microbik.ru
1 2 ... 5 6



На правах рукописи


Евграфов Павел Михайлович



МЕТОДОЛОГИЯ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ В ОСОБО СЛОЖНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ УСЛОВИЯХ КРИТИЧЕСКИ ВАЖНЫХ ОБЪЕКТОВ
05.13.01 – системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук


Санкт-Петербург - 2011

Работа выполнена в Санкт-Петербургском университете Государственной
противопожарной службы МЧС России



Научный консультант

доктор технических наук, профессор

Шарапов Владимир Сергеевич


Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор

Иванов Александр Юрьевич;

доктор технических наук, профессор

Куватов Валерий Ильич;

доктор технических наук, профессор

Примакин Алексей Иванович


Ведущая организация

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет




Защита состоится 29 марта 2012 года в 12 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 205.003.04 при Санкт-Петербургском университете Государственной противопожарной службы МЧС России по адресу: 196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, д. 149.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России.

Автореферат разослан « » ___________ 2011 года

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор С.В. Шарапов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования

Процесс выработки ответственных и сложных решений в процессе управления силами и средствами МЧС России характеризуется временными параметрами, содержит ряд этапов выработки и принятия частных решений. На каждом этапе осуществляется своя процедура выбора альтернативных частных решений. Поэтому, можно говорить о квази-непрерывном процессе принятия решений. Учитывая, что в СППР окончательное принятие решений (выбор альтернативы) принадлежит ЛПР, то ППР может осуществляться в форме представления ЛПР возможных альтернатив, формирования альтернатив или их частей, пояснения смысла альтернатив, представления ЛПР информации, каким-либо образом помогающей ему принять решение. В целом ППР понимается как комплекс технических математических, программных и организационных мероприятий, служащий интеллектуальному наполнению ЛПР информацией для принятия решений и повышающий его информационные интеллектуальные возможности.

С информационных позиций ЧС, в большой или меньшей степени, можно характеризовать особо сложными информационными условиями (ОСИУ) принятия решения, под которыми понимается наличие хотя бы одного из следующих факторов: 1) недостаточности и недостоверности информации, 2) влияния негативного «человеческого фактора», выражающегося в субъективности оценивания, а также – в «психологическом факторе», 3) сочетания ограничений по времени, чрезвычайной быстротечности и информационной насыщенности протекающих процессов.

Из всей области ЧС наиболее актуальна область пожарной безопасности (ПБ), дающая более 90% вклада в негативную статистику ЧС.

Действия при пожаре имеют сложный характер: тушение, эвакуация и спасение людей, эвакуация материальных ценностей, различные специальные мероприятия технического и организационного характера. Универсальных моделей развития пожара и действий во времени пожара не существует, есть только несложные модели инженерного, ориентировочного характера по оценке развития пожара и расчёта сил и средств для тушения, отдельные требования и рекомендации. По этой причине, создание действенной экспертной системы, охватывающей все стадии развития пожара и все соответствующие действия, невозможно. Но, даже, если бы и существовали необходимые модели в составе СППР, то применить их на пожаре в режиме реального времени из-за быстротечности протекающих процессов, качественности и неструктурированности поступающей информации, из-за постоянной подвижности ЛПР, оказания на него сильного влияния окружающей обстановки, также не представляется возможным.

В проблеме оказания ППР действиям при пожаре в зданиях и сооружениях можно выделить две во многом схожих, но всё-таки разных проблемы, требующих разработки отдельных СППР: проблема ППР пожарным подразделениям МЧС, и в виде «острия» - проблему ППР действиям при пожаре сотрудников различных организаций.

Пожарная охрана МЧС России проводит планирование по наиболее опасным объектам, заключающееся в моделировании наиболее тяжёлого сценария развития пожара, в расчёте и расстановке сил и средств. Вероятность наступления именно такого сценария крайне низка, планирование не содержит детального моделирования действий пожарных подразделений, и на практике показало свою низкую эффективность. Это требует смены парадигмы планирования.

