Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
МегаЛекции

Общая характеристика работы

Разработка методов и алгоритмов решения

Управленческой задачи определения сил и средств

Для тушения пожаров в крупном городе

 

 

Управление в социальных и экономических системах

 

 

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание учёной степени

Кандидата технических наук

 

Москва2005

 

 

Работа выполнена в учебно-научном комплексе автоматизированных систем и информационных технологий Академии Государственной противопожарной службы МЧС России.

 

 

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор

Топольский Николай Григорьевич

 

Научный консультант: кандидат физико-математических наук

Прус Юрий Витальевич

 

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Членов Анатолий Николаевич

 

кандидат технических наук,

старший научный сотрудник

Миронов Яков Александрович

 

Ведущая организация: Санкт-Петербургский институт

ГПС МЧС России

 

 

Защита диссертации состоится 20 апреля 2005 г. в 1530 на заседании диссертационного совета Д 205.002.01 при Академии Государственной противопожарной службы МЧС России по адресу: 129366, Москва, ул. Бориса Галушкина, 4, зал совета.

 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии Государственной противопожарной службы МЧС России.

 

Автореферат разослан « _____­­­­ » марта 2005 г., исх. №

 

Отзыв на автореферат с заверенной подписью и печатью направить в Академию Государственной противопожарной службы по указанному адресу.

Телефон для справок: (095) 283-19-05.

 

Учёный секретарь

диссертационного совета С.Ю. Бутузов

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. При тушении пожаров в городских условиях пожарные сталкиваются с многочисленными трудностями, препятствующими ликвидации горения, к числу которых можно отнести увеличение числа высотных зданий и зданий повышенной этажности, увеличение площадей промышленных и гражданских объектов, широкое применение полимерных горючих материалов, увеличение транспортного потока в городах.

Данные обстоятельства требуют проведения целого комплекса мероприятий в целях повышения пожарной безопасности объектов, в том числе и повышения качества оперативного управления пожарными подразделениями для обеспечения рационального использования ограниченных ресурсов Государственной противопожарной службы (ГПС) и оптимизации деятельности всей системы пожарной охраны.

Применение информационных и коммуникационных технологий, позволяет значительно повысить качество оперативного управления пожарными подразделениями и дает возможность снизить субъективный фактор при принятии решений. Существует настоятельная необходимость ускоренного перехода от сложившихся традиционных методов управления к комплексному применению автоматизированных (человеко-машинных) систем управления. В связи с этим, требуется разработка систем поддержки принятия решений (СППР), позволяющих осуществлять более детальную подготовку решений на основе заранее разработанных рекомендаций высококвалифицированных специалистов.

Практическая значимость систем поддержки принятия решений (информационно-аналитических систем) в значительной степени зависит от эффективного взаимодействия постановщика проблемы и специалиста по предоставлению и систематизации необходимых данных, обрабатываемых компьютером. Это обусловливает целесообразность создания методов решения управленческих задач, обеспечивающих автоматизированную выработку рекомендаций для лица, принимающего решение.

Цель работы: разработка методов и алгоритмов решения управленческой задачи по определению необходимых сил и средств для тушения пожаров в крупных городах, обеспечивающих полноту выявления и учета возможных ситуаций, позволяющих повысить обоснованность и эффективность решений, принимаемых руководителями оперативных пожарных подразделений и уменьшающих субъективный характер принятия решений.

Основные задачи работы:

- исследование проблемы принятия управленческих решений руководителями пожарных подразделений при тушении пожаров;

- обоснование необходимости применения систем поддержки принятия решений в управлении пожарными подразделениями при тушении пожаров в крупных городах;

- разработка методов и алгоритмов решения задачи определения ранга пожара для различных объектов;

- разработка метода определения компетентности экспертов;

- создание комплекса программных средств, составляющих основу системы поддержки принятия решений по определению ранга пожара;

- выявление особенностей использования систем поддержки принятия решений по определению ранга пожара;

- экспериментальная проверка методов решения задачи определения ранга пожара.

