвардія України, Національна поліція України, Державної служба України з надзвичайних ситуацій, Державної служби медицини катастроф, Державної екологічної інспекції, оператори критичної інфраструктури та комунальні служби, функції яких взаємопов’язані у мирний час, а також в особливий період, у тому числі в умовах воєнного стану, в умовах надзвичайного стану та під час виникнення кризових ситуацій. Наукова новизна одержаних результатів. 1. Вперше розроблено (за стандартом IDEF0) структурно-функціональну модель стратегічного розвитку системи безпеки міста з урахуванням нормативно-правової бази України та наявності в державі відповідних механізмів (ресурсів), де процес реєстрації загроз для життєдіяльності міста включає організацію фінансового аудиту, моніторингу соціального стану та довкілля, відеоспостереження, радіаційного, хімічного та біологічного моніторингу, а також спектрального аналізу випромінювань від джерел небезпек. В розроблену модель закладено принципи та критерії ефективності застосування спектрального аналізу акустичного простору міста для неперервного та тривалого реального часу оперативного моніторингу джерел надзвичайних ситуацій воєнного характеру місцевого рівня. 2. Вперше розроблено когнітивну модель особливостей функціонування критичної інфраструктури міста в умовах загроз та ефективності застосування акустичного моніторингу для запобігання надзвичайних ситуацій воєнного характеру місцевого рівня, з врахуванням взаємозв’язків між показниками фінансування, ресурсного забезпечення, станом технологічного обладнання, якістю продукції, а також чисельністю і кваліфікацією персоналу. Крім того, в моделі враховується негативний вплив на умови нормального функціонування об’єкту різних зовнішніх та внутрішніх загроз (у вигляді фінансових ризиків, природних ризиків, техногенних ризиків, соціальних ризиків, інформаційних ризиків, пожежних ризиків тощо) та наслідки від них у вигляді соціальних, матеріальних та екологічних збитків, а також враховується позитивний вплив результатів впровадження системи акустичного моніторингу (яка сприяє своєчасному виявленню та ідентифікації пожежних загроз, атак із застосуванням безпілотних літальних апаратів та терористичних дій із застосуванням вогнепальної зброї). 3. Набув подальшого розвитку, за результатами експериментальних досліджень можливостей спектрального аналізу акустичного простору щодо виявлення та ідентифікації небезпечних подій на території міст, метод запобігання виникненню надзвичайних ситуацій воєнного характеру місцевого рівня. До керуючого алгоритму реалізації цього методу включено виконання п’яти процедур: 1) моніторинг акустичного простору міста (за допомогою системи наземних автоматизованих пристроїв акустичного контролю та пасивної локації джерел небезпек) та аналіз прийнятого акустичного сигналу (шляхом фільтрації шумів та частотного аналізу «корисного» сигналу); 2) виявлення та ідентифікації небезпечної події (шляхом порівняння амплітудно-частотних характеристик прийнятого акустичного сигналу з даними банку даних та знань характеристик акустичних сигналів від відомих небезпечних подій); 3) моделювання та аналіз загрози виникнення НС воєнного характеру місцевого рівня; 4) ухвалення рішень щодо недопущення розвитку небезпечної події на території міста до надзвичайних ситуацій воєнного характеру місцевого рівня; 5) координація дій відповідних служб міста. Практичне значення отриманих результатів полягає в удосконаленні підходу щодо запобігання виникненню надзвичайних ситуацій на території міста, за базі безперервного та тривалого у реальному масштабі часу оперативного використання моніторингових даних щодо типу, місця виникнення та динаміки розвитку джерел надзвичайних ситуацій пов’язаних з масштабними пожежами, а також із застосуванням вогнепальної зброї та безпілотних літальних апаратів. Розроблений в дисертації керуючий алгоритм визначення відповідних рішень щодо запобігання виникненню надзвичайних ситуацій воєнного характеру місцевого рівня за даними акустичного моніторингу може бути використаний для розробки та створення автоматизованої системи безпеки міст, що підвищить ефективність функціонування місцевих ланок територіальних підсистем єдиної державної системи цивільного захисту. Практичне впровадження основних результатів дослідження було здійснено в підрозділах Головних управлінь ДСНС України в Харківській та Хмельницькій областях, а також у навчальному процесі Національного університету цивільного захисту України та Львівського державного університету безпеки життєдіяльності