автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Разработка программно-аппаратных средств на базе нечетких методов моделирования для повышения эффективности функционирования систем централизованной охраны

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И

ИНФОРМАТИКИ ~ ^ -

РГб ОД 2 7 ОКТ 139В

На правах рукописи

Слепцов Александр Федорович

РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ НА БАЗЕ НЕЧЕТКИХ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОЙ ОХРАНЫ

Специальность 05.13.11. - Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов, систем и сетей

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени »

кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Московской государственной академии приборостроения и информатики.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Петров О.М.

Соруководитель: кандидат технических наук,

профессор Ашинянц Р.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Савельев А .Я.

кандидат технических наук, доцент Соломанидин ГГ. •

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт ,

полупроводникового машиностроения, г.Воронеж.

Защита состоится «^У» 1998г. в & часов на заседании

совета Д.063.93.01 по защите диссертаций в Московской государственной академии приборостроения и информатики по адресу: г.Москва, ул.Стромынка 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан « & » 1998 г. ■

Ученый секрехарь совета к.т.н., доцент ^

Ульянов М.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Существующие до настоящего времени системы централизованной охраны построены, в основном, на эмпирических знаниях и подвержены всевозможным влияниям внешней среды и случайным воздействиям, учет которых в рамках принятой модели практически невозможен. Это обуславливает значительную уязвимость тех систем, которые в настоящее время используются как базовые модели. Их дальнейшее применение не соответствует современным •требованиям.

Функционирование сложных систем, к которым относятся и системы централизованной охраны, применяемые для решения задач по охране объектов различных форм собственности в рамках службы вневедомственной охраны Министерства внутренних дел Российской Федерации, обусловлено большим числом параметров, чаще всего взаимозависимых. Состояние такого многопараметрического объекта (системы) определяется в каждый момент времени не одним конкретным значением, а множеством значений. В этой ситуации качественная характеризания объекта или системы дает более высокие результаты и может оказаться реализуемой, по сравнению с традиционными методами исследований. Аппаратом для исследования таких систем является получившая в последние десять лет мощное развитие теория нечетких множеств, нечеткого управления, нечеткой логики и т.д. В рамках этой теории решение задач, стоящих перед подразделениями вневедомственной охраны, получает совершенно новую интерпретацию и приводит к новым неожиданным положительным эффектам по1 сравнению с традиционными формами технических систем, применяемых в подразделениях вневедомственной охраны.

Однако, успешное решение задач с помощью этой теории требует создания новых средств обработки нечеткой информации, форм интерпретации высказываний в некоторую технически реализуемую логическую систему.

Первичная обработка входной нечеткой информации, очевидно, предполагает создание нечетких алгоритмов принятия решений, одного из важнейших компонентов деятельности подразделений вневедомственной охраны. Создание новых средств и в целом систем принятия решений в нечеткой информационной среде, возможно, в рамках деятельности подразделений вневедомственной охраны, осуществляется впервые.

Поэтому нацеленность предмета исследования в настоящей диссертации является актуальным как в смысле технической реализации, так и в смысле внедрения в широкую практику подразделений охраны новейших достижений в области нечетких систем.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является повышение эффективности систем

1

централизованной охраны путем разработки инструментальных средств,

/

обеспечивающих достижение более высокого уровня надежности и достоверности контроля состояния охраняемых объектов.

Исходя из данной цели, в работе решались следующие задачи:

1. Построение нечеткой теоретико-множественной модели системы принятия решений, включающей построение функции принадлежности таких параметров как величина тока обтекания, текущее время и длительность импульса.

2. Определение состояния объекта как множества ситуаций и отображение нечеткой модели объекта в нечеткую ситуационную модель.

3. Разработка структуры вычислительного комплекса обработки нечеткой информации и принятия решений для систем централизованной охраны и его реализация в виде системы передачи извещений.

4. Разработка алгоритма обработки нечеткой информации и принятия решений по объектам, охраняемым системой централизованной охраны.

5. Разработка отдельных конструктивных элементов системы передачи извещений и интерфейсных -связей между ними с целью реализации ею нечетких вычислительных алгоритмов в системе охранной сигнализации.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ основаны на использовании теории нечетких множеств, нечеткого управления, нечеткой логики, компьютерных технологий. _

НАУЧНАЯ НОВИЗНА основных результатов диссертационной работы:

1. Впервые для систем охранной • сигнализации построена нечеткая модель системы передачи извещений. Введена метрика в пространстве нечетких множеств характеристик объекта и доказана теорема применимости на этой метрике операций нечеткой логики и правил вывода. Показано, что использование аппарата нечеткой логики в построении систем принятия решений дает более адекватное знаниям эксперта решение, чем четкие алгоритмы, независящие от объективных неопределенностей.

2. Определено состояние охраняемого объекта как множества ситуаций и выполнено отображение нечеткой модели объекта в нечеткую ситуационную модель.