Объект исследования – системы поддержки принятия управленческих решений при оперативном управлении пожарными подразделениями.

Предмет исследования – методы определения ранга пожара с применением систем поддержки принятия управленческих решений.

Методы исследования, применяемые в работе, базируются на системном подходе, теории управления и принятия решений, методах экспертной классификации, теории нечётких множеств, методе построения диаграмм состояния исследуемого объекта в многомерном пространстве его параметров.

Научная новизна полученных результатов заключается в том, что в диссертации впервые научно обоснованы и разработаны:

- алгоритм решения задачи определения ранга пожара, на основе которого построена математическая модель, позволяющие формализовать параметры, влияющие на определения ранга пожара с учетом их значимости.

- метод и алгоритм решения задачи определения ранга пожарана основе математического аппарата теории нечетких множеств, обеспечивающий полноту выявления и учета возможных ситуаций;

- метод и алгоритм решения задачи определения ранга пожара, основанный на построении диаграмм состояния исследуемого объекта в многомерном пространстве его параметров, позволяющий учитывать влияние всей совокупности параметров на ранг пожара;

- метод определения компетентности экспертов, участвующих в построении системы поддержки принятия решений по определению ранга пожара, основанный на априорных и тестовых способах оценки уровня квалификации эксперта, позволяющий повысить уровень достоверности информации, получаемой от экспертов.

Обоснованность и достоверность полученных результа­тов обеспечивается применением апробированного математического аппарата, а также экспериментальной проверкой разработанных математических моделей определения ранга пожара.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- данные исследования позволили выработать новые подходы к разработке информационно-советующих систем поддержки принятия управленческих решений при оперативном управлении пожарными подразделениями;

- в работе показана эффективность применения математического аппарата теории нечетких множеств, экспертной классификации, методов построения диаграмм состояния исследуемого объекта в многомерном пространстве его параметров для решения задачи определения ранга пожара;

- применение разработанных математических моделей по определению ранга пожара позволяет повысить обоснованность принятия решений, а также оперативность управления пожарными подразделениями за счет сокращения времени на принятие решений.

Системы поддержки принятия решений по определению ранга пожара, построенные на основе разработанных методов и алгоритмов, могут применяться руководителями оперативных пожарных подразделений для решения следующих типов управленческих задач:

1. Оценка текущего состояния пожара и динамики его развития. Системы предоставляют руководителям оперативных подразделений и диспетчеру центра управления силами возможность в любой момент времени определить необходимый состав сил и средств на основе оперативной информа­ции, источником которой являются данные разведки пожара.

2. Сравнительный анализ эффективности деятельности руководителей пожарных подразделений на различных пожарах. При наличии соответствующей информации системы поддержки принятия решений позволяют про­вести сравнительный анализ принятых руководящим составом решений по определению необходимых сил и средств, а также позволяют оценить принятие оп­ределённого варианта управленческого решения на пожарно-тактических учениях и занятиях.

3. Разработка документов предварительного планирования боевых действий пожарных подразделений. Системы поддержки принятия решений позволяют разрабатывать планы пожаротушения для крупных объектов, которыеспособствуют организации мероприятий по заблаговре­менной подготовке сил и средств к действиям в условиях пожара.

Внедрение результатов исследования. Результаты исследования внедрены в практическую деятельность Управления государственной противопожарной службы ГУ ГОЧС Ростовской области, использованы в учебном процессе по дисциплине «Информационные технологии управления» в Академии ГПС МЧС России, в научных исследованиях в Федеральном центре науки и высоких технологий ВНИИ ГОЧС МЧС России при разработке методических рекомендаций по созданию структурированной системы мониторинга и управления инженерными системами потенциально опасных объектов, зданий и сооружений, а также при разработке «Концепции совершенствования автоматизированной системы пожарной безопасности на объектах культурно-зрелищного назначения», предусмотренной Единым тематическим планом НИОКР МЧС России на 2004 год, часть 2 (П. АкГПС. Д. 02.2004 «Культура», раздел 3, п. 3.4.13).