Принятие решений сотрудниками объектов при пожаре характеризуется крайним сосредоточением всех факторов ОСИУ. Особая острота проблемы обусловлена чрезвычайной значимостью проведения действий, связанных с пожаром, на его начальной стадии; обязанностью для объектов, закреплённой законодательно, проводить конкретные разнообразные действия при пожаре до прибытия пожарной охраны, планировать возникновение ЧС и соответствующие мероприятия по их ликвидации, обучать своих сотрудников приёмам безопасной работы; крайне тяжёлым «психологическим фактором»; пробелами и недостатками законодательства о пожарной безопасности (ПБ) в части организации действий при пожаре; ответственностью для организаций и их сотрудников за последствия при неверных действиях или бездействии, вплоть до уголовной, при практическом отсутствии качественной информационной базы для проведения подобной работы.

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

Взгляд на ЧС с информационных позиций, как на область ОСИУ принятия решений, естественным образом приводит к необходимости разработки методологических основ создания СППР, обеспечивающих эффективную деятельность различных категорий задействованных лиц.

Важнейшей частью задачи по разработке СППР является разработка методов и моделей описания решений задач управления и принятия решений, критериев и моделей оценивания решений. Такие модели являются ядром математического аппарата СППР. Традиционным является описание (представление и оценивание) решения с помощью чётких и непротиворечивых моделей свойств объекта предметной области. Но данный подход не учитывает «неидеальности» информационного поля принятия решений и не учитывает информационных особенностей ЛПР. Особую проблему, проистекающую не только из слабоструктурированности решения, но также из качественной несравнимости ценностей отдельных частей решения, представляет численное оценивание решений в области ЧС. Требуются универсальные методы объективного оценивания сложных решений и их частей вне численных оценок их уникальных и несопоставимых потребительских ценностей, но известные методы оценивания не обладают желаемой функциональностью и объективностью.

Проблемам принятия решения в разнообразных формах посвящена многочисленная литература. Известны работы следующих авторов: Eom S.B., Ginzberg M.J., Stohr E. A., Simon H.A., Т. Саати, Э. Науман, П. Фишберн, Д. Уотермен, Д. Джарратано и Г. Райли, а также, других зарубежных авторов. Среди отечественных авторов наиболее масштабно этой проблематикой занимались: Трахтенгерц Э.А., Ларичев О.И. и иные учёные. В силу сложности рассматриваемых задач, многие аспекты проблемы поддержки и принятия решений остаются ещё изученными не полностью, а известные методы ППР не всегда применимы по причине узости специализации и не всегда удовлетворяют требованиям объективности описания решений и оценивания их эффективности.

В области оказания поддержки и принятия решений при ЧС известны работы авторов: Артамонов В.С., Тетерин И.М., Брушлинский Н.Н, Топольский Н.Г., Мешалкин Е.А., Ноженкова Л.Ф., Геловани В.А., Ямалов И.У. и другие авторы. Проведённый анализ не выявил наличия универсальных методов и систем, способных эффективно поддерживать принятие решений в интересующем нас классе задач. Известные решения в области ЧС либо предназначены для оказания ППР при относительно медленных процессах объекта (лесные, торфяные пожары, радиоактивное, химическое и бактериологическое заражения), либо они решают ограниченные частные задачи моделирования и планирования без общего системного подхода оказания ППР для различных ситуаций, характерных наличием ОСИУ. Некоторые методы ППР для ЧС абстрагируются от конкретного объекта ЧС, каждый из которых весьма специфичен. Это, либо требует для их применения специалистами в конкретных видах ЧС дополнительных серьёзных интеллектуальных усилий, не характерных для них, препятствуя внедрению таких СППР, либо предопределяет возможность использования СППР только на стадии сосредоточения заданных необходимых сил и средств для ликвидации ЧС и их последствий, не оказывая поддержки решению на стадии воздействия на объект ЧС. В отношении пожаров на объектах в соответствующих СППР распространена тенденция управления силами и средствами с удалением ЛПР от места пожара (т.н. АРМ «Диспетчер», АРМ «Гарнизон»), что снижает оперативность и детальность управления. Также известные СППР слабо учитывают информационные возможности ЛПР и «неидеальность» информации.

