автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Оценка эффективности систем безопасности с помощью моделирования перемещения субъектов движения по охраняемому объекту

005010525

На іі[ивах рукописи

Леус Андрей Владимирович

Оценка эффективности систем безопасности с помощью моделирования перемещения субъектов движения по охраняемому объекту

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации

(промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2012

005010525

Работа выполнена в Московском физико-техническом институте (государственном университете) на кафедре «Системы безопасности» факультета радиотехники и кибернетики.

Научный руководитель:

доктор технических наук, старший научный сотрудник Кострыкин Владимир Семенович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, академик РАЕН Волков Виктор Генрихович ОАО ФГУП «Альфа»

Кандидат физико-математических наук Швырев Борис Анатольевич,

ФКУ НИИ ФСИН России

Ведущая организация

Научно-производственный центр «Омега-микродизайї і»

Защита состоится 27 марта 2012 г. в 14 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.133.01 при Московском Государственном Институте Электроники и Математики по адресу: 109028, Москва, Б. Трехсвятительский пер., д. 3

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Государственного Института Электроники и Математики (технический университет)

Автореферат разослан «2І»

2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.133.01

кандидат технических наук, доцент

С.Е. Бузников

Общая характеристика работы

Актуальное! ь работы

С развитием функциональных возможностей оборудования, используемого в различных системах физической защиты (СФЗ), все более важной становится оценка эффективности проектируемой системы. Очень часто можно услышать о накопленном опыте и о наработках в данной области. Но в действительности получить с их помощью объективное и измеримое представление об эффективности СФЗ бывает тяжело. Иногда ситуация осложняется еще и тем, что так называемые обоснования выбора и установки оборудования не всегда убедительны, и обусловлены сугубо финансовыми причинами, т.е. не обеспечивают требуемый уровень защиты. В то же время методы, которые можно реально применять при оценке эффективности систем физической защиты, по-прежнему далеко не так совершенны, как хотелось бы.

На сегодняшний день существует множество как отечественных, так и зарубежных работ, полностью описывающих порядок проектирования и строительства систем обеспечения безопасности людей. Также существует большое количество научных трудов, где так или иначе дается методика определения эффективности данных систем, но задача оценки эффективности системы с помощью объективного поиска наиболее опасной траектории движения нарушителя с целью защиты от ней не ставится.

В наиболее распространенных методиках решение задачи определения эффективности системы сводится к построению пути движения нарушителя, определению вероятности обнаружения и (или) нейтрализации нарушителя на данном нупт, а также вычислению времени, в течение которого нарушитель будет двигаться к цели после обнаружения. В этом случае все препятствия, встречающиеся на нуги нарушителя, описываются вершинами формируемого графа. Возможности перехода от одного препятствия к другому - ребрами графа. Основная сложность, возникающая при построении подобной модели, заключается в определении всех возможных путей движения нарушителя по объекту для построения наиболее точного графа, описывающего объект.

Несомненно, слабым местом данного подхода является неточность экспертно заданной траектории движения нарушителя. Эксперт лишь допускает, что нарушитель не выберет другого пути, а это не всегда обосновано.

Предсказагь поведение нарушителя невозможно, зато всегда можно определить траекторию, которая по тем или иным причинам будет оптимальна для нарушителя,

определяя, таким образом, наиболее уязвимые части системы физической защиты. Применение же описанного выше графа при нахождении данной траектории не гарантирует, что она будет выявлена.

Существует множество компьютерных приложений, которые помогают оценивать эффективность систем физической защиты. Сейчас можно использовать целый спектр данных приложений от упрощенных расчетных программ типа БАБ! до сложных трехмерных моделей, а также моделей игрового типа, где роли нарушителей и сил противодействия играют реальные люди, работающие с данной программой. Также существуют компьютерные программы, использующиеся для расчета путей эвакуации в случае чрезвычайной ситуации.

Но как и в случае с классическим построением графов во всех существующих компьютерных моделях обыгрывается ситуация или оценивается заранее выбранный маршрут, причем как ситуация, так и маршрут выбираются на основании некоторых эмпирических оценок, а иногда и просто из так называемого опыта.

В большинстве случаев при проектировании систем безопасности подобная оценка эффективности вообще не проводится, а выбор систем и комплекгующих производят на основании ранее производившихся инстатляций, что опять же не гарантирует эффективности системы.

Следовательно, необходимо создать альтернативную математическую модель объекта, защищаемого системой безопасности, и на основании этой модели разработать методику объективной оценки системы безопасности, а также необходимый для этого инструме1ггарий.

Цель диссертационного исследования

Целью диссертационного исследования является разработка методики объективной сценки эффективности систем безопасности.

Задачи исследования

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие частные задачи:

1) создать математическую модель движения рассматриваемых персонажей по

объекту, оборудованному' системой безопасности;

2) решить задачу поиска минимальных по времени путей движения по объекту

для следующих персонажей: нарушитель, силы реагирования, поток эвакуирующихся людей;

3) решить задачу оценки вероятности обнаружения нарушителя;

4) на основании созданной математической модели и методики оценки вероятностных характеристик обнаружнтелыгой способности системы безопасности разработать методику интегральной оценки системы безопасности.

Научная новнзна результатов работы

1. Предложена топологическая формализованная математическая модель системы физической защиты охраняемого объекта на основе клеточного поля с целыми значениями анализируемых параметров. Данная модель, в отличие от уже известных, позволяет описать СФЗ объектов со сложной топологией па заданном уровне декомпозиции, а также получить интегратьную оценку эффективности СФЗ при наличии множества объектов защиты или распределенного объекта защиты.

2. Разработан алгоритм поиска зоны низкой вероятности обнаружения нарушителя, для чего были использованы методы динамического программирования и стандартные алгоритмы поиска пути в ширину. Для описания плотности вероятности обнаружения нарушителя в заданной точке разработанной топологической модели было впервые введено и успешно применено понятие нормированной дискретной логарифмической вероятности.

