Модели алгоритмы расчета параметров информационного взаимодействия национального центра управления в кризисных ситуациях с источниками информации

Россия — страна с огромной территорией, на которой расположено множество потенциально опасных объектов природного и техногенного характера. Несмотря на принимаемые меры, число чрезвычайных ситуаций на этих объектах остается недопустимо высоким. В «Концепции национальной безопасности Российской Федерации» отмечено, что потери людей и материальных средств от чрезвычайных ситуаций нередко сопоставимы с потерями в вооруженных конфликтах [79]. В этих условиях безопасность от ЧС является для России ключевой задачей.

Для решения этой задачи в России создана единая государственная система предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций, повседневное управление которой возложено на МЧС [60, 61, 70]. По оценкам специалистов [34, 74] в настоящее время возможности РСЧС не в полной мере соответствуют уровню угроз национальной безопасности Российской Федерации от катастроф и ЧС.

Существует два пути повышения возможностей РСЧС: экстенсивный и интенсивный. Экстенсивный путь предполагает увеличение количества сил и средств постоянной готовности, привлекаемых к работам по предупреждению чрезвычайных ситуаций, к работам по их ликвидации. Интенсивный путь связан с увеличением степени реализации потенциала имеемых сил и средств за счет совершенствования системы управления и системы подготовки личного состава.

Обстановка в условиях катастроф и ЧС по сложности, динамизму изменения, неполноте и противоречивости информации соответствует обстановке, складывающейся при ведении боевых действий[34]. Известно, что хорошая система управления войсками способна удвоить эффективность боевых действий, [4]. Используя аналогию с вооруженными силами, специалисты МЧС утверждают, что совершенствование системы управления окажет большее влияние на эффективность функционирования РСЧС, чем аналогичное по затратам увеличение численности сил и средств постоянной готовности [34].

Одно из важнейших направлений совершенствования систем управления — автоматизация процессов информационного взаимодействия, [48]. Это в полной мере относится и к системе управления РСЧС. Основным звеном автоматизированной системы управления РСЧС является национальный центр управления в кризисных ситуациях. НЦУКС будет по настоящему эффективным в том случае, если он сможет своевременно формировать интегрированную картину обстановки в зонах чрезвычайных ситуаций, вырабатывать прогноз ее развития и планы по применению сил, привлекаемых к аварийно-спасательным работам. Качественное решение этих задач возможно только при наличии у каждой категории должностных лиц органов управления полной, достоверной и своевременной информации по кругу своих обязанностей.

Для организации информационного взаимодействия в РСЧС создана система информационного обмена. Информация, поступающая в НЦУКС от различных источников через систему информационного обмена, отличается с одной стороны избыточностью, а с другой — неполнотой и противоречивостью. Широкие возможности современных технических средств по добыванию информации и высокая насыщенность информацией многочисленных источников вошли в резкое противоречие с ограниченными возможностями оперативного состава автоматизированных систем по оценке, обработке и распределению поступающей информации [10]. Один из наиболее целесообразных путей преодоления этого противоречия связан с автоматизацией выбора для каждой категории должностных лиц НЦУКС информации представляющей наибольший интерес, с учетом ее своевременности, полноты и достоверности.

Следовательно, для повышения эффективности функционирования НЦУКС нужны модели и алгоритмы автоматизированного выбора параметров информационного взаимодействия НЦУКС с источниками информации.

Таким образом, тема диссертации является актуальной. Подтверждением актуальности темы является то, что она соответствует пункту 6 федеральной целевой программы «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2010 года», [63].

Особая актуальность темы диссертации связана с ускорением изменений, происходящих в обществе. Необходимая скорость принятия решений начинает все более и более превышать предельно возможные скорости принятия решений человеком [86, 87, 88]. Для повышения скорости принятие решений человеком необходимо как можно большее количество информационной работы перекладывать на вычислительную технику. Но переложить выполнение какой-либо информационной работы на ЭВМ можно только в том случае, если существуют соответствующие модели и алгоритмы.

Цель диссертационной, работы — поиск научно обоснованных технологических решений по сбору, обработке и распределению информации о ЧС в интересах повышения эффективности НЦУКС.