Информационные возможности ЛПР определяются его психо-физиологическими и интеллектуальными возможностями, которые в немалой степени зависят от знаний, умений и навыков ЛПР, формируемых в ходе процесса обучения различных форм и родственных ему процессов, включая самообразование и непосредственно практическую работу. Отметим, что практика включения в состав СППР учебного блока, с помощью которого можно добиваться большего или меньшего увеличения информационных возможностей ЛПР, в зависимости от эффективности реализованного учебного процесса, не нова. Самым ценным для ЛПР и наиболее проблемным аспектом использования методов компьютерного обучения (МКО) в области ЧС стоит, по-видимому, признать развитие творческих возможностей ЛПР. При этом надо исходить из того, что максимального интеллектуального и творческого развития можно добиться решением сложных, новых профессиональных задач. При таком подходе, процесс обучения моделирует процесс принятия профессиональных решений, что даёт возможность распространения некоторых теоретических положений к разработке СППР и МКО одновременно. Наибольший учебный эффект в профессиональной подготовке могли бы дать активные МКО (деловые игры и ситуационный анализ), однако из-за нерешённости многих проблем компьютерного представления информации, объективности оценивания знаний, высокой трудоёмкости, принижения общественной значимости обучения вообще, данное направление не получило развития.

Достижение системности в разработке эффективных СППР для области ЧС видится в учёте: факторов, характеризующих специфику ОСИУ, принципиального различия информационных возможностей человека (ЛПР) и компьютера, особенностей предметной области принятия решений, как для ЧС в целом, так и для отдельных видов ЧС, для которых предназначена конкретная СППР;

в использовании знаний о методах и средствах организации эффективного учебного процесса, знаний о психологических аспектах принятия решений в области ЧС.

Таким образом, научной проблемой, отражающей насущные потребности совершенствования процессов управления силами и средствами МЧС России является разработка концепции, структуры, алгоритмов функционирования СППР в ОСИУ, методов и моделей описания и решения задач управления и принятия решений, критериев оценивания решений.

Наличие существенных потерь, вызванных ошибками оперативного управления ЛПР, во время различного рода ЧС, несовершенство используемых средств и методов ППР и недостаточность системной проработки научной проблемы, делает задачу разработки теоретических основ построения человеко-машинных СППР для подразделений МЧС России, обеспечивающих повышение качества принимаемых решений, актуальной.

Цель диссертационного исследования - состоит в решении научной проблемы, заключающейся в разработке концепции построения и применения СППР, обеспечивающих повышение эффективности процессов управления силами и средствами МЧС России в ОСИУ чрезвычайных ситуаций

Объектом исследования являются средства и системы поддержки принятия управленческих решений.

Предметом исследования закономерности, модели и методы построения СППР в ОСИУ и их применение в процессах управления МЧС России.

Декомпозиция научной проблемы привела к необходимости постановки и решения следующих научных задач:

  1. исследование необходимости и возможности реализации СППР в интересах повышения эффективности функционирования СУ МЧС;

  2. разработка основ теории построения и применения СППР в ОИУС;

  3. разработка моделей и методов анализа и синтеза СППР;

  4. разработка моделей, методов и алгоритмов динамического управления в ОСИУ;

  5. разработка методики оценки эффективности СППР в ОСИУ;

  6. формирование научно-обоснованных рекомендаций по применению СППР в ОСИУ.