3. Разработан адаптированный к системам безопасности алгоритм поиска пути в ширину с элементами эвристики, не влияющими на оптимальность найденного пути, способный находить наиболее быстрый путь движения нарушителя с необходимой точностью и за приемлемое время. Сложность предложенного алгоритма имеет линейную зависимость от количества дискретов на поле модели.

4. Предложена методика оценки эффективности СФЗ крупных и распределенных объектов со сложной топологией. Эта методика, в отличие от уже существующих, позволяет оценивать эффективность системы физической защиты с учетом взаимного влияния ее подсистем и топологии охраняемого объекта, что дает возможность значительно снизить влияние субъективного фактора на результаты оценки.

Научно-практическая значимость результатов работы

1. На основе разработанных методов создано методическое, алгоритмическое и программное обеспечение для решения задач:

о оценки эффективности систем физической защиты,

о прогноза развития тревожной ситуации в случае обнаружения на объекте нарушителя,

о обеспечения эвакуации персонала охраняемого объекта в случае возникновения на охраняемом объекте чрезвычайной ситуации.

б

Созданное методическое, алгоритмическое н программное обеспечение предназначено для обеспечения безопасного функционирования крупных и распределенных охраняемых объектов.

2. Программная реализация разработанного алгоритма оценки эффективности СФЗ «Анализатор СФЗ ТОДНИРО» позволяет автоматизировать процесс оценки эффективности, как на этапе разработки проекта, так и при оценке эффективности уже существующей СФЗ охраняемого объекта, существенно снизить время проектирования и степень влияния субъективных факторов.

3. Программная реализация разработанного алгоритма расчета путей эвакуации «ИРПЭ» позволяет автоматизировать процесс управления потоками людей при эвакуации персонала охраняемого объекта в чрезвычайных ситуациях, существенно снизить время проектирования систем обеспечения эвакуации и исключить при этом влияние субъективных факторов.

4. Применение результатов диссертационных исследований в проектах ЗАО «КОМПАНИЯ БЕЗОПАСНОСТЬ» и ООО «АльянсЭксперт» позволило значительно сократить трудозатраты на оценку эффективности систем безопасности и повысить достоверность получаемых результатов.

На защиту выносятся следующие основные положения:

о Научно-методические положения по решению задачи поиска кратчайших путей и областей обнаружения и пресечения действий нарушителя на модели охраняемого объекта, включающей в себя математические модели субъектов движения: нарушитель, охранник, эвакуирующийся человек.

о Методика оценки системы безопасности крупных и распределенных объектов путем оценки обнаружительной способности системы безопасности и защищенности охраняемого объекта.

о Комплекс алгоритмов моделирования развития событий на охраняемом объекте.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на следующее конференциях:

о Международный семинар «Распределенные компьютерные и

коммуникационные сети». - М.: ИППИ, 2007. (Москва, октябрь 2007 г.)

о 50-я научная конференция МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Секция проблем управления. - М.: МФТИ, 2007. (г. Москва, ноябрь 2007 г.)

о 51-я научная конференция МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Секция систем безопасности. - М.: МФТИ, 2008. (г. Москва, ноябрь 2С08 г.)

о Конференция молодых ученых. Информационные технологии, секция «Безопасность и противодействие терроризму, защита информации». - СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. (г. Санкт-Петербург, апрель 2009 г.)

о IEEE Int. Conf. on Industrial Informatics INDIN 2009, (Cardiff, UK, June 2009) о 52-я научная конференция МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Секция систем безопасности. - М.: МФТИ, 2009. (г. Москва, ноябрь

2009 г.)

о VII научно-техническая конференция «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования земли» - М.:МПТОРЭС, 2010. (г. Адлер 2010 г.)

о 53-я научная конференция МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Секция систем безопасности. - М.: МФТИ, 2010. (г. Москва, ноябрь

2010 г.)

о International Conference on Business, Engineering and Industrial Applications (ICBEIA2011) (Kuala Lumpur, June 2011)

о 54-я научная конференция МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Секция систем безопасности. - М.: МФТИ, 2011. (г. Москва, ноябрь

2011 г.)

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 25 печатных работах, из них 11 статей в журналах, 3 из которых - по перечню ВАК [3, 4, 12], 5 статей в сборниках трудов конференций [1, 2, 6, 7, 9], 4 тезиса докладов [15, 16, 17, 18], монография [14], глава в книге [24], 2 авторских свидетельства [19, 20].

Личный вклад автора

Диссертация написана по материалам исследований, выполненных на базовой кафедре «Системы безопасности» МФТИ (ГУ) в период с 2008 по 2011 годы. Личный вклад соискателя в опубликованные работы составляет в среднем не менее 70%. Многие работы написаны автором лично. Результаты, выносимые на защиту, получены автором самостоятельно. Все представленные в диссертации результаты получены лично автором.

в

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем работы составляет 126 машинописных страниц формата А4 печатного текста с иллюстрациями. Список используемой литературы включает 97 наименований.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационных исследований, цель и задачи работы, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, формулируются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Анализ существующих методов оценки эффективности систем безопасности» обосновывается важность оценивания эффективности системы безопасности, дается определение и краткое описание системы физической защиты объекта, анализируются существующие методы и программы сценки эффективности систем безопасности, среди которых выделяются: оценка эффективности системы безопасности с помощью графа, экспертные оценки.

Особое внимание уделяется оценкам, в основе которых лежит компьютерное моделирование объекта и систем. Приводится подробный сравнительный анализ всех основных существующих на сегодняшний день компьютерных моделей, с помощью которых можно оценить эффективность системы безопасности. В работе рассматриваются три группы программ, классифицированных по типу расчетного модуля.

