автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.10, диссертация на тему:Разработка и применение моделей поддержки управленческих решений при тушении пожаров на основе прецедентного подхода

На правах рукописи

АБРАМОВ АНТОН ПАВЛОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛЕЙ ПОДДЕРЖКИ УПРАВЛЕНЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПРИ ТУШЕНИИ ПОЖАРОВ НА ОСНОВЕ ПРЕЦЕДЕНТНОГО ПОДХОДА

Специальность 05.13.10 - Управление в социальных и экономических системах

(технические науки)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004

Работа выполнена в Академии Государственной противопожарной службы (Академии ШС) МЧС России.

доктор технических наук, профессор Мешалкин ЕА.

доктор технических наук, профессор Минаев В .А.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Яковлев О В.

Федеральное государственное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций (ВНИИ ГОЧС) МЧС России.

Защита состоится " 2, " 2005 года в 15 часов 30 минут на

заседании диссертационного совета Д205.002.01 в Академии Государственной противопожарной службы (Академии ГПС) МЧС России по адресу: 129366, г. Москва, ул. Бориса Галушкина 4, зал Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии ГПС МЧС России.

Автореферат разослан " 2004 года, исх. №

Отзыв на автореферат с заверенной подписью и печатью просим направлять в Академию ГПС МЧС России по указанному адресу.

Телефон для справок: (095)283-19-05.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физ.-мат. наук, доцент

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

СЮ. Бутузов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы исследования. Важную роль в снижении тяжести последствий от пожаров играет правильность и обоснованность управленческих решений, принимаемых должностными лицами органов управления боевыми действиями пожарно-спасательных формирований (руководителем тушения пожара (РТП), штабом пожаротушения и др.). Кроме того, отсутствие во многих случаях на практике информации, необходимой для объективной оценки ситуаций, складывающихся на месте тушения пожара, приводит к вынужденному, технически и экономически неоправданному резервированию сил и средств, необходимых для его ликвидации. Таким образом, с одной стороны, усложняются вопросы информационного обеспечения должностных лиц органов управления боевыми действиями при тушении пожаров, а с другой — существенно повышается значение и ценность своевременной и достоверной информации, которую с полным основанием можно рассматривать как один из видов ресурсов, обеспечивающих эффективность управление ликвидацией пожаров и других стихийных бедствий.

Актуальность проведенных нами исследований обуславливается также и тем, что крупные и сложные пожары, как правило, редки и уникальны. Следовательно, в этих случаях основными факторами, способствующими успеху работы лиц, принимающих решение (ЛПР), становятся (помимо профессиональной компетенции ЛПР) умение получить необходимую информацию и сделать правильные выводы при ее недостатке или противоречивости. Поэтому в сложных ситуациях необходимо максимально использовать опыт высококвалифицированных специалистов по тушению сложных пожаров, применяя компьютерные технологии. Такой опыт, накопленный в автоматизированной системе, может быть успешно применен при решении задач тактической подготовки руководителей пожарно-спасательных подразделений, предварительной разработки тактических планов пожаротушения на объектах с повышенным номером вызова

Следует отметить, что в научной и специальной литературе вопросам автоматизации информационной поддержки управленческих решений РТП с 90-х

годов уделяется большое внимание. Здесь можно выделить целый ряд работ (Брушлинского Н.Н., Мешалкина ЕА, ПрановаБ.М., Присадкова В.И., То-польского Н.Г., Денисова А.Н., Евграфова П.М., Панина Е.Н. и др.), посвященных исследованию различных аспектов этой проблемы: моделирование сосредоточения и введения сил и средств для планирования боевых действий пожарных подразделений и аварийно-спасательных служб, имитация развития пожара; автоматизация расчета сил и средств, требуемых для тушения пожаров; расчет насосно-рукавных систем; автоматизация составления планов пожаротушения и ликвидации аварий на объектах повышенной опасности; организация деловых игр для обучения тактическим приемам пожаротушения с использованием ПЭВМ и др.

В отличие от упомянутых работ, данная диссертационная работа посвящена вопросам автоматизации информационной поддержки планирования боевых действий, с использованием аккумулированного в базе знаний информационной системы опыта специалистов по тушению пожаров.

Проблематика диссертационной работы соответствует «Перечню критических технологий Российской Федерации» утвержденному Президентом Российской Федерации 30.03.2002 г. Пр-578, в части направления «Искусственный интеллект», и постановлению Правительства РФ от 28.05.96 "О приоритетных направлениях развития науки и техники и критических технологиях", в части приоритетного направления "Информационные технологии и электроника".

Объектом исследования в работе является процесс управления силами и средствами гарнизона при решении оперативно-тактических задач, связанных с тушением пожаров.

Предмет исследования - методы и алгоритмы интеллектуальной поддержки принятия управленческих решений органами оперативного управления при тушении пожаров, обеспечивающие автоматизацию накопления и повторного использования экспертных решений проблемных ситуаций (боевого опыта).

Цель диссертационной работы состоит в повышении эффективности управленческих решений, принимаемых должностными лицами ор-

ганов управления при тушении пожаров на основе разработки и применения комплекса моделей и алгоритмов, обеспечивающих автоматизацию процесса аккумулирования боевого опыта специалистов и повторного его использования при предварительном планировании боевых действий, экспертизе управленческих решений, а также проведении деловых игр с руководителями пожарно-спасательных подразделений.

Для реализации поставленной цели в диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:

• проанализирован процесс оперативного управления силами ГПС при тушении пожаров;

• построена концептуальную модель предметной области «Система оперативного управления силами и средствами гарнизона пожарной охраны при тушении пожаров», формально описывающая знания, отражающие сущность исследуемой предметной области;

• разработан механизм аккумулирования в базе знаний опыта управления боевыми действиями при тушении пожаров и его использования для формирования тактических планов боевых действий пожарно-спасательных подразделений.

• разработана функциональная структура системы, обеспечивающая автоматизацию процесса подготовки управленческих решений с использованием аккумулированного в системе опыта по тушению пожаров.

• разработана методика проектирования информационной системы поддержки решений для органов управления при тушении пожаров.

Методы исследования. В работе использованы математический аппарат теории множеств, математической логики, формальной семантики языков, методы представления знаний и баз данных, а также современные методологии построения программных комплексов и систем.

Научная новизна исследования обуславливается следующими результатами, полученными впервые лично соискателем:

• построена логико-математическая модель предметной области «Система оперативного управления силами и средствами при тушении пожаров»;

• разработан алгоритм формирования тактических планов боевых действий, обеспечивающий возможность повторного использования аккумулированного в базе знаний боевого опыта по тушению пожаров;

• разработана фреймово-продукнионная модель представления знаний исследуемой предметной области,

• на основе предложенного алгоритмического обеспечения разработана модель процесса приобретения знаний экспертов предметной области.

• разработана методика проектирования информационной системы поддержки принятия решений должностными лицами органов управления при тушении пожаров

Практическая значимость работы заключается в использовании ее результатов при разработке программного и информационного обеспечения автоматизированной системы поддержки принятия решений должностными лицами органов управления при тушении пожаров.

Результаты работы также обеспечивают возможность решения задачи автоматизации процессов предварительного планирования боевых действий, проведения экспертизы управленческих решений, а также деловых игр при подготовке и повышении квалификации должностных лиц органов управления (РТП, ДСПТ, РАСР).

Апробация работы. Результаты, полученные в работе, изложены в ряде печатных публикаций, докладывались на научных конференциях и семинарах, в частности:

• на XVI научно-практической конференции «Крупные пожары: предупреждение и тушение» (ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2001 г.);

• на XXVII Международной научно-практической конференции «Пожары и окружающая среда» (ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2002 г.);

• на Международных симпозиумах «Комплексная безопасность России -исследования, управление, опыт» (г. Москва, 2002 г.; г. Москва, 2004 г);

• на 11-й Международной научно-технической конференции "Системы безопасности" - СБ - 2002 Международного форума информатизации (г. Моск-

ва,2002г.);

• на XVIII научно-практической конференции «Снижение риска гибели людей при пожарах» (г. Москва, 2003 г.).

Практическая реализация результатов исследования. Результатыдис-сертационной работы нашли практическое применение в ФГУ ВНИИПО МЧС России при выполнении по планам НИОКР МЧС России в 2002-2003 г. научно-исследовательской работы «Разработать автоматизированную систему информационной поддержки принятия решений при тушении пожаров (АСИППР)» (шифр П.1.5.Д.01.02), результат которой используется в оперативно-служебной деятельности Центра управления кризисными ситуациями (151 ЦУКС) МЧС России и подразделений Федерального государственного предприятия «Ведомственная охрана МПС России» (ФГП ВО МПС России); принят в фонд алгоритмов, программ, баз и банков данных по направлению деятельности Государственной противопожарной службы (ФАП ГПС) МЧС России и рекомендован к использованию в гарнизонах пожарной охраны. Также материалы диссертационной работы внедрены в учебный процесс Академии ГПС МЧС России.

