Способы обработки в многоагентных системах неточных данных о паводковых ситуациях для управления локальной безопасностью субъектов России

В соответствии с Концепцией национальной безопасности РФ значительная доля функций по обеспечению жизнедеятельности на территориях субъектов Федерации возложена на местные органы власти. Это определило возникновение проблемы управления локальной (региональной) безопасностью с целью оперативного реагирования на негативные тенденции и угрозы кризисных ситуаций на территориях и в отраслях хозяйства субъектов РФ. В настоящее время одной из наиболее приоритетных задач в ее решении является обеспечение управления локальной безопасностью применительно к предупреждению и ликвидации последствий паводков.

Эффективность деятельности местных органов власти по управлению локальной безопасностью в значительной степени зависит от своевременности формирования данных для принятия решений. В соответствии с Постановлением Правительства РФ № 1113 от 5.11.1995 года «О единой государственной системе предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций» для обеспечения этой деятельности созданы автоматизированные системы Единых дежурно-диспетчерских служб администраций субъектов РФ. В силу иерархической структуры местных органов власти и распределенности источников данных организация их функционирования осуществляется как распределенных систем поддержки принятия решений (СППР). В ряде субъектов РФ такие СППР реализованы на основе многоагентных технологий.

Формирование описаний паводковых ситуаций в многоагентных СППР администраций субъектов РФ предусматривает последовательное объединение данных, характеризующих состояние водных объектов, гидрологические процессы и явления в муниципальных образованиях, районах и субъекте в целом. Эти данные являются неточными и представляются с использованием вероятностных мер, функций доверия и противоречивых функций доверия. Кроме того, одной из причин неточности является неполнота данных. Отсутствие в многоагентных СППР администраций субъектов РФ средств совместной обработки данных указанных видов приводит к увеличению времени формирования описаний паводковых ситуаций.

Пути обработки неточных данных в информационных системах рассматривались в работах Городецкого В. И., Маслова О. Н., Котенко И. В., Трахтенгерца Э. А., Заде JL, Дюбуа Д., Демпстера А., Шефера Д., Дезе Ж., СмарандачаФ. и других ученых. Вместе с тем их реализация в СППР не обеспечивает объединение неточных данных, представляемых с использованием как вероятностных мер, так и согласованных и противоречивых функций доверия, либо характеризуется экспоненциальной вычислительной сложностью.

Таким образом, в настоящее время имеется объективно сложившееся противоречие, определяемое необходимостью оперативного формирования описаний паводковых ситуаций и ограниченными возможностями существующих подходов к организации обработки неточных данных в многоагентных СППР администраций субъектов РФ. Это определяет актуальность исследования путей обработки неточных данных для формирования описаний паводковых ситуаций в многоагентных СППР, его важность для теории и практики управления в социальных и экономических системах.

Объектом исследования определены процессы формирования описаний паводковых ситуаций для управления локальной безопасностью субъектов РФ.

Предметом исследования являются методы обработки неточных данных в многоагентных системах поддержки принятия решений.

Цель диссертации состоит в повышении оперативности формирования описаний паводковых ситуаций на основе разработки процедур обработки неточных данных в многоагентных СППР.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Анализ существующих подходов к обработке неточных данных в многоагентных СППР и выбор направлений исследований.

2. Исследование путей организации обработки неточных данных в многоагентных СППР.

3. Разработка процедур обработки неточных данных.

4. Обоснование предложений по практической реализации и экспериментальная проверка результатов исследований.

Методы исследований и математический аппарат. Исследования базируются на использовании методов теорий: вероятностей, оптимального управления, активных систем, графов, распознавания образов.

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. Разработан способ комбинирования методов объединения неточных данных, предусматривающий предварительное определение моделей представления неточности в данных с использованием предложенных критериев конфликтности, наличия недоопределенных значений и соответствия аксиомам теории вероятности, и реализацию двухэтапной процедуры объединения данных.

2. Разработан способ пополнения данных о паводковой ситуации, обеспечивающий согласование действий агентов СППР на основе реализации модели управления составом активных систем в условиях различной компетентности агентов и наличия ограничений на их ресурсы.

3. Разработана методика обработки неточных данных в соответствии с предложенными способами, обеспечивающая повышение оперативности формирования описаний паводковых ситуаций в многоагентных СППР.

Практическая значимость работы состоит в том, что ее результаты обеспечивают сокращение временных затрат на формирование описаний паводковых ситуаций на территориях субъектов РФ и, в итоге, повышение оперативности реагирования на возникающие угрозы паводков, снижение финансовых и иных затрат на ликвидацию их последствий.

Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты исследований использованы в Главном управлении МЧС по Курской области и Курском центре по гидрометеорологии и мониторингу, а также в учебном процессе Курского гуманитарно-технического института при подготовке студентов по специальности 71 900 «Информационные системы и технологии».

Достоверность и обоснованность положений и результатов исследований подтверждается корректностью использования апробированного математического аппарата, качественным и количественным анализом полученных результатов, соответствием теоретических положений результатам экспериментальных исследований.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международных конференциях «Региональная информатика» (г. Санкт-Петербург, 2002 г.), «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий» (г. Москва, 2003, 2004, 2005 гг.), на заседаниях и семинарах кафедры «Информационные системы в экономике» КГТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе раздел в книге, 6 статей, 9 докладов на четырех международных конференциях.

Личный вклад автора. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателем предложены способ комбинирования методов объединения неточных данных, критерии оценки вида неточности в данных, способ пополнения данных о ситуации, методика обработки неточных данных в многоагентных СППР, разработаны практические предложения по их практической реализации.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключенияизложена на 128 страницах (основного текста), содержит 38 рисунков, 12 таблиц, список литературы содержит 127 наименования.

Выводы.

1. Исследование путей практической реализации предложенных способов комбинирования методов объединения неточных данных и согласования действий агентов позволил разработать методику обработки неточных данных в многоагентных СППР. Новизна методики состоит в том, что она обеспечивает сокращение временных затрат на формирование описаний в многоагентных СППР администраций субъектов РФ.

2. С целью практической реализации в многоагентных СППР предложенной методики обоснована типовая структура агента СППР, обеспечивающего обработку неточных данных, определен состав средств для программной реализации агентов СППР. Обосновано использование инструментальной среды разработки многоагентных систем МАББК для спецификации общих моделей поведения классов агентов, инвариантной компоненты агентов, множества функций (машин состояний), выполняемых агентами, а также механизмов коммуникации агентов. Инструментальная среда МАББК обеспечивает поддержку всего жизненного цикла разработки приложений на базе интегрированных графических редакторов и механизмы поддержание и контроля целостности, что позволяет существенно сокращать трудозатраты по программной реализации агентов.

3. С использованием указанных средств в рамках опытного участка многоагентной СППР, созданного в территориальном центре мониторинга и прогнозирования (ТЦМП) МЧС Курской области и Курском центре по гидрометеорологии и мониторингу, осуществлена программная реализация агентов, обеспечивающих обработку неточных данных на базе разработанной методики для управления локальной безопасностью Курской области применительно к предупреждению и ликвидации последствий половодья.

4. Экспе иментальная п оверка результатов исследований осуществлена на примере формирования данных о паводковой ситуации в бассейнах рек Сейм и Тускарь Курской области. Экспериментальные исследования показали, что использование разработанных подходов к обработке неточных данных в многоагентной СППР обеспечивает повышение на 50−60% оперативности формирования данных для принятия решений по управлению локальной безопасностью Курской области применительно к предупреждению и ликвидации последствий половодья по сравнению с существующей методикой (с использованием метода Дезе-Смарандача) при сравнимых ошибках оценки количества объектов в зоне затопления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе решена научно-техническая задача разработки процедур обработки неточных данных с целью сокращения временных затрат на формирование описаний паводковых ситуаций для управления локальной безопасностью субъектов РФ. При этом получены следующие основные результаты:

1. Установлено, что формирование описаний паводковых ситуаций в многоагентных СППР осуществляется путем последовательного объединения данных агентами. Данные, используемые при формировании описаний паводковых ситуаций содержатся фрагментарно в распределенных источниках, характеризуется неточностью, и представляются с использованием вероятностных мер, функций доверия и противоречивых функций доверия. Одной из причин неточности данных является их неполнота, т. е. наличие пропущенных значений в наборах входных данных.

2. Отсутствие в многоагентных СППР администраций субъектов РФ средств совместной обработки данных указанных видов приводит к несоответствию времени ормирования описании павод аций— существующим требованиям к оперативности подготовки данных для принятия решений по предупреждению и ликвидации последствий паводков.

3. Анализ существующих методов объединения неточных данных показал, что их применение для формирования описаний паводковых ситуаций не обеспечивает объединение данных, представляемых с использованием различных моделей описания неточности, либо их реализация характеризуется высокой вычислительной сложностью. Показано, что преодоление ограничений существующих методов возможно за счет комбинированного использования байесовского метода, метода Демпстера-Шефера, метода Дезе-Смарандача при объединении неточных данных, а также организации пополнения данных о ситуации при наличии необходимого для этого резерва времени.

