автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:МЕТОДОЛОГИЯ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ В ОСОБО СЛОЖНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ УСЛОВИЯХ КРИТИЧЕСКИ ВАЖНЫХ ОБЪЕКТОВ

Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы МЧС России

На правах рукописи

ЕВГРАФОВ Павел Михайлович

05201350294

МЕТОДОЛОГИЯ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ В ОСОБО СЛОЖНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ УСЛОВИЯХ КРИТИЧЕСКИ ВАЖНЫХ ОБЪЕКТОВ

05.13.01 - системный анализ, управление и обработка информации

(промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 2012

Содержание

Стр.

Введение 5 Глава 1. Анализ известных решений в области оказания поддержки принятия решений (ППР) и обучающих систем

(ОС) 23

1.1 Задача оказания информационной (интеллектуальной) ППР и системы поддержки принятия решений (СППР) 23

1*.1.1 Поддержка принятия решений. Общие направления и проблемы 23

1.1.2 Классификация и примеры СППР 29

1.1.3 СППР в чрезвычайных ситуациях (ЧС) и в «чрезвычайных информационных условиях» (ЧИУ) 40

1.1.3.1 Актуальность задачи. Чрезвычайные информационные условия 40

1.1.3.2 Анализ известных СППР в ЧС 43

1.2 Анализ известных обучающих систем 56

1.3 Анализ известных методов моделирования и оценивания знаний-решений 63

1.3.1 Методы моделирования знаний-решений 63

1.3.2 Методы численного оценивания знаний-решений 71

1.4 Выводы 86 Глава 2. Метод психологического моделирования и логического оценивания сложных знаний-решений 88

2.1 Постановка задачи 88

2.2 Основания применения формально-логических моделей и ограничения логики 90

2.3 Основные структуры знаний-решений 95

2.3.1 Знания-решения логической структуры 97

2.3.1.1 Знание-решение формы ПУ - перечень условий 97

2.3.1.2 Знание-решение формы ПА - перечень альтернатив 98

2.3.1.3 Знание-решение формы А-ПУ - альтернативные перечни

условий 100

2.3.2 Знания-решения комбинаторной структуры 101

2.3.2.1 Знание-решение формы ПД - последовательность действий 101

2.3.2.2 Знание-решение формы А-ПВ - альтернативы, указанные в порядке, определяющемся предпочтительностью выбора 102

2.3.3 Знания-решения комбинированной структуры. Формы А-ПД, А-ПД-ПВ, А-ПУ-ПВ 104

2.4 Структурирование и представление «неидеальных» знаний-решений 106

2.5 Логическое оценивание 109

2.6 Выводы 113

116

Глава 3. Теоретические основы описания процесса приобретения новых знаний и их численного оценивания

3.1 Самостоятельное приобретение новых знаний как вероятностный процесс 1 16

3.2 Универсальный критерий ценности сложных знаний 121

3.3 Связанные и несвязанные сложные знания-решения 129

3.4 Метод вероятностного оценивания сложных знаний-решений логико-комбинаторных структур 132

3.4.1 Общая вероятностная модель ценности сложных знаний-

решений 132

3.4.2 Частные модели ценности сложного знания-решения формы

ПУ. Результаты. Функция ценности знания 136

3.4.3 Частная модель ценности сложного знания-решения формы ПД 142

3.4.3.1 Моделирование ценности решения формы ПД без учёта достижения цели-понятия и без действий произвольной последовательности 143

3.4.3.2 Моделирование ценности решения формы ПД с учётом достижения цели-понятия и без действий произвольной последовательности 152

3.4.3.3 Моделирование ценности решения формы ПД с учётом достижения цели-понятия и с учётом действий произвольной последовательности 155

3.4.4 Моделирование с учётом различной вероятности выборки ЧЗР 161

3.4.5 Приведение оценки к единой базе. Объёмная и линейная

оценки. Сравнение результатов 163

3.5 Индивидуальный и коллективный интеллекты 169

3.6 Анализ процесса приобретения новых знаний на примере хронологии вооружений 178