Внедрение результатов работы подтверждено актами.

На защиту выносятся следующие результаты работы:

1. Концептуальная логико-математическая модель (онтология) предметной области «Система оперативного управления силами и средствами гарнизона пожарной охраны при тушении пожаров», состоящая из двух частей:

V онтология процесса управления боевыми действиями при тушении пожаров;

У онтология причинно-следственных отношений, влияющих на выбор управленческих решений при тушении пожаров.

2. Алгоритм автоматизированного формирования проектов управленческих решений при тушении пожаров, обеспечивающий использование аккумулированного в базе знаний опыта управления боевыми действиями пожарно-спасательными подразделениями при тушении пожаров.

3. Модели процесса ввода в информационную систему и формального представления знаний экспертов предметной области.

4. Методика проектирования автоматизированной системы поддержки принятия решений для руководителя тушением пожара.

Публикации. По материалам диссертации автором лично и в соавторстве опубликовано 14 работ

Структура и объем работы. Диссертация работа состоит из введения, 4-х глав, заключения (общих выводов), списка литературы и 5-и приложений. Общий объем работы - 251 страница, в том числе основной текст - 145 страниц, 20 рисунков, 6 таблиц, список литературы из 194 наименований, и 81 стр. приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, указываются цель и задачи исследования, раскрываются научная новизна работы, ее практическая значимость и степень апробации. Приводится краткое изложение содержания и основных результатов диссертационной работы, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе - "Проблемы информационной поддержки органов управления силами и средствами на пожаре " исследуются информационные аспекты процесса принятия управленческих решений РТП, рассматриваются основные подходы обеспечения и направления интеллектуальной поддержки управленческих решений при тушении пожаров, формулируются основные проблемы, которые необходимо решить для достижения цели диссертационного исследования.

На основе анализа содержания и специфики процесса принятия управленческих решений РТП, рассмотрения факторов, влияющих на неопределенности при разработке управленческих решений должностными лицами органов управления силами и средствами на пожаре, дается классификация ошибок в управленческой деятельности РТП, обосновывается необходимость многоуровневой информационной поддержки управленческих решений при тушении

пожаров.

В диссертации отмечается, что в условиях возможной неполноты информации, дефицита времени и необходимых ресурсов решающее значение, наряду с квалификацией РТП, приобретает их практический опыт участия в ликвидации пожаров, умение выбрать наиболее эффективный в сложившейся ситуации путь решения задачи. РТП обычно принимает решение, основанное на личном опыте, т.е. РТП выбирает те действия, последствия которых для него наиболее предсказуемы в данной ситуации. Поэтому квалификация РТП, его опыт состоят отчасти именно в знании множества возможных сценариев и в умении их оперативно использовать. Следовательно, автоматизация накопления и использования опыта лучших специалистов в области управления боевыми действиями при тушении пожаров является одним из путей повышения эффективности работы должностных лиц органов управления в сложных ситуациях и позволяет предлагать им на каждом этапе соответствующие складывающейся ситуации методы и средства

В работе теоретически обосновывается, что наиболее соответствующим целям исследования является использование подхода, основанного на повторном использовании знаний об аналогичных случаях (CBR - Case-Based Reasoning), что позволяет реализовать идею автоматизации накопления и использования опыта лучших специалистов в области управления боевыми действиями при тушении пожаров.

В большинстве плохо формализуемых предметных областях, характеризуемых открытостью и динамичностью, охватывающих большой срез знаний о действительности, практически невозможно их формальное описание во всей полноте Традиционные системы, обеспечивающие поддержку принятия решений на основе разработанной модели, использующей только правила вывода, ориентированы на стандартные ситуации, поскольку отразить в модели все возможные варианты развития событий, а также предусмотреть правила, обеспечивающие поиск неординарных решений, на практике представляет большую трудность. CBR - системы, наоборот, ориентированы на аккумуляцию в своей

базе отличных друг от друга ситуаций, в т.ч. нестандартных и соответствующих решений. Поэтому такой подход представляет больший интерес для рассматриваемой в диссертационной работе предметной области «Система оперативного управления силами и средствами гарнизона пожарной охраны при тушении пожаров», где высока степень «исключений из правил».

На основе анализа существующих подходов к концептуальному моделированию предметных областей был выбран онтологический подход.

Онтология - формальная спецификация описания той части предметной области, относительно которой предполагается ее неизменность, и с определениями которой согласны эксперты предметной области. Онтологическая модель включает, кроме перечня понятий, также всю информацию, касающуюся понятий - свойства, отношения, ограничения, аксиомы и утверждения о понятиях, необходимые для описания и решения задач в исследуемой предметной области.

Во второй главе - «Логико-математическая модель системы оперативного управления силами и средствами при тушении пожаров»" рассматриваются основные положения построенной автором логико-математической модели (онтологии): описываются принципы построения и структура концептуальной модели исследуемой предметной области (ПрО), приведены формальные описания базовых понятий ПрО и их взаимосвязь.

Отмечается, что для принятия обоснованных управленческих решений РТП, помимо знания основных принципов управления боевыми действиями при тушении пожара, должен представлять возможные сценарии развития оперативной обстановки, которые характеризуются причинно-следственными связями, имеющими место в исследуемой предметной области. Поэтому онтологическая модель исследуемой предметной области строится из двух частей, а именно: «Онтология процесса управления боевыми действиями при тушении пожаров» и «Онтология причинно-следственных связей, имеющих место в процессе развития оперативной обстановки».

В первой части построенной онтологии моделируется процесс принятия

управленческих решений в тех ситуациях, которые однозначно определяют выбор РШ тех или иных целей и их приоритет. В центре 2-й части онтологии исследуемой предметной области находятся представления о причинно-следственных связях и процессах, протекающих в условиях оперативной обстановки на пожаре, которые определяют принятие должностными лицами тех или иных управленческих решений.

Поскольку онтология предметной области представляет собой спецификацию некоей неизменной части знаний о предметной области, истинную, независимо от конкретной ситуации, в которой они могут использоваться и являющуюся результатом консенсуса экспертов предметной области, поэтому в качестве содержательной основы разработанной онтологической модели использовались указания и рекомендации Боевого Устава пожарной охраны, представленные в виде онтологических соглашений.

При построении онтологической модели использовался формальный математический аппарат необогащенных систем логических соотношений.

В первой части онтологии рассматриваются основные термины процессов управления боевыми действиями при тушении пожаров: процессы, боевые действия, цели, сипы и средства, объекты пожаротушения, очаги пожара, опасные факторы пожара и др. Всем этим и другим терминам даются формализованные определения с учетом их отношений с другими определениями

Формулируются онтологические соглашения об ограничениях на смысл терминов, в которых описывается исследуемая предметная область. Онтологические соглашения представляют собой множество ограничений на интерпретацию множества возможных ситуаций, допустимых с точки зрения Боевого Устава.

В логической модели причинно-следственных отношений, влияющих на выбор управленческих решений при тушении пожаров, объектом онтологического моделирования являются причинно-следственные связи, связанные с развитием пожара на различных объектах, т е. те концептуальные представления о

причинно-следственных связях, которые существенны при решении тактических задач и нахождению выхода из проблемных ситуаций.

Построение онтологической модели причинно-следственных отношений, влияющих на выбор управленческих решений при тушении пожаров, предполагает рассмотрение пары: "решающая система (внутренние процессы)-оперативная обстановка (внешние наблюдения)". Внешние наблюдения напожаре описываются: признаками (атрибутами объектов предметной области), событиями, процессами, обобщениями. Решающая система описывается действиями участников тушения пожара

Причинно-следственные связи в онтологической модели процесса тушения пожара показаны в табл. 1. Каждая причинно-следственная связь (ПСС) имеет причину, следствие и развивается во времени в соответствии с одним из возможных вариантов закономерности своего развития, определяемым значениями воздействующих факторов и, возможно, причины.

При построении онтологии используются следующие типы причинно-следственных связей, представленные в табл. 1.

Для построения математической модели причинно-следственных отношений, влияющих на выбор управленческих решений при тушении пожаров, введен ряд базовых понятий: Признаки, События, Процессы, Обобщения, Действия ПСФ. Эти понятия связываются с определенными объектами предметной области (например, объект пожаротушения, отдельные помещения или объекты на территории объекта тушения, очаг пожара, внешняя среда, водоснабжение и пр.).