4. Проведенные исследования показали, что объединение данных агентами СППР при формирование описания паводковой ситуации может быть представлено в виде отображений набора входных данных, полученных от средств мониторинга и от других агентов, в результирующий набор данных, характеризующий паводковую ситуацию на уровне муниципальных образований, районов или субъекта РФ в целом. С учетом особенностей процесса формирования описаний паводковых ситуаций обоснованы требования к реализации данного отображения.

5. В результате анализа известных моделей агентов (модели на основе логики намерений, реактивной и многоуровневой моделей) установлено, что наиболее адекватной специфике решаемой задачи является многоуровневая модель агента. Вместе с тем, она не предусматривает возможности пополнения входных наборов данных агента и комбинирования нескольких методов объединения неточных данных.

6. Для преодоления указанных ограничений разработана модель агента СППР путем дополнительного введения в многоуровневую модель следующих компонент: процедур определения модели представления неточности и комбини ования методов объединения неточных данныхпроцедуры согласования действий агентов по пополнению данных о ситуации. Разработанная модель учитывает особенности объединения неточных данных, представляемых с использованием вероятностных мер, функций доверия и противоречивых функций доверия, и предусматривает пополнение данных об обстановке на основе согласования действий агентов нижележащих уровней СППР.

7. Исследование путей реализации компонент разработанной модели позволило предложить критерии оценки вида неточности данных: соответствие аксиомам теории вероятностей, наличие недоопределенных значений, противоречивость данных. Использование указанных критериев позволяет осуществить выбор метода обработки неточных данных (байесовского метода, метода Демпстера-Шефера, метода Дезе-Смарандача), соответствующего модели представления в них неточности. В то же время не ясными остались пути реализации процедур комбинирования методов объединения неточных данных и согласования действий агентов по пополнению данных о ситуации.

8. В результате анализа существующих моделей организации согласования действий активных элементов установлено, что наиболее полно предъявляемым требованиям удовлетворяет модель управления составом активных систем. Однако данная модель не обеспечивает учет временных затрат на решение задач, ограниченных вычислительных ресурсов и различной компетентности агентов. Для преодоления указанных ограничений требуется развитие возможностей этой модели.

9. С целью уменьшения вычислительной сложности объединения данных в соответствии с методом Дезе-Смарандача, предложена двухэтапная процедура объединения данных о значениях признаков объектов (процессов, явлений). Процедура обеспечивает уменьшение вычислительной сложности обработки неточных данных на основе сокращения числа данных, объединяемых с помощью метода Дезе-Смарандача.

10. На основе предложенных критериев оценки вида неточности данных и двухэтапной процедуры их объединения разработан способ комбинирования методов объединения неточных данных. Новизна способа состоит в том, что он обеспечивает объединение неточных данных, представленных с использованием вероятностных мер, функций доверия и противоречивых функций доверия на основе предварительного определения модели представления неточности данных с использованием предложенных критериев конфликтности, наличия недоопределенных значений и соответствия аксиомам теории вероятности, и реализации двухэтапной процедуры объединения данных.

11. С целью преодоления ограничений модели управления составом активным систем разработан способ пополнения данных о паводковой ситуации на основе согласования действий агентов СППР. Существо способа состоит в выборе агентов для поиска дополнительных данных на основе предложенной целевой функции метаагента, учитывающей их компетентность, полученные оценки временных затрат на решение задач агентами и имеющийся резерв времени на пополнение данных.

12. Исследование путей практической реализации предложенных способов комбинирования методов объединения неточных данных и согласования действий агентов позволил разработать методику обработки неточных данных в многоагентных СППР. Новизна методики состоит в том, что она обеспечивает сокращение временных затрат на формирование описаний в многоагентных СППР администраций субъектов РФ.

13. С целью практической реализации в многоагентных СППР предложенной методики обоснована типовая структура агента СППР, обеспечивающего обработку неточных данных, определен состав средств для программной реализации агентов СППР.

14. С использованием указанных средств в рамках опытного участка многоагентной СППР, созданного в территориальном центре мониторинга и прогнозирования (ТЦМП) МЧС Курской области и Курском центре по гидрометеорологии и мониторингу, осуществлена программная реализация агентов, обеспечивающих обработку неточных данных на базе разработанной методики для управления локальной безопасностью Курской области применительно к предупреждению и ликвидации последствий половодья.

15. Экспериментальная проверка результатов исследований осуществлена на примере формирования данных о паводковой ситуации в бассейнах рек Сейм и Тускарь Курской области. Экспериментальные исследования показали, что использование разработанных подходов к обработке неточных данных в многоагентной СППР обеспечивает повышение на 50−60% оперативности формирования данных для принятия решений по управлению локальной безопасностью Курской области применительно к предупреждению и ликвидации последствий половодья по сравнению с существующей методикой (с использованием метода Дезе-Смарандача) при сравнимых ошибках оценки количества объектов в зоне затопления.