3.7 Выводы 185 Глава 4. Методологические основы построения СППР ЧИУ

и активных ОС. Конкретные приложения 188

4.1 Проблема оказания ППР для ЧИУ на примере пожаров в

зданиях и сооружениях 188

4.1.1 Проблема ППР профессиональных пожарных 189

4.1.2 Проблема ППР ответственных гражданских лиц при пожаре 194

4.2 Концепция поддержки принятия решения для чрезвычайных информационных условий 218

4.3 Разработка структуры и алгоритмов работы СППР ЧИУ 226

4.4 Системы поддержки принятия решений для чрезвычайных информационных условий в области пожарной безопасности 246

4.5 Компьютерные обучающие системы на основе метода анализа конкретных ситуаций и деловых игр 270

4.6 Выводы 301

Заключение 305

Перечень нестандартных терминов и их определения 309

Литература 317

Введение

Актуальность темы

Общественная организация человечества, непрерывно усложняясь, переплетаясь с грандиозной технической надстройкой, заключающей в себе массу энергии, стала структурой чрезвычайно уязвимой, трудно управляемой и склонной к распаду, чреватому катастрофическими последствиями. Такое опасное усложнение наблюдается не только в мировом масштабе, но и на региональных, местных уровнях организации общества, на уровне практически любых создаваемых человеком объектов производства или жизнедеятельности.

Академик В.И. Вернадский в своём главном труде «Биосфера и ноосфера» [1] объявил о существовании такого феномена планетарного масштаба как ноосфера (область разума), активно влияющего на лицо планеты. В. И. Вернадский, несмотря на свою очень непростую научную судьбу, был большим оптимистом в отношении судеб человечества. Мы, соглашаясь во многом с В.И. Вернадским, по крайней мере, не можем не замечать чрезвычайно возросшую значимость информационных процессов, связанных с деятельностью разума.

Непременным условием существования всех создаваемых человечеством социально-технических структур является управление ими в той или иной степени. Эти структуры занимают определённую нишу на планете, вытесняя из неё сформировавшиеся естественным путём компоненты природы. Тем самым, активно изменяется окружающая, привычная среда жизнеобитания человечества, что влияет на самого человека. Природные факторы приходят в движение, равновесие нарушается. Без введения управляющих коррекций на последующую деятельность человека это грозит необратимыми отрицательными последствиями.

Информационное описание значимых для человека процессов и объектов является первичным и обязательным элементом научного управления искусственными и природными объектами. Такое описание, проводимое с помощью феноменологических, математических, физических и иных моделей, непрерывно осуществляется учёными, но, очевидно, отстаёт от реальных

потребностей человечества. Созданные разумом объекты живут своей, во многом скрытой от нас жизнью, которую мы замечаем иногда слишком поздно - при опасных авариях и катастрофах.

Постоянное усложнение общества и его структур диктует необходимость адекватного усложнения управления им на всех уровнях.

Первопричиной неэффективного управления Лицами, Принимающими Решения (ЛПР), является ограниченность знаний об окружающем мире. Общая задача науки в этом отношении известна - дальнейшее познание окружающего мира.

Часто ошибки управления делаются из-за имеющихся у ЛПР нечётких, субъективных знаний, когда при наличии, казалось бы, одной и той же информации об объекте, разными ЛПР принимаются различные же решения. Причём эти ошибки носят не очевидный характер и их нельзя объяснить прямым незнанием. В подобных случаях говорят о необходимости повышения качества принимаемых управленческих решений слабоструктурированных и неструктурированных задач.

Крайней, но весьма распространённой ситуацией является принятие

неправильных или неоптимальных решений, когда для принятия верного

решения, знаний об управляемом объекте в чётко описанных наукой областях

достаточно. Одна из причин такого состояния дел заключается в несоответствии

реальных возможностей ЛПР по принятию и обработке поступающей

информации, реальному количеству информации и скорости её изменения. Часто

выше названные причины ошибочных или неоптимальных решений, кроме

первой причины (незнание), называют «человеческим фактором». Подклассом

ошибок, вызванных человеческим фактором, является класс ошибок из-за

«психологического фактора»: стресса, невнимательности, забывчивости.