Построенная модель позволяет на основе знаний о введенных типах причинно-следственных связей, а также о конкретных вариантах причинно-следственных связей, имевших место в действительности (прецедентах), находить множество вариантов, определяющих значения параметров, характеризующих оперативную обстановку в определенном интервале времени (с определенной условной вероятностью), а также условную вероятность возникновения того или иного события или процесса.

Причинно - следственные связи Обозначение Условное название Описание Примеры вариантов ПСС

атрибут —> значение N8 Норма заключение — условная вероятность нахождения признака в определенном интервале значений Нормальная температура в помещении (20°С, 30°С)

событие —> процесс ЕР Следствие процесса заключение — условная вероятность наступления процесса в определенный момент времени; определяется модальность Воспламенение АХОВ —»задымление помещений токсичными продуктами сгорания

событие 1 —>событие2 ЕЕ Связь событий заключение - условная вероятность наступления 2-го события в определенный момент времени; определяется модальность Взрыв газа обрушение конструкций

событие атрибут Е8 Реакция на событие заключение — условная вероятность нахождения признака в определенный момент времени. Воспламенение горючих материалов увеличение площади пожара

атрибуты событие 8Е Реакция на изменение атрибутов заключение — условная вероятность наступления события в определенный момент времени; определяется модальность.. Образование взрывоопасной концентрации веществ взрыв

процесс 1 процесс 2 РР Осложнение Описание периодов дияамики, Заключение - условная вероятность наступления 2-го процесса в определенный момент времени. Модальность. Горение в помещении 1 —► Горение в помещении2

процесс событие РЕ Следствие процесса Описание периодов динамики. Заключение - условная вероятность наступления события в определенный момент времени. Модальность. Горение в помещении —► проникновение огня в верхний этаж

процесс атрибуты Р8 Проявление процесса Периоды развития. Заключение - условная вероятность нахождения признака'в определенном интервале; Растекание удобрений, ядохимикатов повышение температуры

обобщения действия ПСФ ЛБ Вариант действий определяется модальность. Возникла угроза обрушения конструкций передислокация боевых участков

действия ПСФ —> атрибуты Б8 Воздействие ПСФ1 Заключение — условная вероятность нахождения признака в определенном интервале; Подача огнетушащих веществ изменение параметров пожара (площади, скорости распространения, т.п.)

действия ПСФ событие БЕ Воздействие ПСФ2 Заключение - условная вероятность наступления события в определенный момент времени. Модальность. Подача воды взрыв

процесс, атрибуты, действия ПСФ обобщения Лв Вывод обобщений ' Причина — совокупность условий. Горение ядохимикатов невозможность тушения без индивидуальных средств защиты

Третья глава - "Постановка и решение задачи генерации проектов планов боевых действий при тушении пожаров с использованием прецедентов" посвящена вопросам разработки алгоритма автоматизированного формирования тактических планов. Связь между построенными онтологическими моделями и алгоритмом генерации тактических планов боевых показана на рис. 2:

Рис. 2. Связь между онтологическими моделями и алгоритмом генерации тактических планов боевых действий

Поскольку оперативная обстановка на месте пожара может меняться непрерывно, необходимо постоянно обновлять исходные данные, необходимые планировщику системы поддержки принятия решений (см. рис.2). В реальных условиях обновление исходных данных должно занимать минимальное время. Следовательно, необходим инструмент, позволяющий автоматически (или с участием ЛПР) выполнять функцию прогнозирования состояния оперативной обстановки с учетом действий участников ликвидации ЧС (тушения пожара). В качестве такого инструмента предлагается использовать построенную онтологическую модель причинно-следственных связей, позволяющую представлять прецеденты в виде вариантов причинно-следственных связей. Таким образом, алгоритм формирования проектов планов боевых действий, в каждый момент времени использует информацию, получаемую в результате выбора

12

различных вариантов, тем самым, предлагая вероятные сценарии развития оперативной обстановки.

Управленческое решение РТП представляет собой тактический план боевых действий по тушению пожара или нахождению выхода из конкретной проблемной ситуации.

Исходными данными для постановки задачи планирования, решаемой алгоритмом генерации проектов планов боевых действий, являются:

S характеристика оперативной обстановки (значения атрибутов объектов предметной области, обобщений, процессы, события и действия пожарно-спасательных подразделений) на текущий момент времени; множество целей, которые могут быть поставлены перед пожарно-спасательными подразделениями в текущей ситуации; ограничения, определяющие порядок приоритета достижения целей.

Предлагаемый в работе алгоритм иерархического сетевого формирования проектов планов боевых действий (ИСП БД) при тушении пожаров с использованием аккумулированных в базе знаний прецедентов основывается на идеях HTN - планирования (иерархического сетевого планирования) (Erol К., Handler J, Nau D.S).

План боевых действий формируется иерархическим способом посредством последовательного нисходящего разбиения общей задачи (цели верхнего уровня) на подзадачи. Когда блоку планирования сообщается описание решаемой задачи, он ищет прецедент, который большего всего подходит к текущей ситуации и задаче. Найденный прецедент содержит схему полного плана решения поставленной задачи. Затем каждый шаг плана редуцируется посредством замены его более специфическими операциями (подзадачами). Этот процесс продолжается до тех пор, пока план боевых действий не оказывается состоящим из простых, не-расширяемых операций. На каждом шаге расширения плана осуществляется поиск наиболее релевантного прецедента, соответствующего цели редукции.

Основные отличия предложенного автором алгоритма ИСП БД от

классического НТК-алгоритма заключаются в следующем:

1. Реализован механизм генерации тактических планов боевых действий при тушении пожаров, который предусматривается возможность одновременного (параллельного) выполнения нескольких боевых задач.

2. С учетом специфики исследуемой предметной области изменен механизм автоматического формирования плана. Так, в НТК алгоритме выполняется последовательный перебор всех элементарных (недекомпозируемых) задач и автоматически определяется (с учетом введенных ограничений) порядок их реализации, и при этом предполагается, что все возможные операции (элементарные задачи) и методы получения составных задач уже имеются в базе данных, а сгенерированный план всегда должен представлять собой упорядоченную совокупность только примитивных задач. В предлагаемом автором алгоритме ИСП БД отмеченные выше требования и ограничения к НТК -алгоритму исключены, т.е. ,база знаний, используемая при генерации тактических планов, может быть не полной и план может состоять как из элементарных, так и составных задач.

3. Поиск метода решения боевой задачи производится не последовательным перебором имеющихся в базе данных методов, а используется критерий близости с прецедентом (применен обучающийся алгоритм ЛЛ8М).

С учетом отмеченных выше отличий в алгоритме ИСП БД был дополнен синтаксис языка и адаптирована е го семантика, лежащие в основе алгоритма НТК - планирования.

Для анализа логики функционирования алгоритма формирования планов боевых действий разработан формальный аппарат решения задачи планирования боевых действий, основанный на использовании специального языка иерархического сетевого планирования, синтаксис и семантика которого изложены в работе; описываются алгоритм поиска аналогичных прецедентов с использованием анизотропной и асимметричной метрики (критерия близости) и приводится структурная схема алгоритма автоматизированного формирования

проектов тактических планов боевых действий на основе прецедентов, имеющихся в базе знаний.

Даются формальные описания таким понятиям, как состояние оперативной обстановки в момент времени t, тактический план боевых действий, оператор, метод и ряд других. Определяются синтаксические конструкции такие, как: элементарная тактическая операция - do\fi^xl,...,xt)\, где /е F и

.....JtjefjiX) -термы;

целевая тактическая задача -achieve[/J, где / -литерал; обеспечивающая задача -provide]}, {begin, end}]; составная задача - -термы;

сеть задач -

- задача, - маркировка для - булевая формула, составленная из

ограничений (ресурсных, временных и др.)

Алгоритм автоматизированного формирования проектов тактических планов боевых действий, с учетом аккумулированного в базе знаний опыта управления подразделениями при тушении конкретных пожаров и ликвидации ЧС, основывается на методологии CBR (Case-Based Reasoning) и имеет вид, представленный на рис.3.

В четвертой главе - "Особенности разработки АСППР при тушении пожаров с использованием предложенных алгоритмов и моделей" приведены принципы построения и архитектура программного комплекса «автоматизированная система поддержки принятия решений при тушении пожаров (АСППР)». Описана структура и основные принципы функционирования блока формирования тактических планов боевых действий при тушении пожаров.

