Инструментальные средства проектирования интегрированных систем поддержки принятия решений по ликвидации химических аварий

Ускорение научно-технического прогресса, рост промышленного производства, усложнение технологических процессов увеличивают степень риска чрезвычайных ситуаций (ЧС). Оперативное реагирование на возникновение ЧС становится особенно важным в условиях экономического кризиса, когда нет возможности привлечения больших объемов средств на ликвидацию и устранение последствий чрезвычайных ситуаций.

Наибольший процент среди разных видов чрезвычайных ситуаций составляют химические аварии. Химические аварии представляют собой вид техногенных чрезвычайных ситуаций с наиболее высоким уровнем риска, который обусловлен высокой вероятностью утечки аварийно-химически опасных веществ (АХОВ), широко применяющихся как в промышленных технологиях, так и в быту. В городах сосредоточено большое число предприятий, которые производят или используют в своем производстве ядовитые химические вещества и являются химически опасными объектами (ХОО). Важным аспектом, повышающим опасность химических аварий, является тяжесть последствий химической аварии для человека. Риску подвергаются не только работники опасных предприятий, но и население, поскольку в непосредственной близости от ХОО часто располагаются жилые районы. Большое число химических аварий происходит также во время перевозок АХОВ по железной дороге и автотранспортом.

Типичными чертами аварии на химическом производстве являются:

• Скоротечность аварии, связанная с ограниченным временем действия источника заражения.

• Высокая опасность для персонала предприятия и окрестного населения.

• Возможность перерастания аварии, при неверных действиях по ее ликвидации, в серьезную экологическую проблему.

• Необходимость принятия решений в условиях неполной информации.

Перечисленные особенности рассматриваемого вида ЧС порождают актуальность новой постановки задачи автоматизированной поддержки принятия решений: жизненно важным является переход от информационно-справочных автоматизированных систем, пригодных, как правило, лишь для ретроспективного анализа ЧС, к созданию интегрированных систем, позволяющих выполнять конструктивную поддержку решений непосредственно в кризисной ситуации, включая формирование рекомендаций для принятия оптимальных решений.

Задача конструктивной поддержки принятия решений (ПГТР) в условиях химической аварии относится к числу комплексных задач организационного управления. Для ее решения необходимо привлечение разных компьютерных технологий, наиболее перспективные из которых — технологии экспертных систем (ЭС) и геоинформационных систем (ГИС). Эти технологии при совместной реализации позволяют осуществить не только информационно-справочную, но и конструктивную поддержку принятия решений, обеспечить высокое быстродействие и наилучшее качество решений.

Диссертационная работа посвящена решению проблемы интегрированного подхода к созданию автоматизированных систем поддержки принятия решений в условиях химических аварий. Актуальность работы подтверждается тем, что диссертация выполнена в рамках научно-технической программы Миннауки и МЧС РФ «Безопасность России», целевой государственной программы «Создание территориальных звеньев АИУС РСЧС в регионе» и государственной научно-технической программы «Безопасность населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных техногенных катастроф».

Цель работы — создание алгоритмических и программных средств, а также технологии проектирования интегрированных информационно-управляющих систем разного уровня — от отдельных предприятий до территориальных и региональных систем — по ликвидации химических аварий, на основе комплексного использования технологий геоинформационных и экспертных систем.

Основные задачи работы:

• Разработка методов проектирования интегрированных информационных систем, в частности, экспертных геоинформационных систем, для реализации гибридного подхода к принятию решений в условиях ЧС.

• Разработка комплекса инструментальных средств для построения интегрированных систем поддержки принятия решений в условиях аварий с аварийно-химически опасными веществами.

• Применение разработанных методов и инструментальных средств для построения прикладных систем по химическим авариям.

Основные положения, выдвигаемые на защиту:

1. Разработаны методы построения экспертной системы и ГИС в интегрированной системе, в том числе объектная продукционно-фреймовая модель представления знаний и методы объектной реализации ГИС, позволяющие обеспечить конструктивную поддержку принятия решений в условиях ЧС.