Внедрение результатов диссертационной работы подтверждается соответствующими актами.

На защиту выносятся:

- алгоритм решения задачи определения ранга пожара на основе метода экспертной классификации;

- метод и алгоритм решения задачи определения ранга пожара на основе математического аппарата теории нечетких множеств;

- метод и алгоритм решения задачи определения ранга пожара, основанный на построении диаграмм состояния исследуемого объекта в многомерном пространстве его параметров;

- метод определения компетентности экспертов, участвующих в построении системы поддержки принятия решений по определению ранга пожара;

- алгоритм определения состава экспертной комиссии.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на семинарах в учебно-научном комплексе автоматизированных систем и информационных технологий Академии Государственной противопожарной службы МЧС России, а также на международных и всероссийских конферен­циях: 11-й, 12-й и 13-й международных конференциях «Системы безопасности» (Москва - 2002, 2003, 2004); международной научно-технической конференции «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию» (Москва - 2003); 8-м и 9-м международных форумах «Технологии безопасности» (Москва - 2003, 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, 5 в соавторстве и 4 самостоятельно.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 186страниц: 135 страниц основного текста, включающего 15 рисунков, 8 таблиц; список литературы из 135 наименований на 12 страницах и 4 приложения на 38 страницах.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Проблемы принятия управленческих решений руководителями оперативных подразделений при тушении пожаров в крупных городах» обобщены аналитические материалы по тушению пожаров, управленческие доку­менты ГПС МЧС России, а также многочисленные научные источники и сделан вывод, что одним из направлений совершенствования оперативного управления пожарными подразделе­ниями является совершенствование системы обработки информации и информационно-аналитической работы как необходимых предпосылок выработки и принятия научно обоснованных эффективных управленческих решений в связи с тем, чторуководители тушения пожаров испытывают серьезные затруднения в принятии оптимальных управленческих решений, сталкиваясь с необходимостью решения многокритериальных задач с противоречивыми целями.

Потребность в надежных и точных методах оперативного управления пожарными подразделениями осо­бенно проявляется при возникновении круп­ных пожаров, производственных аварий и т.д. Круг неотложных задач в такой обстановке суще­ственно возрастает, условия их решения непрерывно усложняются. Эффективное управление боевыми действиями на пожаре позволяет сократить время его локализации, обеспечить быструю ликвидацию и уменьшить размеры ущерба.

Проведен анализ задач оперативного управления пожарными подразделениями, решаемых с помощью информационных систем поддержки принятия решений и выявлено, что некоторые задачи в области оперативного управления пожарными подразделениями остаются нерешенными. К их числу можно отнести задачу определения ранга пожара, т. е. установление количественного и качественного состава сил и средств, необходимых для тушения пожара.

Предложено построить систему поддержки принятия решений по определению ранга пожара, основанную на использовании знаний руководителей тушения пожара, имеющих большой опыт ликвидации аналогичных пожаров. Использование данной системы позволит снизить вероятность ошибок руководителей оперативных пожарных подразделений при определении ранга пожара, а также сократить время на принятие управленческих решений.

Во второй главе «Общая методика построения модели решения задачи определения ранга пожара» показано, что при определении необходимых сил и средств руководителем тушения пожара учитывается множество факторов, характеризующих складывающуюся обстановку на горящем объекте. Эти факторы для различных групп объектов имеют некоторые отличия.

Проведен анализ оперативно-тактической характеристики объектов (на примере административных и жилых зданий, т. к. на этих объектах наблюдается наибольшее число пожаров и число погибших) и выявлены основные факторы, влияющие на установление ранга пожара.

Задачу определения ранга пожара предложено решать методом «качественных» экспертных оценок. На основе сравнительного анализа существующих методов «качественных» экспертных оценок показано, что при получении оценок экспертов для формализации факторов (параметров), влияющих на установление ранга пожара целесообразно применять метод экспертной классификации.