1. Программы, основанные на исследовании одиночного маршрута (EASI, «Спрут-ИМ»), В данных программах каждый элемент маршрута выполняет функцию обнаружения нарушителя и/или задержки его на пути к цели. При моделировании маршрут представляется последовательностью рубежей, заданные характеристики которой и обрабатывает данная программа, выдавая числовую интегральную оценку, характеризующую опасность рассматриваемого маршрута движения нарушителя.

2. Программы для построения схемы последовательности действий нарушителя (СПДН) или иерархической структуры участков территории объекта с целью определения наиболее опасных маршрутов движения нарушителей (ASSESS, «Вега-2»), Задача поиска наиболее опасных маршрутов сводится к задаче определения на взвешенном графе таких путей, вероятность успеха нарушителя на которых является наибольшей.

3. Программы, работающие с трехмерной электронной моделью объекта, па которой с необходимой степенью детализации показываются элементы объекта и его СФЗ («Спрут»),

Отдельно рассмотрены программы игрового типа.

Проанализированы работы, которые были так или иначе посвящены правильным методам проектирования эффективных систем безопасности: методика проектирования системы безопасности, выбор состава технических средств системы физической защиты, анализ и оптимизация систем физической защиты.

Подводя итог, можно сказать, что оценка эффективности СФЗ, используемая в большинстве существующих методик носит субъективный характер и сильно зависит от опыта и мнения эксперта В данных условиях крайне необходима разработка математического аппарата, с помощью которого можно было бы максимально снизить субъективное влияние эксперта на оценку эффективности системы физической защиты.

Дпя решения задачи поиска минимальной по времени траектории движения нарушителя рассмотрены основные существующие алгоритмы поиска пути: обход препятствий, простой поиск в ширину, алгоритм Дейкстры, эвристические алгорнгмы.

Для поиска наиболее опасного пути субъекта движения предложен адаптированный под системы безопасности алгоритм поиска в ширину' - адаптированный волновой алгоритм.

Данный алгоритм представляет собой расчет волны, которая распространяется из некоторой стартовой точки во все стороны. Для сокращения вычислений используется дискретная модель пространства и времени. Специфика расчетов, применяемых для систем безопасности, позволяет дискретизовать пространство и время с необходимой точностью в целях получения конечных результатов с требуемой погрешностью.

Для определения эффективности системы физической защиты формулируются основные задачи, которые данная система должна решать:

1) достоверное обнаружение нарушителя при проникновении его на охраняемую территорию;

2) обеспечение необходимых действий для нейтрализации нарушителя.

Формулируются граничные условия данной задачи, формализуется задача

описания движения субъекта

Во второй главе «Научно-методические положения по решешпо задачи поиска кратчайших путей и областей обнаружения» описывается математический аппарат, применяемый для поиска минимального по времени пути, и разработанный алгоритм

расчета минимальной по времени траектории движения субъекта на примере движения нарутшггеля.

Вводится модель защищаемого объекта в виде клеточного поля, оговариваются допущения и начальные условия.

В рамках формируемой математической модели считается, что нарушитель движется равномерно в пределах одной клетки поля. При переходе из одной клетки поля в другую может мгновенно меняться его скорость.

Каждая клетка поля описывается следующим вектором (1):

где * - координата точки по оси ох, у - координата точки по оси ОГ,

хрг„ - координата точки по оси ох, из которой «пришел» нарушитель, урт - координата точки по оси ОУ, из которой «пришел» нарушитель,

Р - вероятность обнаружения нарушителя в данной клетке,

КТ - дискретное время преодоления данной клетки,

Т - минимальное дискретное время, через которое после начала расчета нарушитель может попасть в данную клетку,

т - маркер, показывающий, что вероятный нарушитель прошел данную клетку (ш=0)илине прошел (т = 1).

Параметр р задается на этапе анализа системы на основе нормативных данных, паспортных характеристик оборудования, экспертных оценок, результатов проведенных испытаний.

Параметр КТ вычисляется по формуле (2):

где Г - время преодоления нарушителем данной клетки,

А! - дискрет отсчета.

Для определения дискрета отсчета необходимо вычислить характерный размер ячейки, который называется дискретом пространства (3):

где Ьх - характерный размер анализируемого объекта (задается при анализе объекта на основе предпроектного обследования),

'*(.х,у)=\хрге*-, Ургг,\ р', КТ-, ^ т|[

(1)

(2)

(3)

А/, - разрешение по горизонтали (количество клеток поля по горизонтали задается вручную в зависимости от желаемой детализации расчета).

Дискрет отсчета зависит от скорости движения нарушителя и дискрета пространства на данном поле (характерный размер ячейки). При введенном допущении, что нарушитель движется равномерно в пределах, по крайней мере, одного дискрета пространства, дискрет отсчета определяется следующим выражением (4):

Л/=—, (4)

V '

где V - характерная максимальная скорость нарушителя, беспрепятственно перемещающегося по ровному открытому пространству (заранее определяется при исследовании), в данной модели считается, что нарушитель не может перемещаться со скоростью большей, чем данная.

Разрешение поля по оси ОУ- вычисляется по формуле (5):

Далее рассматриваются ортогональные и диагональные перемещения субъекта движения по заданному полю объекта, задается условие завершения поиска пути.

Рис. 1. Область возможного нахождения нарушителя;

На основе расчета области возможного нахождения субъекта движения в каждый конкретный момент времени (рис. 1.) описывается алгоритм поиска минимального по времени пути движения нарушителя до цели,

Отдельно рассматривается движение в трехмерном пространстве (рис. 2), которое описывает переходы субъекта движения между условными уровнями объекта.

Вместе с тем приводится несколько примеров поправок и уточнений расчетов, которые могут повысить достоверность получаемых результатов.

Кроме того, во второй главе доказывается лемма о минимальной по времени траектории движения нарушителя, следствиями которой являются приемы оптимизации описанного алгоритма: «Инверсия» и «Двунаправленный счет».