2. Созданы программные компоненты, реализующие основные функции геоинформационной системы и оболочку экспертной системы, учитывающие особенности, возникающие при интеграции технологически разнородных подсистем в рамках одной программной системы.

3. Разработанные программные компоненты и технология создания интегрированных экспертных геоинформационных систем применены для создания системы ЭСПЛА поддержки принятия решений при химических авариях, создан ряд ГИС-приложений.

Научная новизна.

1. Разработан и применен уникальный гибридный подход к решению проблемы комплексной автоматизированной поддержки принятия решений в условиях химической аварии.

2. Разработаны оригинальные методы построения интегрированной системы, основанные на объектной реализации продукционно-фреймовой модели представления знаний и объектной реализации ГИС.

3. Разработаны инструментальные средства, позволяющие за короткое время и с минимальными затратами реализовать гибридный подход к решению задач конструктивной поддержки принятия решений в условиях ЧС.

4. Разработанные методы и программные средства применены для построения экспертной геоинформационной системы ЭСПЛА по химическим авариям, которая в нашей стране не имеет аналогов.

Методы исследования, применяемые в работе, базируются на методологии инженерии знаний, объектно-ориентированного проектирования, теории баз данных, методах представления и обработки пространственной информации в географических информационных системах.

Достоверность и обоснованность результатов диссертации по дтвер ждаются:

• исследованием современного состояния экспертных и геоинформационных систем, а также методологии создания интегрированных систем;

• исследованием существующих инструментальных средств для создания интегрированных геоинформационных экспертных систем;

• опытом применения разработанного инструментария для построения системы ЭСПЛА для поддержки принятия решений в условиях химических аварий и в ряде других приложений;

• использованием современных методов проектирования интегрированных информационных систем, методов инженерии знаний, теории баз данных и методов представления и обработки пространственной информации в геоинформационных системах.

Практическая значимость.

Программные системы, построенные с применением предложенных в диссертационной работе разработок, используются в Главном управлении по делам ГО и ЧС г. Красноярска, в Главном управлении по делам ГО и ЧС Красноярского края, а также в ряде проектов, выполняемых в ИВМ СО РАН.

Апробация работы.

Основные результаты, отдельные положения, а также результаты конкретных прикладных исследований и разработок докладывались на научных семинарах и конференциях в ИВМ СО РАН (1993;1999), на региональных научно-практических конференциях и на совещаниях СО РАН, посвященных географическим информационным системам.

Результаты работы были представлены на десятом юбилейном симпозиуме «Problems of Modular Information Computer Systems and Networks» (Санкт-Петербург, 1993), на первом российско-немецком симпозиуме «Intelligente Informationstechnologien in der Entscheidungsfindung» (Москва, 1995), на Всероссийской конференции «Проблемы информатизации региона» (Красноярск, 1996;1998 гг.), на Всероссийской конференции «Проблемы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций» (Красноярск, 1997 г.), на Международной конференции «Интеркарто-4» (г. Барнаул, 1998 г.).

Программные системы, созданные на основе разработанных инструментальных средств, демонстрировались на ряде выставок, в том числе на выставке, посвященной 25-летию СО РАН, на международных выставках МЧС РФ (1996;1997 гг).

Публикации и личный вклад в решение проблемы.

Диссертация основана на теоретических, методологических и экспериментальных исследованиях, выполненных в лаборатории систем искусственного интеллекта Института вычислительного моделирования СО РАН.

Основные теоретические и практические результаты, изложенные в работе, получены либо непосредственно автором, либо с его участием. Автором разработана объектная продукционно-фреймовая модель представления знаний, структура комплекса инструментальных средств, реализована библиотека поддержки основных функции ГИС, оболочка экспертной системы и ряд программ, входящих в состав комплекса.

Реализация программного комплекса инструментальных средств выполнена коллективом разработчиков при участии автора.