Основная задача экспертной классификации в работе формулируется следующим образом.

Вводятся множества:

- множество Р = { Р 1, …, Рl, …, PL } независимых свойств (рангов пожара), которыми может обладать объект классификации (горящее здание), L – число рангов;

- множество Q = { Q 1, …, Q m,..., QΜ } параметров, характеризующих с различных сторон объект классификации, M – число этих параметров;

- множество Vm = возможных значений Q m -го параметра, Nm - число этих значений;

- множество А = V 1´ …´ Vm ´ … ´ Vm всех гипотетически возможных состояний объекта классификации, число которых равно произведению чисел значений всех параметров N 1´ …´ Nm ´ … ´ Nm, при этом каждое состояние определяется набором из M значений параметров и характеризуется вектором ,где , и .

В общем случае требуется на основе знаний эксперта классифицировать все векторасостояния объекта , отнеся каждый из них к одному или нескольким классам решений.

Для построения математической модели определения ранга пожара предлагается следующая методика. При распределении векторов состояния объекта по их принадлежности к определенным классам (рангам пожара), в процессе получения информации от эксперта используется гипотеза о различной характерности значений параметров по отношению к каждому из рангов, согласно которой эксперт может упорядочить все значения каждого параметра Q m по их характерности для всех рангов пожара , при этом данное упорядочение не зависит от других параметров.

На первом этапе экспертам предлагается заполнить таблицу, которая в соответствии с нашим примером будет выглядеть как таблица 1. В этой таблице предлагается проставлять оценки , принимающие дискретные значения от «1» до «5».

Для учета важности параметров при оценивании объекта нами предлагается ввести весовые коэффициенты a m, пропорциональные вкладу соответствующих параметров в оценку объекта, расчет которых осуществляется на основе метода парных сравнений.

На следующем этапе заполняется таблица характерности векторов состояний объекта для каждого ранга пожара (табл. 2).

Таблица 1

.Значения параметров по отношению к рангам пожара

 

 

Таблица 2

Характерность векторов состояния объекта для каждого ранга

 
P1
Рl
РL
Pl : (xl→max)

 

Предложена следующая методика по заполнению этой таблицы.

Для всех рангов по каждому вектору состояния объекта ,где , вычисляется - сумма произведений весовых коэффициентов a m на соответствующие им значения оценок параметров :

(1)

Полученное множество , соответствующее произвольному рангу Pl, число элементов которого равно произведению чисел N 1´ …´ Nm ´ … ´ Nm значений всех параметров ,упорядочивается по убыванию суммы (1). Состояния с большими считаются более характерными для Рl. Далее, каждому состоянию, в соответствии с полученным упорядоченным рядом присваивается порядковый номер K. Порядковый номер, равный единице, соответствует наиболее характерному состоянию для свойства Рl. Эта процедура (установление порядковых номеров) проделывается для всех ,и на основе данной классификации определяется принадлежность рассматриваемого вектора состояния , т. е. ранг Рl, к которому он относится.

Построенная математическая модель для решения задачи определения ранга пожара, позволяет формализовать любые параметры, независимо от их количества. Предложенный алгоритм решения задачи можно применять для определения ранга пожара на различных объектах.

В третьей главе «Экспертные модели по определению ранга пожара, основанные на теории нечетких множеств» предложены альтернативные методы решения данной задачи, основанные на использовании математического аппарата теории нечетких множеств.

Приведены основные понятия теории нечетких множеств, а также некоторые положения и определения, которые будут использованы в дальнейшем при построении моделей определения ранга пожара.

Предложен метод и построена модель решения задачи определения ранга пожара на основе математического аппарата теории нечетких множеств.

Для построения экспертной модели классификации объекта предложен следующий алгоритм.

Построение модели начинается с определения экспертами совокупности параметров Q = { Q 1, …, Q m,..., QΜ }, влияющих на установление ранга пожара Pl.