3. Разработана структура вычислительного комплекса обработки нечеткой информации и принятия решений для систем централизованной охраны и выполнена его реализация в виде системы передачи извещений.

4. Разработаны отдельные конструктивные элементы системы и интерфейсные связи между ними. На все конструктивные элементы системы и систему передачи извещений в целом получены свидетельства на полезные модели.

5. Разработан алгоритм обработки нечеткой информации и принятия решений по объектам, охраняемым системой централизованной охраны.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Предложенные в работе модели и алгоритмы положены в основу разработки системы передачи извещений для системы централизованной охраны, содержащей компоненты искусственного интеллекта, что позволило повысить качество охраны за счет широкого использования опыта квалифицированных экспертов, приближения хода рассуждений системы к действиям дежурного ПЦО с учетом большого числа трудно формализуемых факторов и зависимостей.

Разработанные алгоритмы и аппаратные средства могут найти свое применение по двум направлениям: во-первых, в научных исследованиях при разработке специализированных вычислительных комплексов обработки нечеткой информации для систем управления различными процессами; во-вторых, в автоматизированных системах управления сложными процессами, создание точных математических моделей которых затруднительно.

Использование результатов работы позволябт получить экономический эффект за счет повышения качества принимаемых управленческих решений и экономии материальных ресурсов.

РЕАЛИЗАЦИЯ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Основные теоретические и практические результаты работы реализованы в процессе создания системы передачи извещений для централизованной охраны объектов, которая, в настоящее время, функционирует в подразделениях вневедомственной

«

охраны г.Воронежа и г.Саратова, что подтверждается представленными актами внедрения. Годовой экономический эффект от использования указанной системы составляет 22 тыс. рублей на каждые 100 номеров задействованной емкости.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты докладывались и обсуждались на всероссийской конференции "Повышение помехоустойчивости систем технических средств охраны" (Воронеж, 1995г.), научно-практических конференциях в Воронежской высшей школе МВД России.

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам исследований опубликовано 8 печатных работ, получено 2 свидетельства на полезную модель.''

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 106 наименований и содержит 145 страниц машинописного текста, 26 рисунков, 8 таблиц и приложения на 24 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, представлены основные научные результаты, приведено краткое содержание работы по главам.

В первой главе реализован комплексный подход к решению задачи эффективной централизованной охраны объектов различных форм собственности. | Классифицированы объекты охраны, установлены логико - семантические снячи ■ на множествах, определяющих организацию охраны, приведена сетевая структура построения многорубежной охраны. Осуществлено выделение признаков, регламентирующих использование средств охранной сигнализации; количество' самостоятельных зон контроля, формируемых на объекте; внешнее окружение объекта охраны; текущее время.

На основе анализа технических средств систем централизованной охраны показано, что существующие до настоящего времени системы построены, в основном, на эмпирических знаниях и подвержены всевозможным влияниям внешней среды и случайным воздействиям, учет которых в рамках принятой модели практически невозможен, что обуславливает значительную уязвимость систем, которые в' цастоящее время используются как базовые модели. Дальнейшее применение систем передачи извещений, основанных на рассмотренных выше технических решениях, не соответствует современным требованиям.

Показано, что комплексность объекта охраны в значительной степени приближает к формулировке системы охраны как системы принятия решений с учетом комплекса знаний эксперта о составном объекте и, что наиболее существенно, его знаний взаимосвязей и правил принятия решений с некоторой достоверностью. Следовательно, состояние объекта должно оцениваться по возможным множественным значениям параметров объекта принятия решения.

Естественна в этой связи постановка вопроса о необходимости разработки системы принятия решений, а не использование традиционных баз данных, поскольку последние представляют собой пассивную совокупность данных, лишенных семантических связей, что не позволяет осуществлять извлечение рекомендующих решений.

Применительно к системам централизованной охраны проанализированы методы построения систем принятия решений: нечеткий вывод резолюционного типа, композиционный метод нечеткого вывода, нечеткий ситуационный вывод и т.д.

На основании проведенных исследований поставлены задачи разработки инструментальных средств для повышения эффективности систем централизованной охраны, достижения более высокого уровня надежности и достоверности контроля состояния охраняемых объектов.

Во второй главе представлены теоретические основы построения системы принятия нечетких управляющих решений. На основе аппарата нечеткой логики показана возможность определения стратегий принятия решений. В пространстве нечетких множеств вводится метрика, позволяющая обосновать понятия логического нечеткого равенства, соответствия, включения.

Определение 1. Нечеткое множество А является е- равным нечеткому ,__

множеству А' если й(А,А' )<е в непрерывном метрическом пространстве, в котором расстояние определено как

УхеХ с1(цл(х), (ДЛ'МНир^лф- ц;<<х)!, где X - ограниченный интервал, такой, что {х: шах(цл(^)- МД'М)^}.