Ввести задачу планирования Р

Выбрать неэлементарную задачу 1в Р

Заменить / редукцией

Разрешить конфликты в Р

Возвратить результат

Рис. 3. Алгоритм планирования боевых действий.

Схема, описывающая отдельные этапы алгоритма

При построении подсистемы генерации управленческих решений используется модель формирования проектов управленческих решений по прецедентам. Прецедент - это заранее сохраненная в базе знаний АСППР структура данных, представляющая:

план действий по решению какой-либо боевой задачи или совокупности задач;

^ вариант причинно-следственной связи (ПСС) с закономерностью ее развития, описывающую причинную зависимость между событиями, процессами и атрибутами, характеризующими оперативную обстановку на пожаре.

В процессе вывода решения блок фиксации оперативной обстановки и определения проблемной ситуации автоматически, используя накопленные в базе знаний прецеденты - ПСС, корректирует данные о текущем состоянии оперативной обстановки, а также предупреждает о возможных последствиях того или иного процесса, события и т.п.

Разработана фреймово-продукционная модель представления знаний предметной области. Предметная область в предлагаемой модели подвергается таксономической декомпозиции на множество представляемых фреймами концептов при помощи отношения наследования (структурные статические знания). Рабочая память блока фиксации оперативной обстановки моделируется статическими знаниями, отражающими состояние системы в определенный момент времени.

Динамические знания (представленные в виде процедур- продукций), отражают переходы между состояниями системы. Переходы осуществляются в соответствии со знаниями о причинно — следственных связях между различными процессами и событиями, происходящими во время тушения пожаров, а также о зависимостях между состоянием оперативной обстановки и принятыми управленческими решениями.

В работе также предложен (и проиллюстрирован на примере) подход,

основанный на универсальной модели приобретения знаний (Грук А.В., Клещёв А.С.), к решению задачи организации процесса ввода в ЭВМ знаний экспертов в предметной области "система оперативного управления боевыми действиями при тушении пожаров". Результаты, полученные в данном разделе, создают основу для разработки специализированного редактора базы знаний системы поддержки принятия решений при тушении пожаров.

Разработанные в диссертации алгоритмы и модели, их взаимосвязь и условия применения обобщены и представлены как часть единой методики по проектированию и разработке систем поддержки принятия решений руководителями аварийно-спасательных работ и органов управления при тушении пожаров.

В приложениях приводятся описания синтаксиса и семантики формального языка онтологической модели процесса управления боевыми действиями при тушении пожаров, базовые определения и термины логико-математической модели причинно-следственных отношений, алгоритм поиска аналогичных прецедентов (AASM), а также описана сетевая модель процесса приобретения знаний исследуемой предметной области и приведены документы о внедрении результатов работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ:

1. Проведен анализ содержания и специфики процесса разработки и принятия управленческих решений существующими организационными структурами ГПС, решающими оперативно-тактические задачи при тушении пожаров, рассмотрены факторы, влияющие на неопределенности при разработке управленческих решений должностными лицами органов управления силами и средствами на пожаре, дана классификация ошибок в управленческой деятельности РТП. Сформулированы основные направления автоматизации информационной поддержки процесса управления боевыми действиями на пожаре.

Отмечено, что проблеме автоматизации поддержки процесса подготов-

19

ки управленческих решений (планирования боевых действий) уделяется достаточно много внимания. Однако предлагаемые в этих работах методы и модели поддержки решений не решают задачи автоматизации аккумулирования и повторного использования опыта специалистов по тушению пожаров. По результатам анализа сформулированы цели и задачи исследования.

2. На основе концептуального представления предметных задач впервые построена онтологическая модель предметной области «Система оперативного управления силами и средствами гарнизона пожарной охраны при тушении пожаров», состоящая двух частей:

a. «Онтологическая модель процесса управления боевыми действиями при тушении пожаров»;

b. «Онтологическая модель причинно-следственных отношений, имеющих место в процессе развития оперативной обстановки при тушении пожаров».

3. Построенная онтология предметной области является базисом, обеспечивающим:

• формализацию процесса ввода, накопления в базе знаний системы опыта лучших специалистов по оперативному управлению ПСФ при тушении пожаров;

• разработку функциональной подсистемы генерации проектов тактических планов пожаротушения с использованием имеющихся в базе знаний прецедентов.

4. Разработан алгоритм автоматизированного формирования проектов тактических планов, обеспечивающий использование аккумулированного в базе знаний опыта управления боевыми действиями пожарно-спасательными подразделениями при тушении конкретных пожаров. Алгоритм основан на адаптированном синтаксисе и семантике языка НТЫ - планирования (иерархического сетевого планирования), в котором план боевых действий формируется иерархическим способом посредством последовательного нисходящего

разбиения решаемой задачи (цели верхнего уровня) на подзадачи.

5. Разработана продукционно-фреймовая модель представления знаний, используемых в автоматизированной системе поддержки принятия решений при тушении пожаров. Концептуальная схема продукционно-фреймовой модели представления знаний ПрО представлена в виде диаграммы классов (в UML - нотации), которые могут быть реализованы на любом объектно-ориентированном языке (Java, C++, Object Pascal).

6. На основе предложенного в работе формального аппарата разработана модель процесса ввода в информационную систему знаний экспертов исследуемой предметной области. Данная модель представляет собой семантическую сеть, определяющую с помощью правил порождения, на каком этапе должны быть получены те или иные знания.

7. Предложены принципы построения и разработана архитектура автоматизированной информационной системы поддержки принятия управленческих решений при тушении пожаров (АСППР).

8. Предложена методика проектирования АСППР с использованием методологии CBR (т.е. обеспечение накопления, хранения и повторного использования опыта, представленного в системе в виде прецедентов), в которой даны рекомендации по реализации разработанных моделей и алгоритма.

9. Результаты, полученные в данной работе могут быть использованы

при:

• информационно-справочной и расчетно-аналитической поддержке принятия управленческих решений при тушении пожаров;

• предварительном планировании боевых действий;

• проведении экспертизы управленческих решений;

• проведении деловых игр, связанных с подготовкой и повышением квалификации должностных лиц органов управления при тушении пожаров.

Публикации по теме диссертации

1. Абрамов А.П. Автоматизированная система информационной поддержки принятия решений при тушении пожаров: структура и содержание информационного обеспечения. // Пожары и окружающая среда: Материалы XVII Международной науч.-практ. конф. - ВНИИПО. М., 2002. - С. 363365.

2. Абрамов А.П. Методология проектирования автоматизированной информационной системы поддержки принятия решений при тушении пожаров. // Комплексная безопасность России - исследования, управление опыт. Международный симпозиум. 30-31 мая 2002 года. Сборник материалов - М.: ИИЦ ВНИИ ГОЧС, 2002. - С. 312-313.

3. Абрамов А.П. Функциональные возможности подсистемы оперативно-справочной информации по особо важным объектам гарнизона. // Пожары и окружающая среда: Материалы XVII Международной науч.-практ. конф. ВНИИПО. М, 2002. - С. 366-368.

4. Абрамов А.П. Концептуальная модель автоматизации планирования боевых действий пожарно-спасательных подразделений // Комплексная безопасность России - исследования, управление, опыт. Международный симпозиум 26-27 мая 2004, Москва. Сборник материалов. - М.: ИИЦ ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2004. - С. 58-59.

5. Абрамов А.П., Мешалкин ЕА, Олейников В.Т. Автоматизация планирования боевых действий при чрезвычайных ситуациях на основе онтологии предметной области. // Комплексная безопасность России -исследования, управление, опыт. Международный симпозиум 26-27 мая 2004, Москва. Сборник материалов. - М.: ИИЦ ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2004. - С. 59-63.

6. Зыков В И., МосягинА.Б., Абрамов А.П., Савинский А.Ф. Принятие решений при проектировании интегрированных автоматизированных систем

безопасности. //Пожарная безопасность. - 2002. №4. - С. 103-105.

7. Матюшин А.В., Абрамов А.П. Управленческие проблемы организации боевых действий при пожаре. Ошибки РТП. // Пожарная безопасность. -2004, № 3 - С. 118-123.

8. Мешалкин ЕА, Крылов А.Г., Абрамов А.П. Подход к решению проблемы формального представления и дальнейшего использования боевого опыта РТП. // Снижение риска гибели людей при пожарах: Материалы VIII на-уч.-практ. конф. - Ч. 2. - М.: ВНИИПО, 2003. - С 260 - 263.

9. Мешалкин ЕА., Крылов А.Г., Олейников В.Т., Абрамов А.П. К вопросу автоматизации информационной поддержки действий должностных лиц на пожаре..// Материалы 11-й науч.гтех. конф. "Системы безопасности" -СБ —2001 Международного форума информатизации 23 октября 2002. -М.: Академия ГПС, 2002. - С. 11-14.