Во второй главе также формулируется понятие зоны низкой вероятности обнаружения нарушителя, как область пространства, по которой нарушитель может двигаться из стартовой точки так, что вероятность его обнаружения будет ниже наперед заданной пороговой вероятности Рт;п.

В работе предлагается методика формирования данной области для заданной стартовой клетки. Пройдя N клеток, нарушитель обнаруживает себя с вероятностью (6):

Стартовые

клетки ч

Рис. 2. Трехмерная модель движения нарушителя по объекту;

где Р: - вероятность обнаружения нарушителя в г -й клетке. Считается, что нарушитель обнаружен, если выполнено условие (7):

Для рассмотрения вероятности обнаружения нарушшсля в предлагаемой математической модели необходимо найти для каждой стартовой клетки с координатами область С1А., в которой нарушитель может перемещаться с вероятностью обнаружения меньше .

Вероятность необнаружения нарушителя обозначается р\ тогда характеристики двух последовательных руоежей охранной сигнализации будут описываться вероятностями (/}"=1-^) и (?2 =1 -р2), а вероятность их успешного прохождения будет вычисляться по формуле (8):

р‘=р'р1 (8)

Данный простой переход позволяет уйти от выражений, содержащих и сложение, и умножение. В новом расчете есть только произведение вероятностей.

Логарифмирование уравнения (В) даёт следующий результат:

ь(р')=Ц^£)=ь(/]*)+ь(£). (9)

Из (9) видно, что перейдя к логарифмам, удалось перейти к параметрам, которые теперь можно суммировать, как и временные параметры преодоления клеток поля, что в свою очередь даёт возможность ввести понятие нормированной дискретной логарифмической вероятности кр, которая вычисляется по формуле (10):

1п | - Коут

АГР(Р*) =

(10)

где Norm - нормирующее натуральное число.

Полученная дискретная вероятность необнаружения сравнивается с пороговой (для заданного нормирующего числа Norm). Если пороговое значение достигнуто, значит нарушитель на данном пути обнаружен. Вероятность обнаружения также может быть легко восстановлена по формуле (11):

р —е Доли \* * J

В то время как при перемещении из одной клетки в другую вероятности необнаружения перемножаются, нормированные дискретные логарифмические вероятности КР складываются:

КР»„=1»,Ю' (12)

В главе приводится оценка точности метода и пример расчета (рис. 3).

Рис. 3. Зона низкой вероятности обнаружения нарушителя на периметре;

Полученные погрешности и поправки не оказывают существенного влияния на результат производимых вычислений, что позволяет широко применять разработанный алгоритм при оценке эффективности систем безопасности.

Завершает главу описание методики формирования стартовой области движения нарушителя.

В третьей главе «Программа оценки эффективности систем безопасности» приводится описание разработанного программного обеспечения, которое применимо в качестве основного инструментария при оценке эффективности систем безопасности. Интерфейс программы представлен на рис. 4.

Рис. 4. Интерфейс программы для анализа эффективности систем безопасности;

В работе приведены общие данные о программе, ее особенности и описание работы, рассмотрена возможность интеграции программы в состав комплекса систем физической защиты в качестве вычислительного модуля для оценки ситуации на объекте в режиме реального времени.

Отдельно рассмотрена задача управления вычислительными мощностями при запуске вычислительно сложных расчетов на многопроцессорных системах, рассмотрены типовые задачи и объекты, описано применение нескольких бачансировок нагрузки, для задачи поиска минимальных по времени пугей разработан метод балансировки нагрузки, масштабируемый на многопроцессорные системы, содержащие от двух до нескольких десятков процессоров.

В четвертой главе «Применение модели движения нарушителя по охраняемому объекту в системах безопасности» приводится пример использования разработанного инструментария для оценки эффективности системы физической защиты и повышения эффективности систем противопожарной защиты.

Рассматривается применение алгоритма и рабочей программы для расчета траекторий движения нарушителя, сил реагирования. Вводится понятие целевой функции оценки эффективности, которая имеет вид:

^(дТ) = ^нт1п (1н(р), 1,м ) -10 (т,/0, *0) -АТдоп, (13)

где:

/ИПЙ„ - минимальное время движения нарушителя к объекту защиты;

1Н (р) - расположение (удаление) точки начала движения нарушителя относительно объекта защиты;

г, „ - время задержки нарушителя;

<0 -оптимальное время движения сил охраны к объекту защиты;

10 - расположение (удаление) караульного помещения относительно объекта защиты;

у0 - скорость движения сил охраны;

ДТдоп - минимально допустимое время опережения службой охраны нарушителя, необходимое для подготовки к его нейтрализации.

В работе рассматривается два подхода в оценке эффективности системы физической защиты: оценка частного значения целевой функции и оценка интегральных показателей охраняемого объекта.

1. Оценка частного значения целевой функции.

При проведении оценки полученного частного значения целевой функции Г(ДТ) возможны варианты /■'(дг)>0 и /г(ДГ)<0.

В этом случае считается, что физическая защита охраняемого объекта обеспечивается, СФЗ является эффекгивной для заданной цели и принципиально не требует улучшений.

В этом случае считается, что физическая защита охраняемого объекта не обеспечивается, СФЗ не является эффективной для заданной цели и требует улучшений для обеспечения физической защиты охраняемого объекта.

2. Оценка интегральных показателей.

Если объектов защиты несколько, то оценку частного значения целевой функции необходимо провести столько раз, сколько имеется объектов защиты. Для того, чтобы избежать данной вычислительно сложной процедуры, а также для того, чтобы визуализировать полученные результаты, предлагается проводить графическое построение модели объекта, потенциально отражающее критическое развитие событий на анализируемом объекте.

Считается, что нарушитель движется по кратчайшему пути к ближайшему объекту защиты, при этом силами реагирования нарушитель обнаружен, следовательно, силы

^(дг)>0.

(14)

/■(дг)^о.