Теоретическим базисом исследования являются концепции современной автоматизации процессов анализа и обработки информации в системах управления организационно-технического типа, а методологическими средствами — методология проектирования систем управления сложными организационно-техническими системами и методы математического моделирования.

Объектом исследования является национальный центр управления в кризисных ситуациях, а предметом — процессы информационного взаимодействия НЦУКС с источниками информации.

Задачи диссертагщонного исследования:

1. Произвести анализ состояния и основных направлений совершенствования информационного взаимодействия национального центра управления в кризисных ситуациях с источниками информации.

2. Разработать научно-методический аппарат для оценки своевременности данных, поступающих от источников информации, для выбора рационального состава информации в интересах решения прикладных задач НЦУКС и для оценки достоверности информации, поступающей от ненадежных источников.

3. Разработать рекомендации по организации информационного взаимодействия национального центра управления в кризисных ситуациях с источниками информации для решения ряда прикладных задач.

Для решения указанных задач в диссертационной работе использовались методы.

— общей теории систем [35, 46, 47, 48, 71, 76],.

— теории дифференциальных уравнений [53],.

— теории вероятностей, математической статистики и теории случайных функций [11, 14, 31,51],.

— теории массового обслуживания [22, 30, 33, 92],.

— математического программирования [12, 20, 28, 37, 38, 77, 91],.

— теории принятия решений [6, 8, 13, 16, 18, 42, 44, 45, 50, 73, 75],.

— общей теории управления [2, 3, 4, 5, 9, 14, 26, 27, 32, 43, 48, 54, 86],.

— экспертных оценок [7, 23, 24, 41, 72],.

— теории реляционных баз данных[6, 8, 13, 16, 18, 42, 44, 45, 50, 73,.

75].

Основные научные результаты, выносимые на защиту.

1. Теоретические основы применения метода анализа иерархий для формирования рациональных требований к полноте информации.

2. Общий алгоритм обоснования требований к своевременности и полноте информации.

3. Модели и алгоритмы оценки достоверности сообщений о чрезвычайных ситуациях.

Новизна первого научного результата состоит в адаптации метода анализа иерархий к решению задачи формирования рациональных требований к полноте информации, поступающей на НЦУКС от источников информации. Применение метода анализа иерархий позволяет поставить задачу формирования рациональных требований к полноте информации как задачу математического программирования — задачу «о ранце».

Новизна второго научного результата состоит в формализации процессов анализа информационных потребностей НЦУКС, с учетом требований к своевременности и качеству решения прикладных задач НЦУКС в рамках заданных стоимостных ограничений.

Новизна третьего научного результата состоит:

— в использовании статистического подхода для получения оценок вероятностей правильного обнаружения чрезвычайной ситуации и вероятности ложной тревоги;

— в использовании теории массового обслуживания для оценки априорной вероятности возникновения чрезвычайной ситуации;

— в использовании многомерной формулы Байеса для оценки апостериорной достоверности сообщений по данным от нескольких ненадежных источников.

Достоверность выдвинутых в диссертации положений и выводов обоснована и подтверждена применением апробированных методов исследования и практическим внедрением результатов диссертационной работы.

Теоретическая значимость работы состоит в разработке научно-методического аппарата для оценки и обоснования элементов информационного взаимодействия в сложных системах управления организационно-технического типа.

Практическая г{енность работы заключается:

— в оценке влияния различных типов информации на эффективность решения национальным центром управления в кризисных ситуациях ряда прикладных задач;

— в разработке методики оценки достоверности сообщения о чрезвычайной ситуации по данным трех ненадежных источников информации.

Предложенные в диссертации модели и алгоритмы могут быть использованы для совершенствования специального математического и программного обеспечения НЦУКС.

Результаты диссертационного исследования внедрены в деятельность Северо-Западного регионального центра МЧС Росси, ГУ МЧС России по Московской области, отдельные теоретические положения диссертации используются в учебном процессе на кафедре автоматики и сетевых технологий Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на заседаниях кафедры автоматики и сетевых технологий Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России, а также на: VI Международной научно-практической конференции «Подготовка кадров в системе предупреждения и ликвидации последствий ЧС», Санкт-Петербург, 19 октября 2007 г.- Международной научно-практической конференции «Сервис безопасности в России: опыт, проблемы, перспективы», Санкт-Петербург, 23−24 апреля 2008 г.- III Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы обеспечения взрывобезопасности и противодействия терроризму», Санкт-Петербург, 20−21 мая 2008 г.