10. Мешалкин ЕА, Крылов А.Г., Олейников В.Т., Абрамов А.П. Проблемы информационного обеспечения должностных лиц на пожаре и варианты их решения. // Пожарная безопасность. - 2002, №5. - С. 58-62.

11. Мешалкин Е.А., Олейников В.Т., Абрамов А.П. Концепция создания информационной системы поддержки оперативных решений при тушении пожаров. // Пожары и окружающая среда: Материалы XVII Международной науч.-практ. конф. - ВНИИПО. М, 2002. - С. 358-361.

12. Мешалкин Е.А., Олейников В.Т., Абрамов А.П. Принципы построения и архитектура автоматизированной системы поддержки принятия решений при тушении пожаров. // Пожарная безопасность. - 2001, №4. -С.118-123.

13. Мешалкин Е.А., Олейников В.Т., Абрамов А.П. Совершенствование управления силами и средствами государственной противопожарной службы при проведении аварийно-спасательных работ. // Комплексная безопасность России - исследования, управление, опыт. Международный

симпозиум 30-31 мая 2002, Москва. Сборник материалов. - М.: ИИЦ ВНИИ ГОЧС, 2002. - С. 34-35.

14. Мешалкин Е.А., Олейников В.Т., Абрамов А.П. Структура программно-аппаратного комплекса поддержки принятия решений РТП. // Крупные пожары: предупреждение и тушение: Материалы XVI науч.-практ. конф. -ВНИИПО. М., 2001. - С. 520-523.

Подписано в печать 20.12.04 г. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,63. Уч.-изд. л. 1,43. Т. - 80 экз. Заказ № 126.

Типография ФГУ ВНИИПО МЧС России. мкр. ВНИИПО, д. 12, г. Балашиха, Московская обл., 143903

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ

ОРГАНОВ УПРАВЛЕНИЯ СИЛАМИ И СРЕДСТВАМИ НА ПОЖАРЕ.

1.1. Особенности процесса управления боевыми действиями на пожаре.

1.1.1. Содержание процесса принятия управленческих решений РТП.

1.1.2. Специфика принятия управленческих решений РТП. pf 1.1.3. Факторы, влияющие на неопределенности при разработке управленческих решений РТП.

1.2. Основные направления автоматизации информационной поддержки управления боевыми действиями на пожаре.

1.3. Интеллектуальные системы поддержки принятия решений (СППР), их архитектура и функции.

1.3.1. СППР в терминах современных информационных технологий.

1.3.2. Архитектура и проблемы создания интеллектуальных СППР.

1.4. Методы представления знаний в интеллектуальных системах. jm 1.5. Средства концептуального моделирования предметной области.

1.6. Метод поиска решений в интеллектуальных системах на основе знаний о прецедентах.

Выводы по первой главе.

ГЛАВА 2. ЛОГИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ СИЛАМИ И СРЕДСТВАМИ ПРИ ТУШЕНИИ ПОЖАРОВ.

2.1. Структура и принципы построения модели.

2.2. Модель процесса управления боевыми действиями при тушении пожаров.

2.2.1. Формальный логический язык для описания онтологической модели предметной области.

2.2.2. Базовые термины.

2.2.3. Вспомогательные термины.

2.2.4. Онтологические соглашения.

2.2.5. Пример формализованного описания принятия управленческих решений при тушении пожаров в непригодной для дыхания среде

2.3. Логико -математическая модель причинно-следственных отношений, влияющих на выбор управленческих решений при тушении пожаров.

2.3.1. Основные принципы построения модели.

2.3.2. Базовые понятия и определения.

2.3.3. Онтологические соглашения модели.

Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. ПОСТАНОВКА И РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ГЕНЕРАЦИИ ПРОЕКТОВ ПЛАНОВ БОЕВЫХ ДЕЙСТВИЙ ПРИ ТУШЕНИИ ПОЖАРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРЕЦЕДЕНТОВ.

3.1. Постановка задачи планирования боевых действий при тушении пожаров.

3.2. Иерархическое сетевое планирование боевых действий (ИСП БД).

3.3. Формализованное описание алгоритма формирования планов боевых действий.

3.3.1. Синтаксис языка иерархического сетевого планирования боевых действий.

3.3.2. Семантика языка иерархического сетевого планирования боевых действий.

3.2.3. Рекомендации по применению правил адаптации прецедентов. 122 Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ РАЗРАБОТКИ АСППР ПРИ ТУШЕНИИ ПОЖАРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРЕДЛОЖЕННЫХ АЛГОРИТМОВ И МОДЕЛЕЙ.

4.1. Продукционно-фреймовая модель представления знаний предметной области.

4.1.1. Основные понятия.

4.1.2. Продукционно-фреймовая модель подсистемы генерации проектов управленческих решений.

4.1.3. Представление знаний.

4.2. Алгоритмическое обеспечение процесса приобретения знаний в исследуемой предметной области.

4.3. Принципы построения и архитектура АСППР для органов управления при тушении пожаров.

4.4. Методика и основные проблемы проектирования АСППР для руководителей аварийно-спасательных работ с использованием методологии CBR.

4.4.1. Этапы процесса разработки АСППР и их содержание.

4.4.2. Общие замечания по решению задач этапа «Аналитическое исследование предметной области».

4.4.3. Место онтологической модели предметной области во взаимодействии пользователя с АСППР.

4.4.4. Особенности реализации алгоритма формирования проектов тактических планов боевых действий.

4.4.5. Принципы функционирования подсистемы генерации проектов управленческих решений (тактических планов).

4.4.6. Подходы к проектированию базы знаний АСППР.

4.4.7. Рекомендации к выбору программных средств для разработки АСППР.

Выводы по четвертой главе.

Актуальность проблемы исследования. Важную роль в снижении тяжести последствий от пожаров играет правильность и обоснованность управленческих решений, принимаемых должностными лицами органов управления боевыми действиями пожарно-спасательных формирований (руководителем тушения пожара (РТП), штабом пожаротушения и др.). Кроме того, отсутствие во многих случаях на практике информации, необходимой для объективной оценки ситуаций, складывающихся на месте тушения пожара, приводит к вынужденному, технически и экономически неоправданному резервированию сил и средств, необходимых для ее ликвидации. Таким образом, с одной стороны, усложняются вопросы информационного обеспечения должностных лиц органов управления боевыми действиями при тушении пожаров, а с другой — существенно повышается значение и ценность своевременной и достоверной информации, которую с полным основанием можно рассматривать как один из видов ресурсов, обеспечивающих эффективность ликвидации пожаров и других стихийных бедствий.

Актуальность выбранного нами направления исследования обуславливается также и тем, что крупные и сложные пожары, как правило, редки и уникальны. Следовательно, в этих случаях основными факторами, способствующими успеху работы лиц, принимающих решение (ЛПР), становятся (помимо профессиональной компетенции ЛПР) умение получить необходимую информацию и сделать правильные выводы при ее недостатке или противоречивости. Поэтому в сложных ситуациях необходимо максимально использовать опыт высококвалифицированных специалистов по тушению сложных пожаров, применяя компьютерные технологии. Такой опыт, накопленный в автоматизированной системе, может быть успешно применен при решении задач тактической подготовки руководителей пожарно-спасательных подразделений, предварительной разработки тактических планов пожаротушения на объектах с повышенным номером вызова.

Однако вопросу автоматизации интеллектуальной поддержки управленческих решений при тушении пожаров до последнего времени не уделялось должного внимания. В значительной степени это объясняется существенно большей сложностью решения проблемы формализации процедур принятия управленческих решений по тушению пожаров, их информационным обеспечением по сравнению с решением аналитических и учетно-статистических задач.

Работы по автоматизации информационной поддержки процесса разработки управленческих решений РТП проводятся в ФГУ ВНИИПО МЧС (МВД) России и его филиалах, а также других научных учреждениях с 90-х годов. Однако, в связи с несовершенством технической базы, они, как правило, носили фрагментарный характер и решали только конкретные частные задачи, связанные с автоматизацией отдельных аспектов оперативно-тактической деятельности подразделений ГПС:

1. имитация развития пожара [16], автоматизация расчетов сил и средств, требуемых для тушения пожаров [18], в том числе на конкретных жилых, культурно-зрелищных и промышленных объектах [59], на объектах нефтепереработки [6, 17, 22, 104], на складах лесоматериалов [50];

2. расчет насосно-рукавных систем [76];

3. автоматизация составления планов пожаротушения и ликвидации аварий на ОПНВ [58, 107];

4. создание информационных баз по ОПНВ, используемых при решении задач диспетчеризации сил и средств гарнизона [99];

5. моделирование сосредоточения и введения сил и средств для планирования боевых действий пожарных подразделений и аварийно-спасательных служб [13, 14, 31, 92];

6. организация деловых игр для обучения тактическим приемам пожаротушения с использованием ПЭВМ [34, 100, 111, 112].