Далее, для учета важности параметров при оценивании объекта, каждому из них сопоставляется весовой коэффициент a m, пропорциональный вкладу параметра Q m в оценку состояния объекта, т. е.определяются степени влияния рассматриваемых параметров на ранг пожара Pl.

После определения весовых коэффициентов a m, для каждого параметра Qm определяется совокупность значений лингвистической переменной - ранга пожара P = { P 1, …, Pl, …, PL }, применяемой для оценки объекта.

На следующем этапе, диапазон значений каждого параметра Q m, характеризующего объект, делится на L классов значений. При этом l -му классу ставится в соответствие значение лингвистической переменной, определяемой функцией принадлежности mml, т.е. присваиваются значения лингвистической переменной по каждому параметру Q m и для каждого ранга пожара .

Показано, что наиболее удобной формой функции принадлежности, отражающей размытость границ оценки и позволяющей выявить всю полноту свойств объекта классификации, является трапециевидная. Горизонтальная часть (верхнее основание) трапеции характеризует стопроцентную принадлежность объекта l -ой оценки по m -му параметру, а наклонные части (ребра) трапеции характеризуют степень принадлежности объекта классификации к двум смежным оценкам (рангам пожара) с различной возможностью.

Далее, задаётся решающее правило классификации, позволяющее установить меру принадлежности объекта l -му классу. В качестве решающего правила предложено использовать алгебраическую сумму функций принадлежности mml по всем параметрам. Для учета вклада m- гопараметра, , в оценку объекта функция mml умножается на соответствующий весовой коэффициент a m. Правило классификации имеет следующий вид:

. (2)

Для каждого ранга находятся значения функций принадлежности параметров , влияющих на установление ранга пожара, т.е. для l -й оценки по m- му параметру вычисляется значение функции mml. С учетом линейности трапециевидной формы, функция mml определяется следующим образом:

. (3)

Здесь qmn, m mn, qmk, m mk – начальные и конечные значения параметра Q m и функции mml для l- го интервала. На границах интервала функция принимает значения: «0», либо «1».

Рис. 2. Области размытости функции mml трапециевидной формы

 

На заключительном этапе вычисляются суммарные значения оценок параметров для каждого ранга Pl согласно (2).После сравнения полученных значений arg (Pl) находится максимум (arg (Pl) ® max), на основании чего делается вывод о принадлежности совокупности признаков к определенному рангу Pl.

При необходимости производится соответствующая корректировка весовых коэффициентов a m и шкалыфункций принадлежности, с целью того, чтобы добиться наибольшего совпадения расчетных значений ранга пожара с реальными.

Применение данного метода, основанного на использовании математического аппарата теории нечётких мно­жеств позволяет повысить точность решения задачи определения ранга пожара, поскольку учитывается расплывчатость границ между смежными рангами пожара. При этом количество терм-множеств, на основе которых строятся математические модели для определения ранга пожара, неограниченно, так как увеличение их числа не вызывает у экспертов и специалистов из аналитической группы существенных затруднений.

Предложена модификация рассмотренного выше метода определения ранга пожара, основанная на построении и исследовании диаграмм состояния объекта в многомерном пространстве его параметров.

Проведено обобщение понятия функции принадлежности µml, и сделан вывод о возможности задания многомерных функций принадлежности µl (q 1, … qm, …, qM) от всей совокупности параметров , влияющих на установление ранга пожара в многомерном пространстве – «пространстве состояний X +Y» (размерности m + n), где m - число учитываемых параметров (обозначим их совокупность как подпространство X), а n - число рассматриваемых свойств (обозначим их совокупность как подпространство Y). В нашей модели мы ограничиваемся рассмотрением одного свойства – ранг пожара, поэтому подпространство Y имеет размерность n = 1.

Состояние объекта определяется вектором в пространстве параметров, характеризующих ранг пожара (подпространство X). Это пространствосостоит из областей, соответствующих различным рангам пожара, разделенных между собой поверхностями раздела рангов σc ( i-j ) (i, j – ранги пожара) при пересечении которых происходит изменение ранга пожара.