(15)

реагирования также движутся х объектам защиты. Для оценки интегрального показателя необходимо определить, куда успеют добраться нарушитель и силы реагирования. Для этого применяется модифицированный волновой алгоритм. Программа заканчивает вычисления в тот момент, когда все клетки посещены. Таким образом, формируется область, которая показывает, куда могут успеть силы реагирования после обнаружения нарушителя до прихода туда нарушителя.

Полученная область анализируется. Если все объекты защиты входят в область, куда силы реагирования прибывают до нарушителя, то согласно данному интегральному показателю, выраженному в графическом построении, данная система является эффективной. Очевидно, что данное условие является лишь необходимым, а не достаточным условием. Если на данном этапе оказалось, что некоторые объекты защиты не входят в область, куда охрана прибывает быстрее нарушителя, требуется доработка системы безопасности.

На рис. 5. представлен пример интегральной оценки эффективности системы безопасности по временному параметру. Обозначены возможные стартовые клетки движения нарушителя, обозначена клетка, где начинает свое движение охрана В данном примере считается, что нарушитель обнаружен на периметре объекта. В тот момент, когда нарушитель пересекает периметр охраняемого объекта, силы реагирования также начинают свое движение. Точками выделяется область, куда нарушитель успевает раньше охраны. Область, куда охрана успевает раньше нарушителя, выделяется точками другого цвета. Объекты защиты обозначены квадратами в помещении (рис. 5).

ТТГЇЇ

J-iJ.il

и-

ТііЛП лтхгг

:Н:|

Рис. 5. Пример оценки интегральных показателей:

В четвертой главе также рассматривается применение алгоритма и рабочей программы для создания плана эвакуации объекта. В каждом помещении задаются стартовые клетки (точки возможного начала движения эвакуирующегося). Используя программное обеспечение, работающее по алгоритму, описанному выше, для каждой стартовой клетки вычисляется минимальная по временя траектория до ближайшего выхода из здания (рис. 6.).

Рис. 6. Пример расчета плана эвакуации;

Кроме того, в четвертой главе анализируются возможности интеграции разработанной программы с различными подсистемами в составе интегрированной системы безопасности. Рассматривается вопрос автоматизации процесса построения программной клеточно-графовой модели объекта по векторным планам с целью автоматизации процесса проектирования и оценки эффективности систем безопасности.

Заключение

1. Выполнен анализ существующих методов оценки эффективности систем безопасности, на основании чего были выбраны параметры оценки эффективности системы безопасности: обнаружительная способность и защищенность системы.

2. Создана методика оценки эффективности системы безопасности, получено два авторских свидетельства на программные реализации разработанной методики.

3. Впервые поставлена и решена задача поиска зоны низкой вероятности обнаружения нарушителя на модели охраняемого объекта.

4. Усовершенствованы модели охраняемого объекта, нарушителя, сил реагирования. Применена новая формализованная математическая модель системы физической защиты охраняемого объекта на основе клеточного поля с целыми значениями анализируемых параметров.

5. Решение задач стало возможным благодаря известным достижениям в системном анализе, динамическом программировании, вычислительной и дискретной математики, методам поиска путей теории графов, теории вероятностей, развитии вычислительной техники.

В рез5льтате проведенных исследований была построена математическая модель движения всех заданных персонажей, разработаны все необходимые инструменты для поиска минимальных по времени путей движения по объекту'. Создана методика оценки эффективности систем физической защиты, с помощью которой есть возможность анализировать и вычислять: обнаружительную способность комплексов систем,

способность системы безопасности предотвратить несанкционированные действия, находить оптимальные пути при эвакуации людей. Таким образом, разработанная методика объективной оценки эффективности систем безопасности на основе модели перемещения субъектов движения по охраняемому объекту позволит создавать надежные и эффективные системы безопасности, как на этапе проектирования, так и при модернизации комплекса.

Список публикаций

1. Leus A.V., Filimonov A.V. Efficiency Evaluation of Physical Protection System // International Conference on Business, Engineering and Industrial Applications (ICBE5A2011) Kuala Lumpur, June 2011.

2. Levin M.Sh., Leus A.V., Configuration of integrated security system, 7th IEEE Int. Conf. on Industrial Informatics INDIN 2009, Cardiff, UK, June 2009.

3. Гаврилов Д.Л., JleycA.B., Гаврилова T.C. Применение портативного

рамановского спектрометра "Око" в системах безопасности // T.Comm Телекоммуникации и транспорт, 2011, №1, - С.35-37. (ВАК)

4. Корчагин С.И., Jleyc А.В., Филимонов А.В. Реализация алгоритма расчета

минимального времени проникновения нарушителя // Автоматизация и современные технологии, 2011, №1, - С.28-30. (ВАК)

5. Корчагин С.И., Леус А.В., Филимонов Д.В., Шанаев Г.Ф., Порядок

проведения оптимизации структуры ИКСФЗ // БДИ (безопасность, достоверность, информация), 2010, №3(89), - С.20-23.

6. Корчагин С.И., Леус А.В., Филиппов Д.Л. Применение системы глобального

спутникового мониторинга для систем безопасности крупных, распределённых на большой территории объектов // Материалы VII НТК «Системы наблюдения,

мониторинга и дистанционного зондирования земли» - М..-МНТОРЭС, 2010. - С. 104-111.

7. Левин М.Ш., Леус А.В. Модульное проектирование интегрированных систем безопасности // Межд. семинар «Распределенные компьютерные и коммуникационные сети», том 2, Москва, 2007, - С. 16-22.

8. Леус А.В. Быстродействие интегрированных систем физической защиты // Системы безопасности, 2010 №3(93), - С.128-129.

9. Леус А.В. Возможности интеграции современных систем физической защиты // сборник трудов VI-й Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых -СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. - С. 149-152.

10. Леус А.В, Временные задержки в интегрированных системах физической защиты // ОПС 2009, - С.32-33.

11. Леус А.В. Использование трехмерных компьютерных моделей при оценке систем физической защиты // БДИ (безопасность, достоверность, информация). - 2010. 4(90).-С.22-25.