По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, из них 2 по перечню ВАК.

Структура и объем диссертационной работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Общий объем — 147 е., из которых: оглавление — 4 е., условные обозначения и сокращения — 1 е., основного текста -134 с. (таблиц — 49, рисунков -11), библиография — 8 с. (93 наименования + 5).

Выводы:

1. На этапе управления РСЧС в повседневном режиме или в режиме ликвидации ЧС одной из важных задач является задача оценки достоверности оперативной информации, поступающей от ненадежных источников.

2. Для оценки достоверности оперативной информации целесообразно использовать подход, основанный на различных вариантах формулы Байеса.

3. Для оценки вероятности правильного обнаружения и вероятности ложной тревоги, которые входят в формулу Байеса в качестве переменных, целесообразно использовать подход, основанный на статистических оценках.

4. Для оценки априорной достоверности информации, также входящей в формулу Байеса в качестве переменной, целесообразно использовать теорию массового обслуживания.

5. Качество оценки достоверности информации может быть повышено при комплексном учете информации, поступающей от нескольких ненадежных источников.

Глава 4. Практические рекомендации по организации информационного взаимодействия национального центра управления в кризисных ситуациях с источниками информации.

4.1. Практические рекомендации по оценке влияния информации различных видов на эффективность национального центра управления в кризисных ситуациях.

Во второй главе диссертации разработаны алгоритм оценки своевременности информации и алгоритм выбора рационального состава информации в интересах решения прикладных задач НЦУКС. Для того, чтобы использовать эти алгоритмы в полном объеме, необходимо выполнить большую предварительную работу по структуризации задач, по оценке информационных потребностей, по представлению информационных потребностей в виде нормализованной базы данных реляционного типа, по оценке стоимости добывания, сбора и распределения информации с учетом требований к ее своевременности. Решение этих задач для сложных организационно-технических систем является достаточно сложным делом [12] и выходит за рамки диссертационного исследования.

Поэтому рассмотрим упрощенный вариант применения этих алгоритмов. В этом варианте не используется в явном виде зависимость стоимости информации от ее вида и от требований к своевременности доведения до должностных лиц. Тем не менее, ее решение позволяет найти относительный вклад информации каждого вида в эффективность функционирования НЦУКС, а, следовательно, и оценить, сколько материальных средств, из выделенных на совершенствование системы информационного обмена НЦУКС, может быть использовано на совершенствование обмена тем или иным видом информации.

Глава 4 118.

В приведенном ниже варианте алгоритма для лучшей идентификации его с алгоритмами главы 2, сохранены названия шагов алгоритмов п.п. 2.1 и 2.4,.

Шаг 1. Выявить перечень задач, которые должна решать РСЧС.

F = f ' fl fm } «.

В п. 1.2 первой главы диссертации описана организационная структура НЦУКС. К основным подразделениям НЦУКС относятся: оперативно-аналитический отдел, центр мониторинга и прогнозирования ЧС, отдел по организации деятельности ОКСИОН, телекоммуникационный центр и запасной пункт управления. Запасной пункт управления решает те же задачи, что и основной, в случае возникновения непредвиденных обстоятельств. Отдел по организации деятельности ОКСИОН решает только задачу оповещения населения. Поэтому из дальнейшего рассмотрения мы их исключим.

В пункте 1.2 приведены задачи, которые должны решать подразделения НЦУКС. Выделим из этих задач те, которые связаны с непосредственной деятельностью оперативно-аналитического отдела, центра мониторинга и прогнозирования и телекоммуникационного центра, несколько детализировав их:

Задача 1. Сбор оперативной информации о ситуации в потенциально опасных зонах, о фактически возникших ЧС.

Задача 2. Разработка прогнозов возникновения и развития ЧС.

Задача 3. Разработка планов ликвидации ЧС.