Из определения следует, что е-равенство есть рефлексивное и симметричное отношение на [0,1]. Следует заметить, что это свойство значимо для е<1, так как в противном случае нельзя утверждать, что А' соответствует А.

Определение 2. Пусть f: (Ai,...yA„)->B - и-арная операция над нечетким множеством, Aj,ßeF(R), 1 <i<n, R - множество вещественных чисел. Из того факта, что операция f сохраняет е-равенство и если для Л'A',eF(R) и d(А„А',)<е, 1 </<я, следует, что d(f(A'l,...,A'„),ß) <е.

Теорема 1. Операции объединения, пересечения, отрицания над нечеткими множествами, определяемые как R?игС*)-П1ах(мл(х), ца(х))> ЦЛп

и-а(х)=1-|лл(х),

сохраняют г -равенство (эквивалентность).

Теорема применима к нечетким выводам. Для этого рассмотрим обобщенное правило вывода modus ponens (ОМП):

если х есть А то у есть В х есть Л'

у есть В'

где Л, А', В, В'е F(R).

Представим следствие с помощью композиционного оператора В'=А'°(А-^Б). Заметим, что ОМП может рассматриваться как функциональный оператор над нечеткими множествами.

В соответствии с композиционным правилом можно записать:

M.g.O') = sup(nJ(jc)T(n3(*)->HjO')X

хеХ

Здесь операция логического суммирования заменена на sup, а Т есть t-

норма.

Пусть нечеткое множество (рис.1), соответствующее эталонному значению входного параметра объекта принятия решений Xj - "величина тока обтекания", имеет вид Л(л:)={<0.1/6>, <0.3/7>, <0.7/8>, <0.8/9>, <0.9/10>, <1.0/11>, <1,0/12>} и

высокий= Л(г)

Довольно ВЫСОКИЙ =Л'(х)

М-

TU - немного ИЗМЕНИТЬ

Рис.1. Построение функции принадлежности выходного параметра в соответствии с правилом modus ponens

соответствует лингвистическому значению входного параметра "высокий" уровень, а выходной параметр в этом случае должен иметь в качестве своего лингвистического значения "сильно изменить" (например, значение тока на

выходе управляемого источника тока), и нечеткое множество, соответствующее этому значению, имеет вид: 2(у)={<0.1/30>,<0.2/40>,<0.3/50>,<0.5/60>, <0.8/70>,<1.0/80>, <1.0/90>}. Текущее же значение входного параметра х2 -"величина тока обтекания" соответствует лингвистическому значению входного параметра " довольно высокий" уровень, и представлено с помощью нечеткого множества А'{х) ={<0.5/7>,<1.0/8>,<0.8/9>,<0.2/10>}. Для перевода объекта принятия решений из текущей ситуации S0 в некую целевую ситуацию .V0,, система принятия решений должна выработать управляющее решение, при котором значение выходного параметра может характеризоваться лингвистическим высказыванием "немного изменить". Но такая характеризация недостаточна для принятия конкретного решения в смысле определенного числового значения. Следовательно, необходимо построить нечеткое множество В '(у) по предпосылке А' (х) и имеющейся

информации А(х) и В(у) (правило вывода modus ponens). Итак, мы имеем: М2'(у)= иМ'ООМцлСОлjigOO) = и(!дЛ'(*)лц;?(*))л|лйО')

хеХ хеХ

= и^Л'пЛ(*)лйй(>0= а л^г(х>= НаГЛ^М

хеХ

Вычисления по полученной формуле дают следующие результаты: g'(y)={<0.1/30>,<0.2/40>,<0.3/50>,<0.5/60>,<0.8/70>,<0.8/80>,<0.8/90>}.

Для определения конкретного численного значения, которое следовало бы использовать в качестве выходного управляющего параметра, воспользуемся методом определения центра тяжести области под кривой (ig^). Тогда значение у*, соответсвующее центру тяжести, будет значением выходного управляющего параметра:

ZxmsU)

■ У = -, w . Aft =У;~ У,-1-

i

Значение у*, рассчитанное по этой формуле, равно -70.

Проведен анализ методов получения экспертных оценок для систем принятия решений. На основе анализа различных методов построения функций принадлежности показана целесообразность определения в качестве рабочего метода парных сравнений. Построены функции принадлежности признаков, • характеризующих объект охраны: величина тока обтекания ( характеризует количество самостоятельных зон контроля, формируемых на объекте), текущее время, длительность импульса ( характеризует внешнее окружение объекта охраны ).

Результатом теоретического исследования настоящей главы является построение нечеткой теоретико-множественной ситуационной модели объекта и соответствующей ей системы выработки управляющих решений.