12. Леус А.В. Математическая модель оценки эффективности систем физической зашиты // T.Comm Телекоммуникации и транспорт, 2010, №6, - С.46-49. (ВАК)

13. Леус А.В. Новое слово в интегрированных системах II Системы безопасности, 2010, №3(93), - С. 122-123

14. Леус А.В. Оценка эффективности систем безопасности. Модель движения нарушителя по охраняемому объекту' / LAP LAMBERT Academic Publishing, 2011 - 117 с. ISBN 978-3-8433-1637-8

15. Леус A.B. Быстродействие интегрированных систем физической защиты //' труды 52-й наз^чной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук»: Часть 1. Радиотехника и кибернетика Т.2 - М.:МФТИ, 2009. - С. 154157.

16. ЛеусА.В. Интеграция систем безопасности // труды 51-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук»: Часть I. Радиотехника и кибернетика. - М.'.МФТИ, 2008. - С. 119-121.

17. ЛеусА.В., ЛевинМ.Ш. Иерархическое модульное проектирование систем физической защиты // труды 50-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук»: Часть I. Радиотехника и кибернетика. -М. .-МФТИ, 2007

18. ЛеусА.В., Филимонов А.В. Модель движения нарушителя по охраняемому объекту И труды 53-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук»: Часть I. Радиотехника и кибернетика. Т.2 -М.:МФТИ, 2010.-С. 110-113.

19. Леус А.В., Филимонов А.В. Анализ путей эвакуации «ИРПЭ» // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ Ха 2010610931.

20. Леус А. В., Филимонов А.В. Анализатор СФЗ «ТОДНИРО» Н Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ Ха 2010615982.

21. ЛеусА.В., Филимонов А.В. Система интеллектуального управления эвакуацией: расчет минимального пути II Пожарная безопасность 2011, - С.158-161.

22. Леус А.В., Шанаев Г.Ф. Оптимизация структуры интегрированной системы безопасности II Системы безопасности, 2011, Х°1(97), - С.112-1Ы.

23. Леус А.В., Шанаев Г.Ф. Организация взаимодействия средств обнаружения и системы теленаблюдения на периметре охраняемого объекта // Системы безопасности, 2010,Х»5(95),-С.156-158.

24. Шанаев Г.Ф., Леус А.В. Системы защиты периметра / Security Focus, 2011, С. - 280. ISBN: 978-5-9901176-4-8

Подписано в печать:

23.01.2012

Заказ № 6536 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 \vw\v. autoreferat.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский физико-технический институт (государственный университет)

На правах рукописи

61 12-5/2579 удк 007.52

ЛЕУС Андрей Владимирович

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ БЕЗОПАСНОСТИ С ПОМОЩЬЮ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ СУБЪЕКТОВ ДВИЖЕНИЯ ПО

ОХРАНЯЕМОМУ ОБЪЕКТУ

Специальность 05.13.01 -Системный анализ, управление и обработка информации

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: доктор технических наук, старший научный сотрудник B.C. Кострыкин

АСПИРАНТ:

Москва-2011

Оглавление

ОГЛАВЛЕНИЕ............................................................................................2

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................5

1 ГЛАВА - АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ БЕЗОПАСНОСТИ....................................17

1.1 Системы физической защиты...........................................................17

1.2 Краткое описание существующих методов................................19

1.3 Обзор алгоритмов поиска кратчайших путей..............................32

1.4 Постановка задачи поиска минимального по времени пути, применимого при анализе систем безопасности.............................................39

1.5 Выводы..................................................................................................41

2 ГЛАВА - НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО РЕШЕНИЮ ЗАДАЧИ ПОИСКА КРАТЧАЙШИХ ПУТЕЙ И ОБЛАСТЕЙ ОБНАРУЖЕНИЯ........................................................................43

2.1 Алгоритм расчета минимальной по времени траектории движения нарушителя.............................................................................................43

2.1.1 Допущения и начальные условия...................................................43

2.1.2 Расчет минимальной по времени траектории движения..............46

2.1.3 Диагональное перемещение нарушителя на поле.........................51

2.1.4 Условие завершения поиска............................................................53

2.1.5 Движение в трехмерном пространстве...........................................55

2.1.6 Поправки и уточнения расчетов......................................................59

2.2 Лемма о минимальной по времени траектории движения нарушителя................................................................................................................62

2.3 Приемы оптимизации описанного алгоритма............................65

2.3.1 Прием 1 «Инверсия»........................................................................65

2.3.2 Прием 2 «Двунаправленный счет».................................................66

2.4 Зона низкой вероятности обнаружения нарушителя.................68

2.4.1 Зона низкой вероятности обнаружения для одной стартовой клетки 69

2.4.2 Оценка точности метода..................................................................73

2.4.3 Пример расчета зоны низкой вероятности обнаружения.............75

2.4.4 Формирование стартовой области движения нарушителя...........77

2.5 Выводы..................................................................................................79

3 ГЛАВА - ПРОГРАММА ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ БЕЗОПАСНОСТИ...........................................................................81

3.1 Общие данные о программе..............................................................81

3.2 Описание работы программы...........................................................82

3.3 Управление вычислительной мощностью....................................87

3.4 Выводы..................................................................................................91

4 ГЛАВА-ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛИ ДВИЖЕНИЯ НАРУШИТЕЛЯ ПО ОХРАНЯЕМОМУ ОБЪЕКТУ В СИСТЕМАХ БЕЗОПАСНОСТИ...............................................................................................92

4.1 Оценка эффективности системы физической защиты..............92

4.1.1 Подготовительные работы...............................................................93

4.1.2 Вычисление целевой функции........................................................94

4.1.3 Оценка частного значения целевой функции................................98

4.1.4 Оценка интегральных показателей.................................................98

4.2 Управление потоками людей при эвакуации для повышения эффективности систем противопожарной защиты.......................................102