Разработка системы ЭСПЛА проводилась совместно с сотрудниками лаборатории СИИ ИВМ СО РАН и Главного управления по делам ГО и Ч Красноярского края при участии автора.

По результатам исследований опубликовано 16 работ.

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников и четырех приложений. Работа содержит 165 страниц машинописного текста, 24 рисунка, 9 таблиц.

Список использованных источников

включает 82 наименования.

Выводы к разделу 4.

1. Разработанные в работе интегрированный подход и инструментальные средства применены для создания экспертной геоинформационной системы ЭСПЛА для поддержки принятия решений по ликвидации химических аварий. Опыт эксплуатации показал высокую эффективность системы в кризисной ситуации: высокое быстродействие, высокое качество получаемых решений, удобство работы пользователя.

2. Апробирование инструментальных средств для решения задач поддержки принятия решений при других видах ЧС показало, что на основе инструментального и информационного ядра системы ЭСПЛА целесообразно создание единой системы по техногенным видам ЧС, а также использование инструментальных средств для создания специализированных систем по природным ЧС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате исследований, проведенных автором диссертационной работы, получены следующие результаты.

1. Сформулированы особенности задачи конструктивной автоматизированной поддержки принятия решений в условиях химических аварий. Данная задача классифицирована как задача организационного управления и характеризуется комплексностью и слабой формализуемостью. Показано, что наиболее эффективное решение данной задачи требует применения в рамках единой прикладной системы различных технологий, таких как численное моделирование, СУБД, ГИС, технологии интеллектуальных систем. Гибридный подход к 111 IP в условиях химических аварий в нашей стране реализуется впервые.

2. Проанализировано существующее инструментальное программное обеспечение построения ГИС. На основе данного анализа сделан вывод, что известные инструментальные средства ГИС не пригодны для решения поставленной задачи по причине существенных ограничений на их функционирование. Кроме того, необходима разработка пакетов ГИС ориентированных на интеграцию с интеллектуальными системами. Предложена модель построения ГИС, основанная на использовании реляционных БД и объектно-ориентированном подходе. Данная модель обладает простотой реализации и хорошей интегрируемостью.

3. Исследованы задачи ППР, решаемые в рамках интеллектуальной системы. Применение интеллектуальных технологий в сочетании с ГИС в автоматизированных системах ППР существенно повышает качество и эффективность решений и облегчает работу ЛПР в условиях ЧС.

4. В рамках поставленных задач разработана принципиальная структура интегрированной системы ППР и технологические аспекты ее реализации.

5. Разработана расширенная продукционно-фреймовая модель представления знаний, которая позволяет реализовать представление ситуаций и элементов сценариев, представление критериев принятия решений, взаимодействие подсистем по данным, взаимодействие подсистем по событиям, доступ из базы знаний к функциям ГИС.

6. Построена инструментальная оболочка-среда, реализующая все технологические аспекты построения интегрированных систем, включающих ЭС и ГИС. В составе инструментальной среды автором работы построена оболочка экспертной системы, основанная на предложенной модели представления знаний и использовании объектно-ориентированного подхода. Кроме того, автором диссертационной работы реализованы библиотека классов для работы с объектами ГИС и элементы интерфейса ГИС-оболочки СагБув.

7. Разработанные в работе интегрированный подход и инструментальные средства применены для создания экспертной геоинформационной системы ЭСПЛА для поддержки принятия решений по ликвидации химических аварий. Система внедрена в ряде организаций. Опыт эксплуатации показал высокую эффективность системы в кризисной ситуации: высокое быстродействие, высокое качество получаемых решений, удобство работы пользователя.

Апробирование инструментальных средств для решения задач поддержки принятия решений при других видах ЧС показало, что на основе инструментального и информационного ядра системы ЭСПЛА целесообразно создание единой системы по техногенным видам ЧС. Хорошие перспективы представляет также использование инструментальных средств для создания специализированных систем по природным ЧС.