Все множество Л' эталонных нечетких ситуаций по охраняемому объекту, сформированных на основе экспертной информации, представлено в форме направленного графа и на этом графе определены возможные переходы из ситуации в ситуацию Эти переходы будут обусловлены выполнением управленческого решения Я. Алгоритм выбора решений на графе определяется перебором значений функций принадлежности принимаемых решений, которыми нагружены ребра графа. Принимаемое решение перехода из ситуации Л", в ф определяется максимальным значением функции принадлежности ребра г, = шах и5, - В результате диаграмма Хассе для множества эталонных ситуаций в

системе централизованной охраны имеет два уровня иерархии (рис.2). Таким образом, задача принятия решения сводится к распознаванию входной нечеткой ситуации ¿о, описывающей текущее состояние объекта управления и выдаче соответствующего ей управляющего решения из множества Я. Распознавание текущей нечеткой ситуации $0 производится по принципу "ближайшего соседа" в пространстве эталонных нечетких ситуаций путем направленного поиска ситуации ¿ч<е£ такой, что .?0 с и (У^е 5) (ф с 5,) -> <£ ЭД).

Каждой нечеткой ситуации е 5 ставится в соответствие управляющее решение И, е Я, где Я - множество управляющих решений, используемых для управления объектом, т.е. формируется некоторый набор продукций типа: " Если то Я;", где ^ - некоторая эталонная нечеткая ситуация, а К, -соответствующее управляющее воздействие.

Рис. 2. Диаграмма Хассе графа отношения эталонных ситуаций

В третьей главе рассмотрена структура вычислительного комплекса обработки нечеткой информации, состоящего из блока предварительной обработки информации, устанавливаемого на объекте и осуществляющего сбор информации от датчиков о состоянии охраняемого объекта; нечеткой модели управления (состоящей из блока оценки состояния, таймера, блока принятия решения, блока хранения эталонных ситуаций, блока выдачи управляющего воздействия и блока связи с верхним уровнем управления), предназначенной для обработки информации от охраняемых объектов и выработки управляющих

воздействий; .исполнительного механизма, предназначенного для отработки управляющих воздействий.

Рассмотрен алгоритм и временная диаграмма работы комплекса обработки нечеткой информации.

Вычислительный комплекс обработки нечеткой информации в системах охранной сигнализации реализован в виде системы передачи извещений, структура которого, предложенная автором, на уровне конкретных логических элементов представлена на рис.3. В состав системы передачи извещений включены:

• блок предварительной обработки информации вычислительного комплекса, реализованный как оконечные устройства 2.1 ...2.Ы.;

• нечеткая модель управления, представленная в виде устройства 3 трансляции, в которой:

♦ блок оценки состояния реализован как блок 7 обработки входной информации;

♦ блок принятия решений реализован как блок 8 принятия решений;

♦ блок хранения эталонных ситуаций реализован как блок 11 хранения эталонных ситуаций;

♦ блок выдачи управляющих решений реализован как блок 9 управляемых источников тока;

♦ блок связи с верхним уровнем управления реализован как блок 5 временной селекции и управления и блок 6 передачи извещений.

Кроме того, в состав системы передачи извещений включены диспетчерский пункт 1, блок 4 линейных комплектов и блок 10 памяти. Разработаны интерфейсные связи между указанными блоками и подготовлено соответствующее программное обеспечение для реализации системой передачи извещений нечетких вычислительных алгоритмов при охране объектов, что

позволило синтезировать в целом систему принятия решений по охранной сигнализации.

Рис.3, Система передачи извещений

Четвертая глава посвящена рассмотрению отдельных конструктивных элементов системы передачи извещений и реализации ею нечетких вычислительных алгоритмов при охране объектов. Для системы передачи извещений выполнено конструирование следующих аппаратных средств (см. рис.3.):

• оконечного устройства 2;

• блока 8 принятия решений;

• блока 9 управляемых источников тока;

• блока 11 хранения эталонных ситуаций.

Блок 4 линейных комплектов, блок 5 временной селекции и управления, блок 6 передачи извещений, блок 7 обработки входной информации и блок 10 памяти непосредственно не принимают участия в обработке нечеткой информации. Варианты их практической реализации рассмотрены в работах [5, 7, 8, 10]

Блок принятия решений в устройстве трансляции выполнен по схеме "универсальный процессор-нечеткий сопроцессор", что позволяет эффективно реализовать как традиционные "вычислительные" операции, так и специфические операции, характерные для нечетких алгоритмов.

На все предложенные конструктивные элементы системы передачи извещений получены свидетельства на полезные модели.

Приводятся временные диаграммы реализации системой передачи извещений алгоритма обработки нечеткой информации и принятия решений по ф объектам, охраняемым системой централизованной охраны.

Проведен анализ результатов работы системы передачи извещений в подразделениях вневедомственной охраны г. Воронежа и г. .Саратова. Опытная эксплуатация показала высокую эффективность предложенных технических решений и принципиально новых подходов к осуществлению централизованной охраны. Годовой экономический эффект составил 71,032 тысяч рублей или 22 тыс. рублей на каждые 100 номеров задействованной емкости.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

I. Для систем централизованной охраны построена нечеткая теоретико-множественная модель объекта принятия решений, позволяющая на базе

экспертных оценок выделить только те параметры, которые могут влиять на принимаемые решения-. Кроме того, модель связывает лингвистическую характеризацию объекта с количественными мерами. Введена метрика в пространстве^ нечетких множеств характеристик объекта _ и доказана теорема применимости на этой метрике операций нечеткой логики и правил вывода.