Невнимательность вызывается усыпляющей монотонностью окружающей

обстановки. Забывчивость по отношению к некоторой информационной ситуации

и способам её разрешения часто является следствием субъективного восприятия

6

ЛПР незначимости этой ситуации. Распространённой причиной ошибок ЛПР является и временное расстройство его умственной деятельности под воздействием сложной и опасной ситуации (стресс), когда даже простые с информационной позиции и известные решения не принимаются вовсе или принимаются в искажённой форме.

Все эти причины отражают несовершенство и ограниченные возможности человека как некой информационной машины.

Таким образом, целесообразно говорить об актуальности повышения качества решений управленческих задач в чрезвычайных информационных условиях (ЧИУ), под которыми мы понимаем наличие хотя бы одного из следующих факторов: 1) недостаточности и недостоверности информации, 2) влияния негативного «человеческого фактора», выражающегося в субъективности оценивания, а также - в «психологическом факторе», 3) сочетания стеснённости во времени, чрезвычайной быстротечности и информационной насыщенности протекающих процессов.

Повышение качества решений рассматриваемого класса задач возможно при информационной поддержке ЛПР, выражающейся в различных формах интеллектуально-технических мероприятий, например, экспертном анализе, совещаниях, моделировании процессов развития ситуации и управления ей.

Существующие два взгляда на понятие информационной системы сходятся

в том, что информационная система представляет собой комплекс средств и

ресурсов, решающий некую целевую задачу путём сбора, передачи, хранения,

переработки информации. При наиболее общем взгляде полагают, что в

информационную систему, кроме технических средств, входит и персонал, для

которого, в конце концов, и предназначена информация. Потому при разработке

информационных систем изучению подлежат информационные потоки, идущие к

персоналу от технических средств и обратно, а также, информационные процессы

внутри персонала. Второй взгляд, к которому склонны специалисты в области

компьютерного инжиниринга, исключает из рассмотрения персонал. Второй

7

подход представляет собой упрощение, в ряде случаев приводящее к построению неэффективных систем и принимаемых с их помощью решений.

В последние десятилетия, автоматизированные информационные системы всё чаще называют системами поддержки принятия решений (СППР). В СГТГТР гибко сочетаются возможности ЭВМ по скоростной обработке формализованной информации и лучшие качества человеческого интеллекта по обработке нечёткой и противоречивой информации, по творческому решению новых задач. Есть мнение, что наличие персонала в СППР подчёркивает слабоструктурированный характер решаемых информационных проблем в СППР.

Возможность и наличие существенных потерь, вызванных ошибками оперативного управления ЛПР, несовершенство практикующихся средств и методов поддержки принятия решений (ППР), недостаточность системной проработки научной проблемы, делают задачу разработки принципов построения человеко-машинных СППР, обеспечивающих повышение качества принимаемых решений, актуальной.

Процесс выработки ответственных и сложных управленческих решений растянут во времени, содержит много этапов выработки и принятия частных решений. На каждом этапе осуществляется своя процедура выбора альтернативных частных решений. Поэтому, зачастую можно говорить о квазинепрерывном процессе принятия решений. Учитывая, что в СППР окончательное принятие решений (выбор альтернативы) принадлежит ЛПР, ППР может осуществляться в форме представления ЛПР возможных альтернатив, формирования альтернатив или их частей, пояснения смысла альтернатив, представления ЛПР информации, каким-либо образом помогающей ему выработать и принять решение.

Проблемам принятия решения и ППР в разнообразных формах посвящена

многочисленная литература. Известны работы следующих авторов: Eom S.B.,

Ginzberg M.J., Stohr Е. А., Simon H.A., Т. Саати, Э. Науман, П. Фишберн, Кини

Р.Л., Райфа X., Блэйр Д.Х., Поллак Р.Э., Д. Уотермен, Д. Джарратано и Г. Райли, а

8

также, других зарубежных авторов [2-39]. Среди отечественных авторов наиболее масштабно этой проблематикой занимались: Трахтенгерц Э.А., Ларичев О.И., Петровский А.Б., Черноруцкий И.Г., Шапиро Д.И. [40-71] и иные учёные, например, [72-85]. В силу сложности рассматриваемых задач, многие аспекты проблематики ППР остаются ещё изученными не полностью, а известные методы ППР не всегда применимы по причине узости специализации и не всегда удовлетворяют требованиям объективности описания решений и оценивания их эффективности.