4.2.1 Алгоритм формирования кратчайшей траектории движения субъекта 102

4.2.2 Применение алгоритма для расчета плана эвакуации объекта.. 104

4.2.3 Преимущества применения автоматического расчета................105

4.2.4 Взаимодействие расчетной программы с различными системами безопасности 105

4.2.5 Пример автоподстройки плана эвакуации...................................109

4.3 Автоматизация процесса оценки эффективности систем безопасности...........................................................................................................111

4.4 Выводы................................................................................................113

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................114

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................118

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТИ МЕТОДА РАСЧЕТА ВЕРОЯТНОСТИ...........................................................................127

Введение

Актуальность темы

С развитием функциональных возможностей оборудования, используемого в различных системах физической защиты (СФЗ), все более важной становится оценка эффективности проектируемой системы. [61, 64]. Очень часто можно услышать о накопленном опыте и о наработках в данной области. Но в действительности получить с их помощью объективное представление об эффективности СФЗ нельзя. Как правило, ситуация осложняется еще и тем, что так называемые обоснования выбора и установки оборудования не всегда убедительны, и обусловлены сугубо финансовыми причинами, т.е. не обеспечивают требуемый уровень защиты. В то же время методы, которые можно реально применять при оценке эффективности систем физической защиты, по-прежнему далеко не так совершенны, как хотелось бы.

На сегодняшний день существует множество как отечественных [22, 44, 48, 51, 74, 77, 78, 88], так и зарубежных [3, 4, 6, 15] работ, полностью описывающих порядок проектирования и строительства систем обеспечения безопасности людей. Также существует большое количество литературы, в которой так или иначе дается методика определения эффективности данных систем [5, 12, 20, 24, 32, 34, 47, 95], но задача оценки эффективности системы с помощью объективного поиска наиболее опасной траектории движения нарушителя с целью защиты от неё не ставится.

В наиболее распространенных методиках решение задачи определения эффективности системы сводится к построению пути движения нарушителя, определению вероятности обнаружения и (или) нейтрализации нарушителя на данном пути, а также вычислению времени, в течение которого нарушитель будет двигаться к цели после обнаружения. В этом случае все препятствия, встречающиеся на пути нарушителя, описываются вершинами формируемого графа. Возможности перехода от одного препятствия к

другому - ребрами графа. Основная сложность, возникающая при построении подобной модели, заключается в определении всех возможных путей движения нарушителя по объекту для построения наиболее точного графа, описывающего объект. Несомненно, слабым местом данного подхода является неточность экспертно заданной траектории движения нарушителя. Эксперт лишь допускает, что нарушитель не выберет другого пути, что не обосновано.

Нельзя предсказать поведение нарушителя, но можно вычислить оптимальную для него траекторию движения, определив тем самым уязвимые части системы физической защиты. Применение же описанного выше графа при нахождении данной траектории не гарантирует, что она будет выявлена.

Существует множество компьютерных приложений, которые помогают оценивать эффективность систем физической защиты. Сейчас можно использовать целый спектр данных приложений от упрощенных расчетных программ типа ЕА81 [7, 31] до сложных трехмерных моделей [24], а также моделей игрового типа [85], где роли нарушителей и сил противодействия играют реальные люди, работающие с данной программой. Также существуют компьютерные программы, использующиеся для расчета путей эвакуации в случае чрезвычайной ситуации. Но, как и при классическом построении графов во всех существующих компьютерных моделях оцениваются ситуации или маршруты, которые были выбраны заранее на основании некоторых эмпирических оценок, а иногда и исходя из так называемого опыта.

В большинстве случаев при проектировании систем безопасности оценка эффективности вообще не проводится, а выбор систем и комплектующих производят на основании ранее производившихся инсталляций, что опять же не гарантирует эффективности системы.

Следовательно, необходимо создать альтернативную математическую модель объекта, защищаемого системой безопасности, и на основании этой

модели разработать методику объективной оценки системы безопасности, а также необходимый для этого инструментарий.

Задачи исследования

Для решения основной задачи диссертационного исследования необходимо решить следующие частные задачи:

1) создать математическую модель движения рассматриваемых персонажей по объекту, оборудованному системой безопасности;

2) решить задачу поиска минимальных по времени путей движения по объекту для следующих персонажей: нарушитель, силы реагирования, поток эвакуирующихся людей;

3) разработать методику оценки эффективности системы безопасности с точки зрения вероятности обнаружения нарушителя;

4) на основании созданной математической модели и методики оценки вероятностных характеристик обнаружительной способности системы безопасности разработать методику интегральной оценки системы безопасности.

Объект исследования

Объектом исследования является интегрированный комплекс систем безопасности, предназначенный для защиты крупных и распределенных объектов.

Предмет исследования

Предметом исследования являются процессы анализа и оптимального синтеза комплексов систем безопасности со сложной топологией.

Цель диссертационного исследования

Целью диссертационного исследования является разработка методики объективной оценки эффективности систем безопасности.

Методы исследования

При выполнении теоретических исследований и реализации поставленной цели использовались методы системного анализа и декомпозиции, динамического и параллельного программирования, вычислительной и дискретной математики, методы поиска путей теории графов, теория вероятностей.

Информационная база

Информационная база выполненной работы включает в себя 97 источников по теме диссертации на русском и английском языках:

о нормативно-техническая документация;

о монографии;

о диссертации на соискание ученых степеней;

о учебники и учебные пособия;

о периодические издания;

о доклады и выступления на отечественных и международных форумах, конференциях и семинарах.

Научная новизна результатов работы

1. Предложена топологическая формализованная математическая модель системы физической защиты охраняемого объекта на основе клеточного поля с целыми значениями анализируемых параметров. Данная модель, в отличие от уже известных, позволяет описать СФЗ объектов со сложной топологией на заданном уровне декомпозиции, а также получить интегральную оценку эффективности СФЗ при наличии множества объектов защиты или распределенного объекта защиты.