2. Построена эталонная ситуационная двухуровневая модель принятия решений перехода из ситуации в ситуацию Переход осуществляется на нечетком графе, ребра которого нагружены значениями функций принадлежности принимаемых решений.

3. Разработана структура вычислительного комплекса обработки нечеткой информации и принятия решений для систем централизованной охраны и выполнена его реализация в виде системы передачи извещений. Получено свидетельство на полезную модель на систему передачи извещений в целом.

4. Разработан алгоритм обработки нечеткой информации и принятия решений по объектам, охраняемым системой централизованной охраны, применение которого позволяет повысить качество охраны за счет широкого использования опыта квалифицированных экспертов, приближением хода рассуждений системы к действиям дежурного ПЦО с учетом большого числа трудно формализуемых факторов и зависимостей.

5. Разработаны отдельные конструктивные элементы системы передачи извещений с целью реализации ею нечетких вычислительных алгоритмов в системе охранной сигнализации: оконечное устройство, блок принятия решений, блока управляемых источников тока, блок хранения эталонных ситуаций. На все конструктивные элементы получены свидетельства на полезные модели.

6. Разработаны интерфейсные связи между указанными блоками, что позволило

■ синтезировать в целом систему принятия решений.

i 18

I 7. Система передачи извещений внедрена в деятельность подразделени

i

i вневедомственной охраны. Опытная эксплуатация показала высоку*

эффективность предложенных технических решений и принципиально новы подходов к осуществлению централизованной охраны. Годовой экономически) эффект составил 71,032 тысяч рублей или 22 тыс. рублей на каждые 101 номеров задействованной емкости.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ефремов Д.А., Слепцов А.Ф., Синегубов C.B. Проблемы повЫшенш информативности и достоверности в системах передачи тревожных извещение // Научно-практическая конференция ВВШ МВД: Тез. докл. науч.-практ. конф 28-29 мая 1996г. - Воронеж, Воронежская высшая школа МВД России,1996. ■ С.27-29.

2. Засыпкин A.B., Коротких В.Е., Слепцов А.Ф. Аппаратно-програм-мный комплекс для передачи тревожных извещений // Повышение помехоустойчивости систем технических средств охраны: Тез. докл. Всерос. конф. 14-17 ноября 1995г. - М.: Радио и связь,1995. - С.62-64.

3. Засыпкин A.B., Коротких В.Е., Слепцов А.Ф. О возможностях повышения информативности передаваемых извещений объектов охраны // Сборник научных трудов ВВШ МВД РФ. Вып.4.-Воронеж, Воронежская высшая школа МВД России, 1997. - С.49-52.

4. Засыпкин A.B., Коротких В.Е., Слепцов А.Ф. Создание программного обеспечения для аппаратно-программных комплексов передачи тревожных извещений // Повышение помехоустойчивости систем технических средств охраны: Тез. докл. Всерос. конф. 14-17 ноября 1995г. - М.: Радио и связь,1995г. -С.101-103.'

5. Засыпкин A.B., Певунов В.А., Слепцов А.Ф. Система охранной сигнализации. -______Свидетельство на полезную модель №4021, кл. G 08 В 25/00, 1997._______________

6. Засыпкин A.B., Слепцов А.Ф. Аппаратно-программный комплекс охраны с "ручной" тактикой управления // Сборник научных трудов ВВШ МВД РФ. Вып.2.-Воронеж, Воронежская высшая школа МВД России, 1995. - С.50-56.

7. Петров О.М., Засыпкин A.B., Слепцов А.Ф. Система охранной сигнализации. -Свидетельство на полезную модель № 6457, кл. G 08 В 25/00,1998.

8. Петров О.М., Засыпкин A.B., Слепцов А.Ф., Коротких В.Е., Шлычкова Л.В. Разработка аппаратно-программных средств повышения информативности и достоверности в системах охранной сигнализации: Отчет о выполнении ОКР. -Деп. в ВНТИЦ, инв. № 02970000808, 1997. -73 с.

9. Петров О.М., Засыпкин A.B., Слепцов А.Ф., Коротких В.Е., Шлычкова J1.B. Разработка аппаратно-программных средств повышения информативности и достоверности в системах охранной сигнализации // Аннотированный информационный бюллетень о научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах, проведенных в МВД РФ. - М.: НИИ специальной техники МВД РФ, 1997г. - С.27.

10. Слепцов А.Ф. Совершенствование систем передачи извещений как основа повышения эффективности деятельности подразделений вневедомственной охраны // Сборник научных трудов ВВШ МВД РФ. Вып.7. - Воронеж, Воронежская высшая школа МВД России, 1997.-С.142-146.