Методы исследования включают системный анализ, методы информатики, теории множеств, теории вероятностей, теории управления и принятия решений, методы экспертного анализа, теории систем, теории случайных процессов, теории эффективности.

Результатами диссертационного исследования, полученными автором лично и выносимыми на защиту в форме научных положений, определяющих методологические основы организации СППР в ОСИУ, являются следующие:

  1. Концепция СППР в ОСИУ, включающая в себя систему понятий, концептуальную модель и систему показателей эффективности, позволяющую сформировать общую методологию решения научной проблемы.

  2. Модели и методы анализа и синтеза СППР в ОСИУ, обеспечивающие выбор оптимального варианта стратегии управления силами и средствами МЧС с учётом информационных особенностей ЧС и человека.

  3. Общая структура СППР в ОСИУ и соответствующие ей алгоритмы ППР.

  4. Модель и методы динамического формирования информационных ресурсов СППР для подразделений МЧС России и сотрудников ПОО.

  5. Научно-практические предложения по построению и применению СППР в ОСИУ, позволяющая оценивать эффективность применения таких систем в аспекте выполнения предъявленных к ним требований и с позиций обеспечения результативности СУ МЧС России.

Научная новизна работы:

1. Впервые системно сформулирована задача разработки СППР ОСИУ, показана её актуальность, разработана концепция СППР в ОСИУ, на содержательном уровне определяющая цели, функции и показатели их эффективности, позволяющая исследовать закономерности организации СППР в ОСИУ и в теоретическом отношении определяющая методологию их построения и обеспечения функционирования.

2. Разработаны новые математические модели и методы анализа и синтеза СППР в ОСИУ, алгоритмы ее функционирования, которые в совокупности составляют методологию решения проблемы построения и применения СППР в чрезвычайных ситуациях и обеспечивают возможность повышения эффективности СУ МЧС России.

3. При разработке моделей и методов, СППР применены и получили развитие методы теории систем, теории принятия решений, теории эффективности. Задача синтеза структуры СППР в ОСИУ приведена в новой постановке и для ее решения предложен оригинальный метод, который ранее в области разработки структуры СППР не применялся.

4.  При разработке теоретических основ моделирования и оценивания решений предложен новый подход на основе методов психологического моделирования и вероятностного оценивания сложных знаний-решений.

5. Обоснована целесообразность и принципы построения активной обучающей системы, предложена разработана структура СППР правовой деятельности ГПН, позволяющая поднять информационные возможности должностных лиц ГПН по принятию решений, повышающая оперативность и объективность принятия решений.

Практическая значимость работы обусловлена: возможностью постановки и решения практических задач построения СППР в ОСИУ на основе разработанных методологических основ; доведением полученных результатов до практических алгоритмов, и заключается в возможности построения более эффективных СППР в ОСИУ, повышении эффективности принимаемых на их основе решений, в возможности более качественной подготовки персонала государственных оперативных служб и организаций различной формы собственности по ликвидации ЧС и их последствий за счёт использования полученных результатов.

Достоверность результатов диссертационной работы обеспечена:

использованием системного подхода при изучении объекта исследования;

корректностью постановок задач и применением апробированных математических методов их решения;

полнотой учета совокупности и характера факторов, влияющих на информационный процесс и СУ МЧС России;

общностью и полнотой представленных моделей, методов и алгоритмов построения и применения СППР в ОСИУ, позволяющих на единой основе решать задачи принятия решений в режиме, близком к реальному времени.

Реализация результатов исследования выражается в использовании разработанных деловых игр и задач по конкретным ситуациям на занятиях в учебных заведениях МЧС России.