2. Применяя методы динамического программирования и стандартные алгоритмы поиска пути в ширину, был разработан алгоритм поиска зоны низкой вероятности обнаружения нарушителя. Для описания плотности вероятности обнаружения нарушителя в заданной точке разработанной топологической модели было впервые введено и успешно

применено понятие нормированной дискретной логарифмической вероятности.

3. Для определения наиболее опасного пути был разработан адаптированный к системам безопасности алгоритм поиска пути в ширину с не влияющими на оптимальность найденного пути элементами эвристики, способный находить наиболее быстрый путь движения нарушителя с необходимой точностью и за приемлемое время. Сложность предложенного алгоритма имеет линейную зависимость от количества дискретов на поле модели.

4. Предложена методика оценки эффективности СФЗ крупных и распределенных объектов со сложной топологией. Эта методика, в отличие от уже существующих, позволяет оценивать эффективность системы физической защиты с учетом взаимного влияния ее подсистем и топологии охраняемого объекта, что дает возможность значительно снизить влияние субъективного фактора на результаты оценки.

Научно-практическая значимость результатов работы

1. На основе разработанных методов создано методическое, алгоритмическое и программное обеспечение для решения задач:

о оценки эффективности систем физической защиты,

о прогноза развития тревожной ситуации в случае обнаружения на объекте нарушителя,

о обеспечения эвакуации персонала охраняемого объекта в случае возникновения на охраняемом объекте чрезвычайной ситуации.

Созданное методическое, алгоритмическое и программное обеспечение предназначено для обеспечения безопасного функционирования крупных и распределенных охраняемых объектов.

2. Программная реализация разработанного алгоритма «Анализатор СФЗ ТОДНИРО», позволяет автоматизировать процесс оценки эффективности СФЗ на этапе разработки проекта и при оценке

эффективности существующей СФЗ охраняемого объекта, существенно снизить время проектирования и влияние субъективных факторов.

3. Программная реализация алгоритма расчета путей эвакуации «ИРПЭ», позволяет автоматизировать процесс управления потоками людей при эвакуации персонала охраняемого объекта в чрезвычайных ситуациях, существенно снизить время проектирования систем обеспечения эвакуации и исключить при этом влияние субъективных факторов.

4. Применение результатов диссертационных исследований позволит значительно сократить трудозатраты на оценку эффективности СФЗ и повысить достоверность результатов, получаемых при обследованиях систем защиты.

Практические результаты работы:

1. Разработаны рабочие программы «Анализатор СФЗ ТОДНИРО» и «ИРПЭ», позволяющие просчитывать наиболее опасные траектории движения нарушителя, строить оптимальные пути движения охраны, управлять потоками людей при эвакуации.

Данные программы могут использоваться в исследовательских, проектных и эксплуатирующих организациях при создании новых систем физической защиты, а также для оценки эффективности уже существующих систем.

2. Создана методика, позволяющая объективно оценить эффективность системы физической защиты охраняемого объекта.

Практическая реализация результатов работы

Основные положения работы реализованы в:

о крупных проектах оснащения объектов интегрированными комплексами систем безопасности, разработанных в ЗАО «Компания Безопасность», ООО «АльянсЭксперт»;

о материалах лекций по дисциплинам «Системы защиты периметров» и «Проектирование СФЗ», читаемых на кафедре «Системы безопасности»

Московского физико-технического института (государственного университета).

Основные положения, выносимые на защиту

о Научно-методические положения по решению задачи поиска кратчайших путей и областей обнаружения и пресечения действий нарушителя на модели охраняемого объекта, включающей в себя математические модели субъектов движения: нарушитель, охранник, эвакуирующийся человек.

о Методика оценки системы безопасности крупных и распределенных объектов путем оценки обнаружителъной способности системы безопасности и защищенности охраняемого объекта.

о Комплекс алгоритмов моделирования развития событий на охраняемом объекте.

Апробация работы

о Международный семинар «Распределенные компьютерные и коммуникационные сети». - М.: ИППИ, 2007. (Москва, октябрь 2007 г.)

о 50-я научная конференция МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Секция проблем управления. - М.: МФТИ, 2007. (г. Москва, ноябрь 2007 г.)

о 51-я научная конференция МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Секция систем безопасности. - М.: МФТИ, 2008. (г. Москва, ноябрь 2008 г.)

о Конференция молодых ученых. Информационные технологии, секция «Безопасность и противодействие терроризму, защита информации». - СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. (г. Санкт-Петербург, апрель 2009 г.)

о IEEE Int. Conf. on Industrial Informatics INDIN 2009, (Cardiff, UK, June 2009)

о 52-я научная конференция МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Секция систем безопасности. - М.: МФТИ, 2009. (г. Москва, ноябрь 2009 г.)

о VII научно-техническая конференция «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования земли» - М.:МНТОРЭС, 2010. (г. Адлер 2010 г.)

о 53-я научная конференция МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Секция систем безопасности. - М.: МФТИ, 2010. (г. Москва, ноябрь 2010 г.)

о International Conference on Business, Engineering and Industrial Applications (ICBEIA2011) (Kuala Lumpur, June 2011)

Публикации

Основные результаты опубликованы в 16 журнальных статьях, сборниках трудов конференций, отчетах о проведенной научно-исследовательской работе:

1. Jleyc A.B. Оценка эффективности систем безопасности. Модель движения нарушителя по охраняемому объекту / LAP LAMBERT Academic Publishing, 2011 - 117 с. ISBN 978-3-8433-1637-8

2. Leus A.V., Filimonov A.V. Efficiency Evaluation of Physical Protection System // International Conference on Business, Engineering and Industrial Applications (ICBEIA2011) Kuala Lumpur, 2011.

3. Jleyc A.B., ШанаевГ.Ф. Оптимизация структуры интегрированной системы безопаснос