-.¿О--/-

ЛР № 020728 от 9.02.1998г., заказ 322, тираж 100 экз. Объем 1.18 п.л. Формат 60x84 1/16. Типография ВВШ МВД РФ.

ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

На правах рукописи

Слепцов Александр Федорович

РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ НА БАЗЕ НЕЧЕТКИХ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОЙ ОХРАНЫ

Специальность 05.13.11 Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов, систем и сетей

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Соруководитель: кандидат технических наук,

профессор Ашинянц Р.А.

ДИССЕРТАЦИЯ

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Москва 1998

/

СОДЕ РЖАН МЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ОБЪЕКТОВ И СРЕДСТВ ОХРАНЫ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМЫ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОЙ ОХРАНЫ 12

1.1. Анализ современных проблем функционирования систем централизованной охраны 12

1.2. Классификация множеств объектов охраны 18

1.3. Классификация методов построения систем принятия решений 25

1.4. Постановка задачи исследования 29 Выводы 31

2. ПОСТРОЕНИЕ НЕЧЕТКОЙ ТЕОРЕТИКО -МНОЖЕСТВЕННОЙ СИТУАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ОБЪЕКТА 32

2.1. Обоснование применения аппарата нечеткой логики

для управления объектом в реальном масштабе времени 32

2.2. Нечеткая ситуационная модель объекта принятая решений 37

2.3. Обобщение операций над нечеткими множествами 42

2.4. Методы получения экспертных оценок для систем принятия решений 51

2.5. Построение функций принадлежности признаков, характеризующих объект охраны 56

2.6. Формирование эталонных ситуаций 67

2.7. Алгоритм выработки управляющих решений 73 Выводы 76

3. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ОБРАБОТКИ НЕЧЕТКОЙ ИНФОРМАЦИИ 77

3.1. Структура и алгоритм работы вычислительного комплекса обработки нечеткой информации 77

3.2. Алгоритм функционирования вычислительного комплекса 82

33. Структура системы передачи извещений 88

Выводы 93 4. АППАРАТНО-ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ НЕЧЕТКИХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ АЛГОРИТМОВ

СИСТЕМОЙ ПЕРЕДАЧИ ИЗВЕЩЕНИЙ 94

4.1. Разработка аппаратных средств реализации нечетких вычислительных алгоритмов 94

4.2. Реализация алгоритма обработки нечеткой информации

в системе передачи извещений 112

4.3. Анализ результатов работы системы передачи извещений 124 Выводы 130

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 132

Литература 135

Приложения 146

ВВЕДЕНИЕ

Современные методы обработки информации используют новые математические аппараты, которые дают возможность учитывать неточность определения исходной информации, в том числе и неопределенность, и моделировать процессы современного мира (физические, социально-экономические и т.д.), которые традиционными, классическими методами не поддаются формализации. В равной мере это касается задач, решаемых в рамках службы вневедомственной охраны Министерства внутренних дел Российской Федерации.

Существующие до настоящего времени системы построены, в основном, на эмпирических знаниях и подвержены всевозможным влияниям внешней среды и случайным воздействиям, учет которых в рамках принятой модели практически невозможен. Это обуславливает значительную уязвимость тех систем, которые в настоящее время используются как базовые модели [30,72].

Вместе с тем, колосальный практический -л опыт и знания специалистов в этой области деятельности не до конца используется при разработке указанных систем в силу того, что функционирующие алгоритмы не способны учитывать многообразие знаний экспертов и множественность возможных значений параметров, которые влияют на качество охраны.

Точное описание предполагает один результат (одноточечное решение), в том числе и при использовании методов статистической обработки информации. Однако, многообразие возможных изменений параметров и ситуаций не может быть ограничено рамками одного традиционного теоретического построения.

Функционирование сложных систем обусловлено большим числом параметров, чаще всего взаимозависимых. Состояние такого

многопараметрического объекта (системы) определяется в каждый момент времени не одним конкретным значением, а множеством значений. И сложность обработки информации для таких объектов состоит в том, что однозначно предсказать какому состоянию должно соответствовать то или иное управляющее воздействие на объект для перевода его в приемлемое состояние невозможно. Поскольку так называемое приемлемое состояние (равно как и неприемлемое) характеризуется не одним конкретным числовым значением, а некоторой совокупностью значений, которые образуют множество. В такой ситуации качественная характеризация объекта или системы дает более высокие результаты и может оказаться реализуемой, по сравнению с традиционными методами исследований.

Следует сказать об относительности качественной характеризации объектов некоторой предметной области, поскольку аппаратом для исследования таких систем является получившая в последние десять лег мощное развитие теория нечетких множеств, нечеткого управления, нечеткой логики и т.д. В рамках этой теории решение задач, стоящих перед подразделениями вневедомственной охраны, получает совершенно новую интерпретацию и приводит к новым неожиданным положительным эффектам по сравнению с традиционными формами технических систем, применяемых в подразделениях вневедомственной охраны.