Задача 4. Управление силами и средствами РСЧС в ходе выполнения мероприятий по предупреждению и ликвидации ЧС.

Шаг 2. Выявить требования к максимально допустимому времени начала решения каждой задачи: t, t2,.

При реализации этого шага будем исходить из того, что «. время представления информации для ЧС по которым время наступления.

Глава 4 119 неблагоприятных факторов ожидается менее чем через 4 часа должно быть не более 15 мин. с момента получения соответствующей информации Центром поддержки принятия решений или запроса от оперативной дежурной смены НЦУКС", [56, 58, 66, ].

Шаг 3. Выявить информационные потребности каждой прикладной задачи.

В п. 1.3.2 приведена классификация оперативной информации. Выделим те ее элементы, которые необходимы для решения вышеуказанных четырех задач:

Элемент информации 1. Информация о вероятности или факте возникновения ЧС.

Элемент информации 2. Информация о координатах зоны ЧС.

Элемент информации 3. Информация об административно-территориальных образованиях, попадающих в зону ЧС и численность населения проживающего в них;

Элемент информации 4. Информация о погодных условиях в зоне.

ЧП.

Элемент информации 5. Информация о силах, средствах и ресурсах РСЧС, которые могут быть привлечены для ликвидации ЧС и последствий ЧС.

Элемент информации 6. Прогнозная информация о ЧС от взаимодействующих организаций.

Шаг 4. Структурировать информационные потребности каждой задачи: поделить информационные потребности каждой задачи на минимальные неделимые элементы информации.

Будем считать элементы информации, выявленные на шаге 3 структурир ованными.

Шаг 5. Все, полученные таким образом наборы Ф, объединяются, в результате чего образуется множество Ф = {<�рх,(р2,.,(рп} элементов информации, необходимых для решения т прикладных задач.

Глава 4 120.

Множество элементов информации, выявленных на шаге 3, и есть множество Ф.

Шаг 6. Сформировать матрицу А, составленную из коэффициентов влияния элементов информации на прикладные задачи,.

Будем считать, что каждый из шести элементов информации влияет (в некоторых случаях опосредованно) на качество решения каждой из четырех задач, выявленных на шаге 1 алгоритма.

Шаг 7. Найти гу = /, • ац.

Шаг 8. Найти требования к своевременности каждого элемента информации.

В результате получим, что время представления информации для ЧС по которым время наступления неблагоприятных факторов ожидается менее чем через 4 часа должно быть не более 15 мин. с момента получения соответствующей информации Центром поддержки принятия решений или запроса от оперативной дежурной смены НЦУКС.

Шаг 9. Для каждой из четырех прикладных задач сформируем матрицу парных сравнений Ак, элемент а* которой равен дроби" аи = /и-, • где: и/и м>) — коэффициенты важности 1-го и у'-го элементов информации для задачи к, таблицы 4.1 — 4.4.

Заключение

.

Целью исследования являлось повышение эффективности национального центра управления в кризисных ситуациях РСЧС России за счет научно обоснованных технологических решений по сбору, обработке и распределению информации о чрезвычайных ситуациях. Цель исследования достигнута.

В результате исследования получены три новых достоверных научных результата:

1. Теоретические основы применения метода анализа иерархий для формирования рациональных требований к полноте информации.

2. Общий алгоритм обоснования требований к своевременности и полноте информации.

3. Модели и алгоритмы оценки достоверности сообщений о чрезвычайных ситуациях.

Ясно, что полученные результаты не полностью покрывают все теоретические и прикладные аспекты организации обеспечения информацией национального центра управления в кризисных ситуациях. Например, одним из перспективных направлений повышения эффективности НЦУКС за счет научно обоснованных технологических решений по сбору, обработке и распределению информации о ЧС, не исследованных в диссертации, является направление, связанное с разработкой методов и моделей интеллектуального анализа и обработки данных.

Автор благодарит научного руководителя заслуженного работника высшей школы, доктора технических наук, профессора Куватова В. И. за ценные советы, высокую требовательность и благожелательность к соискателю в процессе работы над диссертацией. Автор также глубоко благодарен кандидату технических наук, доценту Смирнову А. С. за I ценные консультации по ряду ключевых вопросов исследования.