Пространство X вместе с совокупностью всех σc ( i-j )(i,j- ранги пожара) называется диаграммой состояния системы.

В этой модели задача определения ранга пожара сводится к построению поверхности раздела рангов σc ( i-j ) в многомерном пространстве X.

Для построения поверхности раздела σc ( i-j ) задается условие перехода:

µi (q 1, … qm, …, qM) = µj (q 1, … qm, …, qM) (4)

от ранга Pi к рангу Pj, которое находится из решения системы линейных уравнений:

, (5)

т.е. поверхность раздела σc ( i-j ) определяется как множество точек равенства значений функций принадлежности.

Для построения диаграмм состояния объекта с учетом всей совокупности параметров используются одномерные функции принадлежности µml. При этом учитывается то обстоятельство, что «истинные» одномерные функции принадлежности имеют непрерывную производную от параметра и должны удовлетворять условию непрерывности градиента в пространстве X. Отсюда можно определить еще одно дополнительное условие - требование перпендикулярности вектора grad µi (q 1, … qm, …, qM) к поверхности σc ( i-j )при построении поверхностей раздела рангов.

При построении поверхностей раздела рангов σc ( i-j ) используется квадратичное приближение, в котором они представляются m – мерными эллипсоидальными поверхностями в пространстве параметров X. При построении диаграмм состояния исследуемого объекта и определении ранга пожара учитывается влияние коэффициентов a m, характеризующих «относительную значимость» параметров Qm.

Из уравнений, задающих поверхности эллипсоидов получены неравенства, определяющие принадлежность векторов состояния к областям с различным рангом, а также уравнение, задающее граничную поверхность, разделяющую эти области. Эти выражения фактически являются численными критериями, определяющими ранг пожара. Система неравенств:

(6)

определяет состояния, однозначно относящиеся к I рангу (где ami = OAmi, точки Ami на графиках одномерных функций принадлежности µmi определяют нижнюю границу состояния, однозначно относящегося к I рангу, точка O – начало координат; bmi = OBmi, точки Bmi на графиках одномерных функций принадлежности µmi определяют верхнюю границу состояния, однозначно относящегося к I рангу). Уравнение:

(7)

определяет условную границу перехода от ранга I к рангу J, т.е. поверхность σc(i-j), разделяющую области I и J в пространстве параметров X. Значения cm(i-j) определяется согласно условию перехода (4), из решения системы уравнений (5).

Данный метод решения задачи по определению ранга пожара, основанный на построении диаграмм состояния исследуемого объекта в многомерном пространстве его параметров даёт возможность наглядного графического представления о принадлежности текущего состояния объекта (горящего здания) к определяемым в решаемой задаче областям (рангам пожара) и о динамике развития пожара.

В нашей модели мы ограничиваемся рассмотрением одного свойства – ранг пожара, однако следует подчеркнуть, чтона основе данного метода можно построить более сложные модели для решения задач по одновременному определению, нескольких свойств исследуемого объекта.

В четвертой главе «Особенности использования систем поддержки принятия управленческих решений по определению ранга пожара» обсуждены основные аспекты использования систем поддержки принятия управленческих решений по определению ранга пожара.

Рассмотрены основные проблемы экспертного оценивания объекта и сформулированы требования, выполнение которых обеспечивает качественное проведение экспертизы.

Проведен сравнительный анализ методов определения компетентности экспертов, на основе которого разработан альтернативный метод определения компетентности экспертов. Уровень квалификации эксперта, предложено определять, используя априорные и тестовые методы оценки компетентность эксперта, на основе двух критериев: степени осведомленности по рассматриваемой проблеме и уровнем его квалификации с точки зрения экспертов, работающих с ним в одной комиссии.

Исходной информацией для определения компетентности экспертов в данном методе являются заполненные самими экспертами две специальные анкеты. Первая анкета содержит вопросы, определяющие профессиональные знания эксперта по данной проблеме, т. е. выявляются их знания особенностей тушения пожаров на определенной группе объек

Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...