Однако, успешное решение задач с помощью этой теории требует создания новых средств обработки нечеткой информации, форм интерпретации высказываний в некоторую технически реализуемую логическую систему.

Первичная обработка входной нечеткой информации, очевидно, предполагает создание нечетких алгоритмов принятия решений, одного из важнейших компонентов деятельности подразделений вневедомственной охраны. Создание новых средств и в целом систем

принятия решений в нечеткой информационной среде, возможно, в рамках деятельности подразделений вневедомственной охраны, осуществляется впервые.

Основоположником теории нечеткого управления считают Л .Заде [25, 105, 106]. Большую роль в дальнейшем развитии его теории сыграли работы К. Асаи [5], Ж-Л.Лорьера [43], М.Исидзука [71], и др. В нашей стране это научное направление получило развитие в работах Д.А.Поспелова [31, 55, 69, 70], А.Н. Аверкина [1], А.Н. Мелихова [4754], А.Н. Борисова [12-14] и еще ряда авторов[3, 6, 16, 17, 44, 45, 60].

Поэтому нацеленность предмета исследования в настоящей диссертации является актуальным как в смысле технической реализации, так и в смысле внедрения в широкую практику подразделений охраны новейших достижений в области нечетких систем.

Целью работы является повышение эффективности систем централизованной охраны путем разработки инструментальных средств, обеспечивающих достижение более высокого уровня надежности и достоверности контроля состояния охраняемых объектов.

Исходя из данной цели, в работе решались следующие задачи:

1. Построение нечеткой теоретико-множественной модели системы принятия решений, включающей построение функции принадлежности таких параметров как величина тока обтекания, текущее время и длительность импульса.

2. Определение состояния объекта как множества ситуаций и отображение нечеткой модели объекта в нечеткую ситуационную модель.

3. Разработка структуры вычислительного комплекса обработки нечеткой информации и принятия решений для систем централизованной охраны и его реализация в виде системы передачи извещений.

4, Разработка алгоритма обработай нечеткой информации и принятия решении по объектам, охраняемым системой централизованном охраны.

5. Разработка отдельных конструктивных элементов системы передачи извещений и интерфейсных связей между ними с целью реализации ею нечетких вычислительных алгоритмов в системе охранной сигнализации. В частности:

♦ Разработка блока предварительной обработки информации.

♦ Разработка блока выдачи управляющего воздействия.

♦ Реализация нечеткой модели управления в виде устройства трансляции, включающей блок принятия решений, блок хранения эталонных ситуаций, блок обработки входной информации, блок временной селекции и управления, блок передачи извещений и блок памяти.

♦ Выполнение блока принятия решений в устройстве трансляции по схеме "универсальный процессор-нечеткий сопроцессор", что позволит эффективно реализовать как традиционные "вычислительные" операции, так и специфические операции, характерные для нечетких алгоритмов.

Методы исследования основаны на использовании теории нечетких множеств, нечеткого управления, нечеткой логики, компьютерных технологий.

Научная новизна основных результатов диссертационной работы: 1. Впервые для систем охранной сигнализации построена нечеткая модель системы передачи извещений. Введена метрика в пространстве нечетких множеств характеристик объекта и доказана теорема применимости на этой метрике операций нечеткой логики и правил вывода. Показано, что использование аппарата нечеткой логики в построении систем принятия решений дает более адекватное

знаниям эксперта решение, чем четкие алгоритмы, независящие от объективных неопределенностей.

2. Определено состояние охраняемого объекта как множества ситуаций и выполнено отображение нечеткой модели объекта в нечеткую ситуационную модель.

3. Разработана структура вычислительного комплекса обработки нечеткой информации и принятия решений для систем централизованной охраны и выполнена его реализация в виде системы передачи извещений.

4. Разработан и реализован в системе передачи извещений алгоритм обработки нечеткой информации и принятия решений по объектам, охраняемым системой централизованной охраны.

5. Разработаны отдельные конструктивные элементы системы и интерфейсные связи между ними, что позволило синтезировать в целом систему принятия решений. Разработаны:

♦ блок предварительной обработки информации.

♦ блок выдачи управляющего воздействия, реализованный как блок управляемых источников тока.

♦ устройство трансляции, включающее блок принятия решений, блок хранения эталонных ситуаций, блок обработки входной информации, блок временной селекции и управления, блок передачи извещений и блок памяти.

♦ блок принятия решений в устройстве трансляции, выполнен по схеме "универсальный процессор-нечеткий сопроцессор", что позволяет эффективно реализовывать как традиционные "вычислительные" операции, так и специфические операции, характерные для нечетких алгоритмов.

На все конструктивные элементы системы и систему передачи

извещений в целом получены свидетельства на полезные модели.

