Еволюційні моделі та методи аналізу і оптимізації рівня пожежної безпеки житлових об'єктів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 004.896.001.63

ЕВОЛЮЦІЙНІ МОДЕЛІ ТА МЕТОДИ АНАЛІЗУ І ОПТИМІЗАЦІЇ РІВНЯ ПОЖЕЖНОЇ БЕЗПЕКИ ЖИТЛОВИХ ОБ'ЄКТІВ

05.13.06 - автоматизовані системи управління і прогресивні

інформаційні технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ДЖУЛАЙ олександр миколайович

Черкаси 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Черкаському інституті пожежної безпеки імені Героїв Чорнобиля Міністерства України з питань надзвичайних ситуацій та у справах захисту населення від наслідків Чорнобильської катастрофи.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор ТИМЧЕНКО АНАТОЛІЙ АНАСТАСІЙОВИЧ, Черкаський державний технологічний університет, завідувач кафедри комп'ютерних технологій

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор ПОДЧАСОВА ТЕТЯНА ПАВЛІВНА, Київський національний торгово-економічний університет, професор кафедри інформаційних технологій і систем

кандидат технічних наук, доцент ЛАНСЬКИХ ЄВГЕН ВОЛОДИМИРОВИЧ, Черкаський державний технологічний університет, доцент кафедри прикладної математики

Провідна установа: Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, кафедра інформаційних технологій

Захист відбудеться “23” березня 2006 р. о 14.30 годині в залі засідань спеціалізованої вченої ради К73.052.01 у Черкаському державному технологічному університеті за адресою:18006, м. Черкаси, бул. Шевченка, 460.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Черкаського державного технологічного університету за адресою:18006, м. Черкаси, бул. Шевченка, 460.

Автореферат розісланий “22” лютого 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Палагін В.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Аналіз статистичних даних вказує на те, що 75 % пожеж відбувається в житловому секторі. Їх зростаюча кількість (із 42481 у 1997 році до 59686 у 2002 році і 47668 у 2004 році) та загиблих (від 2216 у 1997 році до 3495 у 2002 році і 3781 у 2004 році) свідчить про необхідність більш ефективної роботи протипожежних підрозділів. Перепоною цьому є кадровий і ресурсний дефіцит, що в сучасних умовах відображається на основних показниках, до яких належать час проїзду до місця пожежі, час її локалізації та час ліквідації. У таких умовах об'єктивна інформація становить один із найважливіших елементів управління і покращення якості пожежогасіння, що полягає у запобіганні людським жертвам і матеріальним втратам. У звязку із цим особливої гостроти набуває задача створення, функціонування та розвитку інформаційно-аналітичного забезпечення пожежних підрозділів.

В Україні відповідний напрямок перебуває на початковому етапі розвитку. Після кожної пожежі складають опис, який містить більше ста кількісних та нечислових значень. Створення та аналіз такої великої інформаційної бази, яка стала б джерелом нових знань, призначеним для прогнозування майбутніх пожеж та виконання заходів щодо їх попередження і гасіння, є важливим і необхідним завданням. Існуючі ж процедури зводяться до обчислення трьох-п'яти статистичних показників - загальної кількості, середніх значень та побудови графіків динаміки.

Необхідність створення системи протипожежного моніторингу житлових обєктів, мінімізації часу проїзду до місця пожежі, зменшення кількості помилок особового складу при гасінні пожеж та розробки процедур оптимального розподілу наявних ресурсів зумовлюють необхідність створення автоматизованих систем для підтримки прийняття управлінських рішень, а також визначають актуальність дисертаційного дослідження.

Аналізу та прогнозуванню процесів пожежогасіння присвячені дослідження вітчизняних і закордонних вчених, зокрема Брушлинського М.М., Матюшина А.В., Громовенка О.Л., Смирнова Н.В. Проблеми системного аналізу і створення інформаційно-аналітичних систем висвітлені у працях Глушкова В.М., Скурихіна В.І., Згуровського М.З., Тимченка А.А., Подчасової Т.П., Панкратової Н.Д. Відомими вченими в області еволюційних методів моделювання для інтелектуальних систем управління є Горбань О.В., Галушкін О.І., Курейчик В.М., Батищев Д.І., Куссуль Е.М., Різник О.М., D. Holland, K. De Jong, D. Grossberg, S. Luke, W. Spears.