В СППР компьютеру отводится роль обработки формализованной, в основном, чёткой информации, и представления информации человеку. Человек же в рамках СППР имеет дело не только с чёткой и достоверной информацией, но и с неформализованной, нечёткой, подчас противоречивой, неверной, неполной информацией, что можно характеризовать «неидеальностью» информационного поля принятия решений, и должен принимать на базе всей имеющейся у него информации решения, носящие творческий характер.

Примером управленческих слабоструктурированных задач, решаемых в ЧИУ, являются многие (но не все) задачи, стоящие перед службами МЧС и сотрудниками различных организаций при пожарах, авариях и катастрофах. Данные задачи осложняются тем, что заранее нельзя точно предсказать, как сложатся факторы, влияющие на развитие чрезвычайной ситуации (ЧС) и ликвидацию последствий от ЧС.

Цена неверных действий в этих условиях весьма высока и может выражаться в уничтожении и повреждении дорогостоящего имущества, загрязнении окружающей среды, гибели людей, как это было при Чернобыльской аварии, относительно недавнем пожаре во Владивостоке и во многих других ЧС.

Проблематика разработки СППР ЧИУ, почерпнутая из примеров отдельных видов деятельности в области ЧС, представляется в виде следующих задач (Рисунок 1):

1) Перенаправить часть «неидеальной информации» вместо ЛПР - на компьютер, с целью возможного снижения субъективности оценивания.

2) Разработать понятийный для ЛПР в области ЧС, «адаптивный» интерфейс, позволяющий оперировать с «неидеальной» информацией и сближающий компьютер с информационными возможностями человека.

Примечание: Применение СППР ЧИУ связано с моделированием сложных процессов и применением информационных технологий. Для снижения степени отторжения ЛПР необходимо, чтобы интерфейс СППР описывал поле деятельности ЛПР наиболее для него близких образах, был для него «понятиен». Причём в ходе моделирования в компьютерном интерфейсе желательно наиболее близко воссоздать поле «неидеальной» информации и смоделировать возможности человека оперировать с такой информацией («адаптивность» интерфейса).

3) Повысить объективность оценок принимаемых решений, как на логическом, так и на численном уровнях.

Примечание: В слабоструктурированных задачах большая часть параметров оценивается самим ЛПР качественно, на логическом уровне, что само по себе несёт в себе субъективизм. В целях повышения объективности оценивания следует совершенствовать имеющиеся способы логического оценивания. Также, в целях повышения объективности желателен переход от логического оценивания к численному.

4) Обеспечить возможность коррекции знаний ЛПР, отражающих интеллектуальные информационные возможности ЛПР, и от которых напрямую зависит качество принимаемых им решений.

Примечание: Такая возможность необходима вследствие различия знаний отдельных ЛПР.

5) Создать в СППР возможность развития творческих возможностей ЛПР, необходимых ему для принятия решений по нештатным ситуациям.

Примечание: Наряду с имеющимися закономерностями в развитии и ликвидации ЧС, каждая ЧС характеризуется существенной степенью неповторимости, различием отдельных параметров, что принципиально может изменить состав и последовательность действий при ЧС. Причём возможных

вариантов ЧС, учитывая их нечёткий характер, столь много, что предусмотреть их

/

все заранее не представляется возможным. Поэтому, каждый раз при конкретной ЧС решается новая задача, требующая развитых творческих возможностей ЛПР.

суоъектнвность оценок ^^ (человеческий фактор)

«нендеальная» информация

многовариантность развития ЧС

коррекция психологического фактора | _ |

9 9 9

; і; 2; з

разряоотка ооъектнвных чето-дов и моделей представления и "У] оценивания знаний-решений

»/»о^ I 4 « > ^ і 1 I 2 » 3

оыст|)отечность процессов на объекте

невозможность ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭВМ

в режиме реального времени

невнимательность

заоывчнвость

отгорженне проолем ЧС

негативные проявления стресса

Определение парадигмы эффективного планирования

?4?5'?1?2?3 I_

разработка эффективных методов компьютерного обуче