Апробация работы осуществлялась в форме докладов на XV-й научно-практической конференции «Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков» 1999 г.; XVI-й научно-практической конференции «Крупные пожары: предупреждение и тушение» 2001г.; ХV-й и XVI-й международных конференциях-выставках «Информационные технологии в образовании» 2005 и 2006 г., 5-й международной специализированной выставке «Пожарная безопасность ХХI века» в рамках научной конференции 2006 г. «Современные средства и способы обеспечения пожарной безопасности»; международной конференции «Современное профессиональное образование и информационные технологии» «ИТО-Москва-2009»; 16, 17-й и 19-й научно-технической конференции «Системы безопасности» - СБ-2007, СБ-2008 и СБ-2010 Международного форума информатизации.

Публикации. По теме работы автором опубликовано 43 печатных работы, в т.ч. 3 книжных издания, 23 научных статьи, 18 из которых опубликованы в журналах, включённых в Перечень ВАК, один – патент на изобретение Российской Федерации, 16 тезисов докладов научно-практических конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложения, оглавления работы. Работа содержит 284 страницы текста с 38 рисунками и 6 таблицами, библиография включает 251 источник.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении показана общая актуальность темы диссертации, определена цель и охарактеризованы общие направления её реализации.

В главе 1 на основе системного подхода приведён анализ исследуемой области: известных методов моделирования и оценивания знаний-решений (ЗР), применимых в СППР и ОС, методов оказания ППР и СППР (в том числе и в области предупреждения и ликвидации ЧС), компьютерных ОС. На основе анализа состояния исследуемой области разработана общая концепция оказания ППР для ОСИУ.

Проблематика разработки СППР в ОСИУ представляется в виде следующих направлений (Рисунок 1):

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

2) Разработать понятийный аппарат (диалоговый процессор) для ЛПР в области ЧС в виде «адаптивного» интерфейса, позволяющего оперировать с «неидеальной» информацией и сближающий компьютер с информационными возможностями человека.

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

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

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

6) Обеспечить большую скорость принятия решений и повышенной устойчивости к стрессам ЛПР.

7) Содействовать коррекции негативного «психологического фактора».

8) В условиях невозможности оказания компьютерной ППР в реальном времени, невозможности запоминания ЛПР результатов планирования всех возможных вариантов развития и ликвидации ЧС, а также их последствий следует определить и реализовать новую эффективную парадигму ППР.

Рисунок 1. Проблематика разработки СППР для ОСИУ
При анализе методов представления и оценивания ЗР оценивались следующие их характеристики:

- универсальность для различных областей знаний и для ЗР качественно различной и несравнимой потребительской ценности;

- учёт сложного информационного характера исследуемых объектов;

- отражение моделями представления ЗР, как статичного характера информации, так и информационных процессов;

- моделирование решения реальных задач и знаний с избытком или недостатком необходимой информации, с наличием неверной информации, или информации, придающей нечёткий характер соответствующему ЗР;

- достаточно высокая понятийность и наглядность моделей представления ЗР для непосредственной работы с ними ЛПР в области ЧС;

- учёт моделями оценивания ЗР вышеприведённых требований к моделям представления ЗР;

- обоснованная и объективная оценка моделями численного оценивания ЗР качественно различной и несравнимой потребительской ценности, дифференцированная оценка любого неполного и/или частично неправильного ЗР, оценка нарушения последовательности информации.

Проведённый анализ известных универсальных методов представления ЗР (продукционная модель, семантические сети, фреймы, формально-логические модели) показал невозможность их использования с достижением выше обозначенной совокупности требований к моделям.

К группе методов, позволяющих численно оценивать знания с различным общественно-полезным эффектом, относятся методы, исходящие из предпосылки существования единого критерия ценности любых знаний. Фактически речь идёт о «самоценности» любых знаний, о ценности знаний самих по себе. Наиболее основательным из других известных трудов в этой области представляется «статистическая теория обучения и контроля знаний» Свиридова А.П., однако, факторы, учитываемые автором в этом процессе, носят не объективный характер, а несут в себе субъективные характеристики либо самого обучаемого, либо выражают собой особенности какого-то конкретного учебного процесса, а не характеристики знания как такового. Тем не менее, ценным в работе является подход к процессу оценивания знаний с вероятностных позиций.