В отличие от выше упомянутых работ, данная диссертационная работа посвящена вопросам автоматизации процесса подготовки проектов управленческих решений должностных лиц органов управления с использованием аккумулированного в базе знаний системы опыта специалистов по тушению пожаров. В условиях экстремальной ситуации основными факторами, способствующими успеху работы РТП, становятся (помимо профессиональной компетенции РТП) умение получить необходимую информацию и сделать правильные выводы при ее недостатке или противоречивости, оперативность и способность к плодотворному взаимодействию с другими участниками боевой работы. Обладающих такими качествами высококвалифицированных специалистов недостаточно. Поэтому в нестандартных ситуациях необходимо использовать их опыт, применяя компьютерные технологии, позволяющие эффективно организовать работу РТП средней квалификации и предложить им на каждом этапе соответствующие складывающейся ситуации методы и средства.

Аккумулированный в системе поддержки принятия решений опыт специалистов по тушению пожаров может быть использован также на этапах планирования боевых действий по тушению пожаров, экспертизе управленческих решений, а также при проведении деловых игр для подготовки и повышения квалификации должностных лиц органов управления (РТП, ДСПТ и др.).

Проблематика диссертационной работы соответствует «Перечню критических технологий Российской Федерации»1, утвержденному Президентом Российской Федерации 30.03.2002 г. Пр-578, в части направления «Искусственный интеллект», и постановлению Правительства РФ от 28.05.96 "О приоритетных направлениях развития науки и техники и критических технологиях", в части приоритетного направления

1 http //lmlab narod ru/Projects/Pnor/Prior htm

Информационные технологии и электроника": компьютерное моделирование (теоретические основы и инструментарий для проведения математического эксперимента, включая новые вычислительные модели для задач естественных и гуманитарных наук, эффективные численные методы для реализации таких моделей); искусственный интеллект (интеллектуальные системы поддержки принятия решений на основе неклассических логик и интеллектуального интерфейса, в т.ч. когнитивной i рафики, интегрированные экспертные системы, основанные на знаниях, методы и средства выявления и представления знаний, методы правдоподобных рассуждений, объединяющих индукцию, аналогию и абдукцию, их применение в интеллектуальных системах)2.

Изложенные обстоятельства определяют актуальность исследований, направленных на разработку новых информационных технологий для комплексного решения задач информационной и интеллектуальной поддержки оперативно-тактической деятельности пожарно-спасательных подразделений, связанной с тушением пожаров.

Цель диссертационной работы состоит в повышении эффективности \ правленческих решений, принимаемых должностных лицами органов \правления при тушении пожаров на основе разработки и применения комплекса моделей и алгоритмов, обеспечивающих автомати$ацию процесса аккумулирования боевого опыта специалистов и повторного его испольювания при предварительном планировании боевых действий, жсиерппе vправленческих решений, а также проведении деловых игр с руководителями гюжарно-снасательных подразделений.

Для достижения поставленной цели в рамках диссертационно! о исследования необходимо решить следующие задачи:

Специализированное издание 'Критические технологии федерального уровня', подгоюв тенное но исполнение решений Правительственной комиссии по научно-технической политике от 28 мля |4У6 i по вопросу 'О приоритетных направинняч развития науки и техники и критических гехнокмиях федерального уровня' http www extedi iu s e min s pnor/krit techphp проанализировать особенности системы оперативного управления силами ГПС при тушении пожаров; построить концептуальную модель системы оперативного управления силами и средствами гарнизона пожарной охраны при тушении пожаров, формально описывающую знания, отражающие сущность исследуемой предметной области; г разработать механизм аккумулирования в базе знаний опыта управления боевыми действиями при тушении пожаров и его использования для формирования тактических планов боевых действий пожарно-спасательных подразделений. определить функциональную структуру системы, обеспечивающей автоматизацию процесса подготовки управленческих решений с использованием аккумулированного в системе опыта по тушению пожаров; разработать методику проектирования информационной системы поддержки решений для органов управления при тушении пожаров . Объектом исследования в работе является процесс управления силами и средствами гарнизона при решении оперативно-тактических задач, связанных с тушением пожаров.

Предмет исследования - методы и алгоритмы интеллектуальной поддержки принятия управленческих решений органами оперативного управления при тушении пожаров, обеспечивающие автоматизацию накопления и повторного использования экспертных решений проблемных ситуаций (боевого опыта).

Методы исследования. В работе использованы математический аппарат теории множеств, математической логики, формальной семантики языков, методы представления знаний и баз данных, а также современные методологии построения программных комплексов и систем.

Научная новизна исследования обуславливается следующими результатами, полученными лично соискателем:

• построена логико-математическая модель предметной области «Система оперативного управления силами и средствами при тушении пожаров»;

• разработан алгоритм формирования тактических планов боевых действий, обеспечивающий возможность повторного использования аккумулированного в базе знаний боевого опыта по тушению пожаров;

• разработана фреймово-продукционная модель представления знаний исследуемой предметной области;

• на основе предложенного алгоритмического обеспечения разработана модель процесса приобретения знаний экспертов предметной области;

• разработана методика проектирования информационной системы поддержки принятия решений должностными лицами органов управления при тушении пожаров.

Совокупность перечисленных результатов представляет собой единый комплекс научно-методических предложений, математических моделей, алгоритмов и методик, позволяющих разрабатывать интеллектуальные системы поддержки принятия решений, обеспечивающие возможность повторного использования должностными лицами органов управления аккумулированного в базе знаний боевого опыта по тушению пожаров.

Практическая значимость работы заключается в использовании ее результатов при разработке программного и информационного обеспечения автоматизированной системы поддержки принятия решений должностными лицами органов управления при тушении пожаров.

Результаты работы также обеспечивают возможность решения задачи автоматизации процессов предварительного планирования боевых действий, проведения экспертизы управленческих решений, а также деловых игр при подготовке и повышении квалификации должностных лиц органов управления (РТП, ДСПТ, РАСР).

Апробация работы. Результаты, полученные в работе, изложены в ряде печатных публикаций, докладывались на научных конференциях и семинарах, в частности:

• на XVI научно-практической конференции «Крупные пожары: предупреждение и тушение» (ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2001 г.); на XVII Международной научно-практической конференции «Пожары и окружающая среда» (ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2002 г.); на Международном симпозиуме «Комплексная безопасность России

- исследования, управление, опыт» (г. Москва, 2002 г.); на 11-й Международной научно-технической конференции "Системы безопасности" - СБ - 2002 Международного форума информатизации (г. Москва, 2002 г.); на XVIII научно-практической конференции «Снижение риска гибели людей при пожарах» (г. Москва, 2003 г.); на Международном симпозиуме «Комплексная безопасность России

- исследования, управление, опыт» (г. Москва, 2004 г.).

По материалам диссертации автором лично и в соавторстве опубликовано 14 работ

Практическая реализация результатов исследования. Результаты диссертационной работы нашли практическое применение в ФГУ ВНИИПО МЧС России при выполнении по планам НИОКР МЧС России в 2002-2003 г. научно-исследовательской работы «Разработать автоматизированную систему информационной поддержки принятия решений при тушении пожаров (АСППР)» (шифр П.1.5.Д.01.02), результаты этой работы используются в оперативно-служебной деятельности Центра управления кризисными ситуациями (151 ЦУКС) МЧС России и подразделений Федерального государственного предприятия «Ведомственная охрана МПС России» (ФГП ВО МПС России). Также материалы диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры СЭАСиС Академии ГПС МЧС России и используются в виде учебно-методического материала, а также в лекциях, практических занятиях и дипломном проектировании.

Внедрение результатов работы подтверждено актами.

На защиту выносятся следующие результаты работы:

1. Концептуальная логико-математическая модель предметной области «Система оперативного управления силами и средствами гарнизона пожарной охраны при тушении пожаров», состоящая из двух частей:

V модель процесса управления боевыми действиями при тушении пожаров;

V модель причинно-следственных отношений, влияющих на выбор управленческих решений при тушении пожаров.

2. Алгоритм автоматизированного формирования тактических планов боевых действий при тушении пожаров, обеспечивающий использование аккумулированного в базе знаний опыта управления боевыми действиями пожарно-спасательными подразделениями при тушении пожаров.