Разом із тим проблема розробки інформаційно-аналітичного забезпечення для оцінки рівня пожежної безпеки об'єктів та інформаційного супроводження процесів пожежогасіння залишається невисвітленою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана в рамках держбюджетної теми Черкаського державного технологічного університету “Еволюційні моделі, методи і засоби підтримки прийняття рішень при створенні віртуальних підприємств”, номер державної реєстрації - 0103U003686. Задача дисертаційного дослідження розв'язана з використанням штучних нейронних мереж, що відповідає завданням Національної програми інформатизації з напрямку “Нейрокомп'ютери і нейромережеві технології”.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності функціонування протипожежних підрозділів шляхом розробки моделей і методів визначення оцінки пожежної безпеки житлових об'єктів та інформаційно-аналітичного супроводження процесів пожежогасіння на базі еволюційного моделювання. Для досягнення цієї мети в дисертаційній роботі поставлені і розв'язані такі наукові задачі:

– провести аналіз наукових літературних джерел і сучасних інформаційно-аналітичних систем, які застосовуються в системі пожежної охорони;

– виконати формалізацію параметрів житлового об'єкта та формалізувати і здійснити математичні постановки задач оцінки його рівня пожежної безпеки;

– класифікувати фактори, що впливають на рівень пожежної безпеки об'єкта за аспектами безпеки людей та матеріальних втрат;

– розробити структуру та визначити оптимальний алгоритм функціонування нейронної мережі як моделі оцінки рівня пожежної безпеки об'єкта, що функціонує на принципах самоорганізації;

– здійснити ідентифікацію залежності між людськими і матеріальними втратами та помилками особового складу при пожежогасінні та виконати її аналіз;

– розробити моделі та метод оптимізації шляху слідування пожежного розрахунку до місця пожежі на базі генетичного алгоритму;

– визначити принципи та розробити структуру інформаційно-аналітичного забезпечення, призначеного для оцінки рівня пожежної безпеки, інформаційно-консультативного супроводження процесів пожежогасіння, прогнозування наслідків майбутніх пожеж та оптимізації кадрового складу.

Об'єкт дослідження. Об'єктом дослідження є процеси пожежогасіння житлових об'єктів. пожежа алгоритм безпека оптимізація

Предмет дослідження - моделі та методи визначення рівня оцінки пожежної безпеки житлового об'єкта та інформаційно-аналітичне забезпечення процесів пожежогасіння.

Методи дослідження. Теоретичною та методологічною базою дисертаційної роботи є дослідження вітчизняних та зарубіжних вчених в галузі розробки прикладних систем підтримки прийняття рішень, створення інформаційно-аналітичного забезпечення та моделювання процесів пожежогасіння.

Математичним апаратом дослідження є методи математичної статистики та економетрії, які використані для визначення вектора найбільш значущих факторів, нейрокомпютингу - для розв'язання задачі ідентифікації оцінки рівня пожежної безпеки житлових об'єктів та мінімізації помилок особового складу при пожежогасінні, еволюційного моделювання - для визначення шляху слідування пожежного підрозділу до місця пожежі. Для розробки інформаційно-аналітичного забезпечення використані методи теорії баз даних та теорії алгоритмів.

Інформаційну основу дослідження склали статистичні дані Державного департаменту пожежної безпеки МНС України.

Наукова новизна одержаних результатів. У дисертаційному дослідженні вперше формалізована і розв'язана задача розробки моделей та методів аналізу і оптимізації рівня пожежної безпеки житлових обєктів на базі використання ідей, принципів та структурних елементів еволюційного моделювання, що дозволило одержати теоретичні та практичні результати, які характеризують новизну дослідження і особистий внесок автора, зокрема:

вперше:

запропоновано модель та розв'язано задачу ідентифікації оцінки рівня пожежної безпеки житлових об'єктів на основі врахування композиції внутрішніх та зовнішніх факторів, що дозволило проводити адекватні профілактичні та попереджувальні заходи;

розроблено метод ідентифікації функції оцінки рівня пожежної безпеки з використанням двоядерної нейронної мережі, внаслідок чого зменшено вплив шумових ефектів на точність оцінки;

розроблено модель функції часу проїзду пожежного підрозділу до місця пожежі та запропоновано метод її оптимізації на базі генетичного алгоритму, що дозволило мінімізувати час на прийняття рішень за рахунок автоматизованого розрахунку оптимального шляху;

запропоновано процедуру процесу прийняття рішень при пожежогасінні, яка базується на використанні даних інформаційного банку про рівень пожежної безпеки житлового обєкта та результатах роботи інформаційно-аналітичної системи, що зменшує час локалізації та ліквідації пожежі;

одержала подальший розвиток:

технологія самоорганізації нейронної мережі за рахунок послідовної оптимізації її структури залежно від вихідних даних, що дозволило збільшити швидкість навчання мережі та уникнути проблем із її перенавчанням;

удосконалено:

методи аналізу помилок особового складу при пожежогасінні з використанням кореляційно-регресійного та нейромережевого аналізу, в результаті застосування яких визначаються ситуації підвищеного ризику та визначаються заходи для зменшення їх ймовірності.