Наиболее близко концепции оказания ППР для ОСИУ соответствует структура СППР подразделениям пожарной охраны при пожарах зданий, сооружений и помещений, предложенная авторами Е.А. Мешалкиным, В.Т. Олейниковым, А.П. Абрамовым. Предложения авторов в основном направлены на обеспечение ППР по прибытию ЛПР к месту пожара информацией о планировке объекта, его существенных в пожарном отношении характеристиках, справочных данных, необходимых для расчёта сил и средств на тушение пожара, о соответствующих расчётных моделях. Примечательно, что данная структура СППР предполагает наличие в ней деловых игр. Однако, предлагаемая структура СППР не решает системно задачу оказания ППР для ОСИУ (в том числе, в плане учёта «человеческого фактора»), выражает лишь самые общие, не конкретизированные предложения, не предлагает математического аппарата для представления и оценки принимаемых решений.

В диссертационной работе приведён анализ известных ОС. Анализ выявил их не высокую эффективность, главным образом, вследствие простейшего характера преподаваемой информации, необъективности оценивания, малого развития интеллектуальных, в особенности, творческих возможностей обучаемых, отсутствия учёта «неидеальности» информационного поля и информационных особенностей ЛПР. Системы, предназначенные для решения достаточно сложных задач, либо узко профессиональны (даже в пределах своей предметной области), либо не обладают математическим аппаратом, позволяющим автоматизировать и объективно оценить сам процесс и итог решения, что ставит под сомнение необходимость такой компьютеризации учебного процесса. Также, известные компьютерные деловые игры моделируют путём жёсткой алгоритмизации чётко структурированные виды профессиональной деятельности, большая же часть профессиональной деятельности представляет собой решение слабоструктурированных задач, что требует иных подходов.

Учитывая выше отмеченные замечания относительно текущего состояния исследуемой области, предлагается следующая общая концепция оказания ППР для ОСИУ.

  1. При невозможности оказания ППР в режиме реального времени протекания управленческой ситуации, ППР осуществляется в форме планирования.

  2. ППР как средство повышения информационных возможностей ЛПР осуществляется также в форме обучения принятию решений, причём процесс планирования для достижения его целей следует объединить с процессом обучения ЛПР всех уровней принятия решения.

  3. Процесс обучения и планирования-обучения должен последовательно усложняться от усваивания необходимой исходной информации фактического характера к решению управленческих задач: сначала методом анализа конкретных ситуаций, затем – посредством деловых игр.

  4. Для наилучшей подготовки ЛПР к творческому решению нештатных задач процесс планирования-обучения должен заключаться в многократном решении ими разнообразных запланированных ситуаций.

  5. Для достижения качества принимаемых решений во время информационно сложных и быстротечных управленческих ситуаций целесообразно знания ЛПР переводить на подсознательный уровень. Перевод знаний ЛПР на подсознательный уровень достигается путём планирования решений по большому числу управленческих ситуаций с их периодически повторяющейся отработкой в форме анализа конкретных ситуаций и деловых игр.

  6. Для дополнительного учёта информационных возможностей ЛПР, в ППР целесообразно применять модели знаний-решений, представляющих собой наиболее понятийные и типичные для мышления ЛПР информационные конструкции, в которых кроме правильных чётких элементов, присутствуют элементы, характерные для реального знания-решения: чёткие неправильные элементы, а также элементы, придающие знанию-решению нечёткий характер.

  7. Учитывая невозможность получения достоверных численных оценок общественно-экономического эффекта от принимаемых решений для области ЧС, методика численного оценивания сложных знаний-решений должна использовать универсальный критерий оценивания решений и знаний качественно различной потребительской ценности с дифференцированной оценкой любых неполных и неправильных знаний-решений.

  8. В СППР должны быть предусмотрены меры, снижающие негативное влияние «психологического фактора».




следующая страница >>