Практическая значимость работы. Предложенные в работе модели и алгоритмы положены в основу разработки системы передачи извещений для системы централизованной охраны, содержащей компоненты искусственного интеллекта, что позволило повысить качество охраны за счет широкого использования опыта квалифицированных экспертов, приближением хода рассуждений системы к действиям дежурного ПЦО с учетом большого числа трудно формализуемых факторов и зависимостей.

Разработанные алгоритмы и аппаратные средства могут найти свое применение по двум направлениям: во-первых, в научных исследованиях при разработке специализированных вычислительных комплексов обработки нечеткой информации для систем управления различными процессами в опытно-конструкторских бюро, научно-исследовательских и проекгных организациях; во-вторых, в автоматизированных системах управления сложными процессами, создание точных математических моделей которых затруднительно.

Использование результатов работы позволяет получить экономический эффект за счет повышения качества работы подразделений вневедомственной охраны по охране объектов и экономии материальных ресурсов.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы реализованы в процессе создания системы передачи извещений для централизованной охраны объектов, которая, в настоящее время, функционирует в подразделениях вневедомственной охраны г.Воронежа и г.Саратова, что подтверждается представленными актами внедрения. Годовой экономический эффект от использования указанной системы составляет 22 тыс. рублей на каждые 100 номеров задействованной емкости.

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на всероссийской конференции "Повышение

помехоустойчивости систем технических средств охраны" (Воронеж, 199.5г.), научно-практических конференциях в Воронежской высшей школе МВД России.

Публикации. По результатам исследований опубликовано В печатных работ, получено 2 свидетельства на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 106 наименований и содержит 145 страниц машинописного текста, 26 рисунков, 8 таблиц и приложения на 24 страницах.

Содержание работы. В первой главе приводится классификация множеств, определяющих рациональную организацию системы централизованной охраны. Осуществлено выделение признаков, определяющих логико - семантические связи элементов внутри этих множеств. Приводится сетевая структура построения многорубежной охраны. Проведен анализ технических средств систем централизованной охраны, методов построения систем принятия решений. Поставлены задачи исследования настоящей диссертации.

Во второй главе представлены теоретические основы построения системы принятия нечетких управляющих решений. На основе аппарата нечеткой логики показана возможность определения стратегии принятия решений. В пространстве нечетких множеств вводится метрика, позволяющая обосновать понятия логического нечеткого равенства, соответствия, включения. Показана обоснованность использования операций нечеткой логики в пространствах с введенной метрикой. На основе анализа различных методов построения функций принадлежности показана целесообразность определения в качестве рабочего метода парных сравнений. Результатом теоретического исследования настоящей главы является построение нечеткой теоретико-множественной ситуационной

модели объекта и соответствующей ей системы выработки управляющих решений.

В третьей главе рассмотрена структура вычислительного комплекса обработки нечеткой информации и алгоритм его функционирования. Рассматривается предложенная автором структура системы передачи извещений для реализации алгоритма обработки нечеткой информации в системах охранной сигнализации.

Четвертая глава посвящена рассмотрению отдельных конструктивных элементов системы передачи извещений и реализации ею нечетких вычислительных алгоритмов при охране объектов. Проведен анализ результатов работы системы передачи извещений.

В заключении формулируются основные научные и практические результаты диссертационного исследования.

Прилагается список используемых литературных источников.

В приложении приводятся классификация методов извлечения экспертных знаний и результаты построения функций принадлежности признаков, характеризующих состояние охраняемог о объекта.

глава 1. классификация объектов и средств охраны,

постановка ЗАДАЧИ совершенствования системы централизованной охраны

В настоящей главе приводится классификация множеств, определяющих рациональную организацию системы централизованной охраны. Осуществлено выделение признаков, определяющих логико -семантические связи элементов внутри этих множеств. Приводится сетевая структура построения многорубежной охраны. Проведен анализ технических средств систем централизованной охраны, методов построения систем принятия решений. Поставлены задачи исследования настоящей диссертации.

1.1. Анализ современных проблем функционирования систем

централизованной охраны

Надежная защита объекта охраны от преступных посягательств во многом определяется правильным выбором тактического варианта охраны для каждого конкретного объекта. Такой выбор включает1 в себя определение структуры охраны, выбор количества зон контроля и технических средств охранной сигнализации, размещение аппаратуры охранной сигнализации в среде объекта и наиболее эффективный способ подключения этих средств к системам централизованного наблюдения при органах милиции, а также своевременное и тактически грамотное реагирование сотрудников охраны на. соответствующие сигналы технических средств [18]. Для эффективного построения системы безопасности нережимных объектов, рассредоточенных на значительной территории, в состав системы централизованной охраны (рис. 1.1) включают следующие подсистемы: объектовые комплексы

Рис. 1.1. Система централизованной охраны

охранно-пожарной сигнализации, систему передачи извещений (СПИ), подсистему оперативного реагирования (дежурная смена пункта централизованной охраны и личный сос