Практичне значення одержаних результатів полягає у такому:

1. Удосконалені методи прийняття рішень при пожежогасінні та мінімізації помилок особового складу з використанням еволюційного моделювання. Наукові положення, одержані в роботі, дозволяють ефективно проводити протипожежні заходи, аналізувати результати пожежогасіння та використовувати їх при виникненні аналогічних ситуацій.

2. Запропоновані методи визначення оцінки рівня пожежної безпеки житлових об'єктів на базі нейронних мереж вказують на методологічний аспект, складовими якого також є методи розрахунку найбільш значущих факторів. Результати дисертаційного дослідження свідчать про переваги використання інформаційно-аналітичної системи “БЕЗПЕКА”, за допомогою якої відбувається супроводження процесів прийняття рішень при пожежогасінні від моменту надходження повідомлення до часу закінчення ліквідації пожежі.

3. Результати дослідження, а саме моделі, методи та інформаційно-аналітичне забезпечення використані в роботі НДІ пожежної безпеки МНС України, Головного управління пожежної безпеки в Черкаській області та в навчальному процесі інженерно-профілактичного факультету Черкаського інституту пожежної безпеки імені Героїв Чорнобиля при викладанні курсів “Інформатика та комп'ютерне забезпечення”, “Системний аналіз діяльності пожежної охорони”, “Інформаційні технології управління”.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є самостійною закінченою науковою працею. Всі результати дослідження отримані автором особисто. В сумісних роботах автору належать модель та еволюційний метод оптимізації шляху пожежного підрозділу до місця пожежі [5]; технологія самоорганізації нейронної мережі [6].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційного дослідження доповідались та отримали позитивний відгук на:

Міжнародній науково-практичній конференції “Єдиний інформаційний простір” (м. Дніпропетровськ, грудень 2003 р.);

II Міжнародній науковій конференції “Нейромережеві технології та їх застосування” (м. Краматорськ, грудень 2003 р.);

VII Міжнародній науково-практичній конференції (м. Дніпропетровськ, березень 2004 р.);

IV Науково-практичній конференції студентів, аспірантів та молодих вчених “ІТОНТ-2004” (м. Черкаси, квітень 2004 р.);

VI Міжнародній науково-практичній конференції студентів, аспірантів та молодих вчених “Системний аналіз та інформаційні технології” (м. Київ, липень, 2004 р.);

Міжнародній науково-практичній конференції “Искусственный интеллект-2005” (с. Дивноморське, Росія, вересень 2005 р).

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 10 наукових праць, з яких 5 - статті у фахових виданнях ВАК України, в яких публікуються основні результати дисертаційних досліджень, 1 статтю та 4 тези доповідей на міжнародних конференціях.

Обсяг і структура дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Основний текст викладений на 130 сторінках, містить 25 рисунків та 10 таблиць. Список використаних джерел складається із 128 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, формулюється мета та задачі дослідження, відзначається наукова новизна та практичне значення отриманих результатів, показано звязок теми дисертаційної роботи з науковими темами, надані відомості про апробацію результатів і публікацію матеріалів дисертації.

У першому розділі “Проблема створення і автоматизації інформаційно-аналітичного забезпечення протипожежного захисту житлових об'єктів” проведено загальний аналіз проблеми ефективності функціонування системи пожежної безпеки. Встановлено, що зростання кількості пожеж і кількості загиблих на них людей в Україні, а також обмеженість ресурсного забезпечення пожежних підрозділів визначає необхідність розробки інформаційно-аналітичного забезпечення роботи пожежних підрозділів.

Система пожежної безпеки (СПБ) є типовим представником загальної категорії систем, що визначає такі її характеристики, як цілісність, емерджентність, ієрархічність та скінченність. Разом з тим вона є технічною системою, що визначається характеристиками складності, високої вартості, автоматизованості, із “людино-машинним” характером функціонування. Її головною особливістю є змагальний характер використання в умовах ризику та невизначеності. Теоретико-множинна модель СПБ є такою:

(1)

Де простір існування СПБ; стан СБП; функція будови; функція зовнішніх умов. Дискретний простір відображає ресурси системи, її робочий потенціал. Функція характеризує дію людини, що входить до складу системи, на стани СПБ і формально відображає її структуру та розподіл ресурсів у просторі існування системи. Вплив зовнішнього середовища на стан та функціонування СПБ визначається функцією Ефективність системи визначається мірою її відповідності своєму призначенню і є дійсною, скінченною та додатною функцією, максимум якої потрібно знайти:

(2)

Оскільки взаємодія СПБ та зовнішнього середовища відбувається у неантагоністичних умовах, то розв'язання задачі (2) здійснюється шляхом пошуку стратегії яка і забезпечить одержання максимальної ефективності. Для цього необхідно розв'язати задачу знаходження:

(3)

Де ймовірність реалізації -ї стратегії. Оптимальна стратегія визначається в результаті пошуку шляхів, методів та засобів, які забезпечать розв'язання задач (2)(3). Одна із таких процедур, що полягає в інтелектуалізації та автоматизації процесів прийняття рішень, є предметом розробки у дисертації.