3. Модель процесса ввода в информационную систему экспертов предметной области.

4. Методика разработки АСППР для руководителя аварийно-спасательных работ.

Структура и объем работы. Диссертация работа состоит из введения, 4-х глав, заключения (общих выводов), списка литературы и 5-и приложений. Общий объем работы - 251 страница, в том числе основной текст - 145 страниц, 20 рисунков, 6 таблиц, список литературы из 194 наименований, и 81 стр. приложений.

Выводы по первой главе

1. Проведен анализ содержания и специфики процесса принятия управленческих решений РТП, рассмотрены факторы, влияющие на неопределенности при разработке управленческих решений должностными лицами органов управления силами и средствами на пожаре, дана авторская классификация ошибок в управленческой деятельности РТП. Сделан вывод о том, что:

V исследуемая предметная область является плохо формализуемой предметной областью, характеризуемой открытостью и динамичностью, охватывающей большой срез знаний о действительности;

V проблемы, возникающие при оперативном управлении боевыми действиями при тушении пожаров, относятся к классу слабо структурированным или смешанным, и при их решении необходимо использовать системы интеллектуальной поддержки принятия решений;

2. В условиях возможной неполноты информации, дефицита времени и необходимых ресурсов решающее значение, наряду с квалификацией РТП, приобретает его практический опыт участия в ликвидации такого рода пожаров, умение выбрать наиболее эффективный в сложившейся ситуации путь решения задачи. РТП обычно принимает решения, основанные на личном опыте или опыте других специалистов. Поэтому автоматизация накопления и использования опыта лучших специалистов в области управления боевыми действиями при тушении пожаров является одним из основных путей повышения эффективности работы должностных лиц органов управления в нестандартных ситуациях.

3. Сформулированы основные проблемы, которые необходимо решить для достижения цели диссертационного исследования:

V построение модели исследуемой предметной области, отражающей сущность ее функционирования и позволяющей создать целостное и системное описание используемых знаний;

V разработка механизма аккумулирования в базе знаний опыта управления боевыми действиями при тушении пожаров и его использования для формирования тактических планов боевых действий пожарно-спасательных подразделений.

4. Функционирование автоматизированной системы интеллектуальной поддержки управленческих решений РТП должно опираться на развитые методы работы со знаниями: их представление, хранение и преобразование.

5. На основе анализа существующих вариантов определения онтологии показано, что, во-первых, имеются все основания отождествлять онтологию с концептуальной моделью предметной области. Во-вторых, онтология -формальная спецификация концептуализации, которая имеет место в некотором контексте предметной области. При этом под концептуализацией понимается, кроме перечня понятий, также вся информация, касающаяся понятий - свойства, отношения, ограничения, аксиомы и утверждения о понятиях, необходимые для описания и решения задач в избранной исследуемой предметной области. jf* Глава 2. Логико-математическая модель системы оперативного управления силами и средствами при тушении пожаров

Во второй главе описываются принципы построения концептуальной модели исследуемой' ПрО, структура базовых понятий и их взаимосвязь. Глава организована следующим образом. В разделе 2.1 рассматривается структура концептуальной модели исследуемой предметной области и принципы ее построения. В разделе 2.2 описывается модель процесса * управления боевыми действиями при тушении пожаров. В разделе 2.3 строится математическая модель взаимодействия причинно-следственных отношений, влияющих на изменение оперативной обстановки и выбор тактических решений должностными лицами органов управления при тушении пожаров

2.1. Структура и принципы построения модели

Для принятия обоснованных управленческих решений РТП, помимо знания основных принципов управления боевыми действиями при тушении пожара, должен представлять возможные сценарии развития оперативной обстановки, которые характеризуются причинно-следственными связями, имеющими место в исследуемой предметной области (ПрО). Поэтому модель ПрО «Система оперативного управления силами и средствами гарнизона пожарной охраны при тушении пожаров» строится из двух взаимосвязанных по смыслу частей, которые можно назвать, соответственно, предметной и каузальной (от лат. causa - причина) онтологией, а именно:

1. Онтология процесса управления боевыми действиями при тушении пожаров;

2. Онтология причинно-следственных связей, имеющих место при развитии оперативной обстановки на пожаре.

В первой части онтологии моделируется процесс принятия управленческих решений в ситуациях, которые однозначно определяют выбор тех или иных целей и их приоритет.

Онтологические соглашения каузальной онтологии описывают аспекты действительности ПрО, определяющие действия РТП в необходимых онтологических предпосылках. Поэтому в центре каузальной онтологии исследуемой ПрО находятся представления о причинно-следственных связях и процессах, протекающих в условиях оперативной обстановки на пожаре, которые определяют принятие должностными лицами тех или иных управленческих решений.

Поскольку онтология ПрО представляет собой спецификацию некоей неизменной части знаний о ПрО, истинную, независимо от конкретной ситуации, в которой они могут использоваться и являющуюся результатом консенсуса экспертов ПрО, логично использовать в качестве правил и ограничений разрабатываемой онтологической модели указания и рекомендации из Боевого Устава пожарной охраны [12].

Онтологическая модель исследуемой ПрО в соответствии с работами [9-10, 46-48] строится как необогащенная система логических соотношений второго порядка, у которой каждое логическое соотношение имеет содержательное толкование, а вся система логических соотношений есть явное представление концептуализации, понимаемой и как множество ситуаций, и как множество систем знаний предметной области [151]. Такой подход позволяет при построении онтологической модели ПрО использовать логические операции, арифметические операции, операции интегрирования, дифференцирования и другие.

2.2. Модель процесса управления боевыми действиями при тушении пожаров

Целью разработки онтологии управления боевыми действиями при тушении пожаров является формализация контекстно-независимой части процесса принятия решений, которая впоследствии может дополняться новыми модулями, учитывающими специфику ситуаций, в которых оказывается РТП и другие лица, участвующие в принятии управленческих решений. Поэтому в данной работе не ставится задача охвата всего спектра терминов и определений, необходимых для подготовки и принятия решений РТП, а рассматриваются только те понятия, которые определяют первоочередные боевые задачи в различных ситуациях.

Центральным звеном онтологии является модуль "Определение тактических целей"; все остальные части онтологии могут только дополнять данную модель, не внося в уже построенную часть никаких изменений. Так, модуль "Определение тактических целей" может быть дополнен модулями "тактические возможности ПСФ", "тушение на объектах ЛВЖ и ГЖ" и др., сужающими область допустимых ситуаций, в которых оказывается ЛПР. Чтобы расширить возможности РТП по прогнозированию возможных ситуаций, центральный модуль дополняется модулем логической модели причинно-следственных отношений

Иерархическая модель онтологии исследуемой ПрО показана на рис 2.1. Модуль "Сущности" является моделью метаонтологии, предназначенной для описания глобальных вспомогательных терминов, которые позволяют конструировать остальные модули иерархии (кроме каузальной онтологии) по единому образцу.

Описания терминов каждого из модулей, кроме модуля метаонтологии, используются не только в нем самом, но и в любом из его потомков, где они могут быть расширены и дополнены.

Принять решение - значит прийти к какому-нибудь выводу, к необходимости каких-нибудь действий в результате оценки складывающейся на пожаре оперативной обстановки. Онтология процессов управления боевыми действиями при тушении пожаров должна охватывать весь спектр терминов и определений, относящихся к процедурам подготовки, принятия и

Рис. 2.1. Структура иерархической модели онтологии предметной области "Управление боевыми действиями при тушении пожаров" оценки возможных последствий реализации принятых РТП решений.

Исходя из сказанного, выделяется ряд терминов онтологии процессов управления боевыми действиями при тушении пожаров: ПРОЦЕССЫ, БОЕВЫЕ ДЕЙСТВИЯ, ЦЕЛИ, СИЛЫ И СРЕДСТВА, ОБЪЕКТЫ ПОЖАРОТУШЕНИЯ, ОЧАГИ ПОЖАРА, ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ ПОЖАРА и др. Всем этим (и многим другим) терминам даются формализованные определения с учетом их отношений с другими определениями онтологии ПрО, и, поэтому все построенные определения онтологии процессов управления боевыми действиями при тушении пожаров взаимосвязаны между собой, взаимозависимы.

Для описания онтологической *модели ПрО, кроме базовых терминов, используются системы логических соотношений различного порядка.

При разработке формального логического языка и определении базовых терминов, необходимых для построения онтологической модели ПрО «Система управления боевыми действиями при тушении пожаров» использовались подходы, предложенные в работах [9-11].

Ниже рассматриваются основные положения построенной автором онтологии процесса управления боевыми действиями при тушении пожаров, а полное описание этой онтологии дано в Приложении 1.

2.2.1. Формальный логический язык для описания онтологической модели предметной области

Алфавит, синтаксис и семантика формального логического языка приведены в Приложении 1.

2.2.2. Базовые термины

Базовые термины, используемые при построении онтологической модели ПрО, приведены в Приложении 1.

2.2.2.1. Сущности знаний модели онтологии "Боевые действия"

2.2.1.] Сущность ВСЕ ОБЪЕКТЫ ПрО обозначает все объекты ПрО в модели знаний

ВСЕ ОБЪЕКТЫ ПрО е СУЩНОСТИ ЗНАНИЙ

Экземплярами сущности ВСЕ ОБЪЕКТЫ ПрО являются обозначения всех объектов предметной области у (ВСЕ ОБЪЕКТЫ ПрО) = ON

Подмножествами сущности ВСЕ ОБЪЕКТЫ ПрО являются следующие

ВСЕОБЪЕКТЫПОЖАРОТУШЕНИЯ U ТЕРРИТОРИЯЗОНЫПОЖЛРОТУШЕНИЯ U ВС ЕОБЪЕКТЫВОДОСНАБЖЕНИЯ с ВСЕОБЪЕКТЫПрО

Подмножествами сущности ВСЕОБЪЕКТЫПОЖАРОТУШЕНИЯ являются следующие

ВСЕЖИЛЫЕИАДМИНИСТРАТИВНЫЕЗДАНИЯ U ВСЕСКЛАДЫ U

ВСЕПРОИЗВОДСТВЕННЫЕОБЪЕКТЫ U

ВСЕОБЪЕКТЫ ХРАНЕНИЯИПЕРЕРАБОТКИЛВЖИГЖ U

ВСЕОБЪЕКТЫСЕЛЬСКОЙМЕСТНОСТИ U ЛЕСА U

ВСЕ ОБЪЕКТЫТРАНСПОРТА с ВСЕОБЪЕКТЫПОЖАРОТУШЕНИЯ

ВСЕОБЪЕКТЫКОММУНИКАЦИИ U ВСЕОБЪЕКТЫЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ с ТЕРРИТОРИЯЗОНЫПОЖАРОТУШЕНИЯ 0

1.2.2.. Сущность ВСЯ ПОЖАРНАЯ ТЕХНИКА И ПТВ обозначает все множество сил и средств, применяемых при тушении пожаров

2. ВСЯ ПОЖАРНАЯ ТЕХНИКА И ПТВ е СУЩНОСТИ ЗНАНИЙ Экземплярами сущности ВСЯ ПОЖАРНАЯ ТЕХНИКА И ПТВ является множество обозначений средств пожаротушения.у (ВСЯ ПОЖАРНАЯ ТЕХНИКА И ПТВ) = {}N

3. Подмножествами множества ВСЯ ПОЖАРНАЯ ТЕХНИКА И ПТВ являютсяследующие множества:

4. ВСЕ МЕСТА е СУЩНОСТИ ЗНАНИЙ Экземплярами сущности ВСЕ МЕСТА являются обозначения всех мест в зоне тушения пожара.у (ВСЕ МЕСТА) = {}N22.2.2. Сущности ситуаций модели онтологии "Боевые действия"

5. ОДЗ(все боевые действия) = {}N22.3. Вспомогательные термины

6. U (г: все отделения (О) (х личныйсостав (г, t)), средстваПТПТВ (г, t)))

7. Онтологические соглашения это явно сформулированные соглашения об ограничении на смысл терминов, в которых описывается ПрО 47. Иначе говоря, Онтологические соглашения представляются множествомограничений на интерпретацию имен в модели онтологии ПрО.

8. Нормативными документами определен порядок и требования к организации работы по тушению пожаров в непригодной для дыхания среде, которые с использованием построенной онтологии формализуются следующим образом:

9. Работы по тушению в непригодной для дыхания среде следует проводить в средствах индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД) (t: 11, число моментов1). (v: все поставленные цели(г)), (г: есе отделения(t-)-)

10. V (v': v) среданепригодная,длядыхани,я(позицииПСС(у ,t)) = да) =>при\>енениеСИ30Д(г, t) = да

11. Для ведения работ в непригодной для дыхания среде с использованием СИЗОД необходимо:

12. V сформировать звенья газодымозащитников каждое из трех пяти человек, включая командира звена (как правило, из одного караула), имеющих однотипные средства защиты органов дыхания;

13. V назначить в звеньях ГДЗС опытных командиров, проинструктировав их о мерах безопасности и режиме работы с учетом особенностей объекта, складывающейся обстановки на пожаре и конкретно на данном БУ;

14. V определить время работы и отдыха газодымозащитников, место нахождения звеньев ГДЗС;

15. V при работе в условиях низких температур определить место включения в СИЗОД и порядок смены звеньев ГДЗС;

16. V (г': г) ГДЗС (г^да &(происшествляса'с(г', t) v прекращениесвяэи(г\ t) g e(t))=> {напрзЕленлерезерза, вызов03, поискпострадавших} с v(t)

17. Области допустимых значений.

18. ОДЗ(ООП) = {взрыв, вхпламеноние, сильное.зады мление, обрушен/еконструцл1, распространениегорения, ударнзяволна, высокотемлературныйеыорссгазз, Бь!делеи,*еядсвитыхгззов, рад 1зция, воздействи.евысскоЙтемпературы}

19. ОДЗ (места проявления, зонагс рения, зона„задывдения, боевьепозицил, поз.'цлНПСФ, участки, РНЕД, объектосвеа,сь.'я, местовключениявСИЗОД) = ПВСЕ МЕСТА

20. ОДЗ (процессы) = {сильное.эздымлен/е, распространен/,егорен«я, выделен/еядсвитыхгазо8, рад 1зция, воздействиевысокойтемпературы, россыпь/розлиаАХОВ,.}

21. ОДЗ (события) = {взрыв, воспламенение, обрушение „конструкции, ударнаявопна, вь'сокотемпературнь:йвыброс„газа,.} U происшествияjjji/c

22. Областью допустимых значений сущности личный состав является множество 2-х-местных кортежей, 1-м элементом которых является экземплярсущности ВСЕ. СПЕЦИАЛИЗАЦИИ, 2-м -количество участников тушения этой специализации.

23. ОДЗ (личный состав) = {w: (х ВСЕ СПЕЦИАЛИЗАЦИИ. R0, да.)}

24. Областью допустимых значений сущности средства ПТ ПТВ является множество 3-х-местных кортежей, 1-м элементом которых является экземпляр сущности ВСЯ ПОЖАРНАЯ ТЕХНИКА И ПТВ. 2-м его количество, а 3-м - единица измерения.

25. ОДЗ (средства ПТ ПТВ) = {w: (х ВСЯ ПОЖАРНАЯ ТЕХНИКА И ПТВ. R0, °о.), {}N}

26. ОДЗ (треб количество сил и средств, факт количество сил и средств) =

27. X ВСЕ СПЕЦИАЛИЗАЦИИ. R0, <».)}U{(x ВСЯ ПОЖАРНАЯ ТЕХНИКА И ПТВ, R[0,»],1. N)}

28. ОДЗ (ВСЕ СПЕЦИАЛИЗАЦИИ) = {начальниккараула, начальн/ккараулз, ког/аид,'ротделени.я, начал ьн;*.кКППГДЗС, постовойГДЗС, командирГДЗС, газоду/озащитн.'*,ствольщик, связной, водитель, боец-пожарный}

29. ОДЗ (ГДЗС, приуенениеСИ30Д, среданепригоднаядлядыхания) ={}L

30. Логико -математическая модель причинно-следственных отношений, влияющих на выбор управленческих решений при тушении пожаров

31. Характеристики, описывающие оперативную обстановку на пожаре, условно разделяются на внешние по отношению к системе управления (наблюдения) и внутренние, которые являются предметом планирования.

32. Основным типом связей, характеризующими ситуацию на пожаре, являются причинно-следственные связи (ПСС) между рассмотренными выше понятиями.

33. Оперативная обстановка на пожаре характеризуется:признаками (атрибутами объектов ПрО);событиями;процессами;обобщениями

34. Решающая система характеризуется:действиями участников тушения пожара.

35. В роли воздействующих факторов (и необходимых условий), выступают атрибуты, обобщения, процессы и действия подразделений ГПС.

36. Для построения логической модели процесса боевых действий при тушении пожара используются следующие типы причинно-следственных связей, представленные в табл. 2.1.23.2. Базовые понятия и определения