У дисертаційному дослідженні встановлено, що СПБ має дві визначальні підсистеми. Першою є матеріальна, функціонуюча підсистема, яка виконує перетворення наявних ресурсів у послуги. Інша, управляюча підсистема, здійснює керівництво і контроль за діяльністю пожежних підрозділів. У той час як матеріально забезпечувальна підсистема має справу з різнотипним набором ресурсів, включаючи фізичні матеріали, грошові, людські ресурси, робочим матеріалом підсистеми управління є лише інформація (рис. 1). Як і будь-яка складна система, СПБ має свої просторові та функціональні обмеження. Виділяючи із зовнішнього середовища, відзначаємо необхідність вдосконалення її організації.

Аналіз наукових літературних джерел, наведених у них моделей, методів, а також функціонуючих автоматизованих систем підтримки прийняття рішень при пожежогасінні свідчить про те, що головна увага зосереджена на питаннях моделювання „фізики” процесів на пожежах, процесу розподілу сил і засобів на пожежах, вирівнювання міри зайнятості підрозділів, імітаційному моделюванні кількості викликів. Поза увагою дослідників залишаються проблеми інтелектуалізації та автоматизації процесів прийняття рішень з використанням інформації про пожежну безпеку об'єктів. Не використовується технологія інтелектуального аналізу даних, а також, у більшості випадків, відсутні елементи конструктивізму. В автоматизованих системах немає підсистеми оцінки рівня пожежної безпеки об'єкта і відсутня аналітична частина.

Визначено тенденції розвитку системи пожежної охорони в Україні, розроблено принципи створення інформаційно-аналітичних систем, призначених для супроводження процесів підтримки прийняття рішень при пожежогасінні та наведено структурно-логічну схему дослідження.

, (7)

Де , статистичні значення типу помилок. Інформаційним доповненням до розв'язку задачі (6)(7) буде знаходження кореляційної матриці , що дозволить встановити залежності одного типу помилок від іншого.

Інформаційна база нараховує велику кількість записів, які містять значення багатьох факторів. У той же час, очевидно, що між певними факторами існує лінійна залежність і врахування кожного із них при розв'язанні задач не є обов'язковим, а часто і супроводжується негативним впливом, оскільки явище мультиколінеарності зменшує точність аналізу та адекватне використання результатів. Скорочення кількості факторів дозволить зменшити присутність шумових ефектів та мінімізувати вимоги до обчислювальних ресурсів. Водночас такі процедури не повинні суттєво впливати на точність результату, для чого потрібно знайти найбільш значущі фактори і враховувати лише їх.

Таким чином, одержуємо задачу:

(8)

Де кількість враховуваних значущих факторів; апостеріорна ентропія прогнозування вихідної характеристики; інформаційні втрати.

Головною задачею, яку необхідно розвязувати при кожній пожежі, є мінімізація часу слідування пожежного підрозділу до місця пожежі. Припустимо, що місце пожежі знаходиться між двома перехрестями і . Тоді необхідно визначити оптимальний маршрут, що відповідає розв'язку задачі знаходження:

, (9)

Де маршрут від -го пункту до -го; маршрут від пожежного депо. Вихідними даними для розвязання задачі (9) є: матриця відстаней між перехрестями; матриця часу проїзду між перехрестями (час визначається за умови, що всі інші показники мають номінальні значення); матриця номерів перехресть, де номер перехрестя призначення, мінімальна кількість перехресть, яку треба перетинати при проходженні до ; матриця кількості автомобілів, де номер часового інтервалу (доба розбита на 24 інтервали: з 0 годин до 1-ї години (1), з 1-ї години до 2-ї години (2),…), відносні частоти кількості автомобілів у -му часовому інтервалі, матриця якості дорожнього покриття, де коефіцієнти, що визначають якість дорожнього покриття від -го перехрестя до -го. Відзначимо, що матриця може мати не статистичну, а суб'єктивну природу. Якщо рух в один і той же час на різних ділянках дороги є нерівномірним, то матриця буде тривимірною, один із вимірів якої відповідає ділянці дороги. Залежно від особливостей конкретного місця чи ситуації кількість матриць значень факторів, що впливають на швидкість руху пожежного розрахунку, може бути збільшено. Відзначимо, що сутність врахування інших факторів не буде відрізнятися від уже розглянутих.

В результаті аналізу класичних методів ідентифікації встановлено, що певні обмеження, до яких належать:

для лінійної регресії - рівність математичного сподівання залишків нулю, немультиколінеарність факторів, постійність дисперсії залишків та їх незалежність, відсутність залежності значень екзогенних факторів від залишків;