Информационная система поддержки принятия решений для определения ранга пожара в жилых и административных зданиях

Актуальность диссертационного исследования. Одной из актуальных задач в области управления Комитета противопожарной службой (КПС) Министерства по чрезвычайным ситуациям (МЧС) Республики Казахстан (РК) является организация управлениями пожарно-спасательными подразделениями, особенно в крупных городах-мегаполисах: Астана и Алматы. Вышесказанное объясняется тем, что действия пожарных подразделений по тушению пожаров и ликвидации последствий аварий и катастроф осуществляется в сложных условиях, представляющих собой угрозу для жизни и здоровья. Поэтому от повышения эффективности управленческой деятельности руководителей и должностных лиц Департаментов противопожарной службы (ДПС) этих городов-мегаполисов зависит жизнь и здоровье людей, повышается возможность существенно уменьшить вредные последствия для экологии, сберечь имущество граждан и снизить экономический ущерб для организаций и промышленных предприятий от пожаров.

Роль городов в развитии общества непрерывно возрастает. Растет население городов, увеличивается их территорияменяется характер городских поселений, они сливаются, образуя агломерации, мегаполисы. Если в начале XX века в городах проживало только 14% населения Земли, к 1950 году -30%, то в начале XXI века уже примерно половина населения Земли живет в городах, а в наиболее развитых странах более 70−90% их населения являются жителями городов.

Урбанизация порождает много проблем социального, экономического и экологического характера. В городах возникает большинство пожаров, аварий и других чрезвычайных происшествий, уносящих человеческие жизни и ценности.

Постоянное нарастание пожарной угрозы в городе диктует необходимость повышения эффективности систем пожарной безопасности объектов, для чего требуется проведение целого комплекса мероприятий, в том числе:

— повышение качества пожарной техники;

— широкое внедрение автоматических систем пожарной сигнализации и тушения пожаров, противодымной защиты;

— повышение качества оперативного управления пожарными подразделениями;

— улучшение надзорно-профилактической противопожарной деятельности;

— повышение профессионального уровня работников пожарной охраны.

В этом комплексе мероприятий особо следует отметить повышение качества оперативного управления подразделениями пожарной охраны в целях обеспечения рационального использования ограниченных ресурсов и оптимизации деятельности всей системы пожарной охраны.

Известно, что основой оперативного управления является принятие решения руководителем тушения пожара (РТП). От его обоснованности во многом зависит функционирование сил и средств пожарной охраны и эффективность мер по предотвращению пожара, его ликвидации, спасению людей и материальных ценностей. Характерной особенностью принятия решений руководителем тушения пожаров при управлении оперативными пожарными подразделениями являются крайне ограниченное время для принятия решений и недостаточность конкретной информации о пожарах, в том числе:

— о причинах пожаров (взрыв газовоздушной смеси, поджог, неисправность электротехники, неосторожное обращение с огнем и др.);

— о местах возникновения пожаров, направлениях и времени их свободного развития, площади пожаров;

— о состоянии технических средств пожаротушения и дымоудаления в зданиях;

— о количестве людей, подлежащих эвакуации и местах их нахождения.

Существующие в настоящее время документы нормативного и методического характера требуют жесткого норматива выделения сил и средств от подразделений пожарной охраны, и не всегда учитывают складывающуюся на текущий момент оперативную обстановку в городе. В подобном случае руководителю тушения пожара приходится полагаться только на свой опыт, знания и интуицию, что не может гарантировать эффективного результата. Из-за этого зачастую остаются без должного прикрытия некоторые обслуживаемые районы, в которых могут произойти серьезные пожары. Руководитель тушения пожара в таких случаях сталкивается с многокритериальной задачей с противоречивыми целями. Такие задачи являются наиболее сложными в теории принятия решений, и применительно к задаче оптимального привлечения сил и средств пожарной охраны для ликвидации пожара они до конца не решены, для их решения необходимо учитывать комплексность проблемы, многовариантность и неочевидность многих ситуаций оперативной обстановки. При этом игнорирование тех или иных связей и отношений между элементами обстановки может означать одностороннее, а следовательно, искаженное отражение действительности, что, в свою очередь, может явиться причиной серьезных ошибок в решении задач, возникающих перед подразделениями пожарной охраны.

Повышение качества оперативного управления пожарными подразделениями требует применения новых информационных и телекоммуникационных технологий, реализуемых на компьютерной технике и автоматизированных системах связи. Требуется совершенствовать и научные методы принятия решений. Существует настоятельная необходимость ускоренного перехода от сложившихся традиционных методов управления к комплексному применению автоматизированных (человеко-машинных) систем управления, в которых осуществляется диалог человека с персональным компьютером (ПК), где ПК выдает обоснованные рекомендации по принятию решения, а окончательное решение принимает человек — лицо, принимающее решение (ЛПР), в частности руководитель тушения пожара, наделенный соответствующими правами. С этой целью следует разрабатывать информационные системы поддержки принятия управленческих решений, способствующих более детальной подготовке решений с применением заранее разработанных рекомендаций высококвалифицированных специалистов. Автоматизация процесса управления силами и средствами, оснащение пожарных подразделений вычислительной техникой дают возможность снизить субъективный фактор при их принятии.

В настоящее время во многих странах мира компьютерные технологии управления широко внедряются в работу спасательных служб и подразделений пожарной охраны, автоматизацией охвачены практически все звенья управления, вычислительной техникой оснащены даже пожарные автомобили. Например, в пожарных автомобилях фирмы «Бронто» в системах управления коленчатыми подъемниками и автолестницами (50 и более метров высота подъема) присутствуют элементы искусственного интеллекта.

Однако создание систем поддержки принятия решений, информационно-аналитических систем затруднено тем, что их глубина зависит от эффективного взаимодействия постановщика проблемы и специалиста по предоставлению и систематизации необходимых данных, обрабатываемых компьютером. Преодоление этих затруднений обусловило целесообразность создания методов и инструментальных средств, обеспечивающих автоматизированную выработку рекомендаций для лица, принимающего решение.

Разрабатываемая информационная система поддержки принятия управленческих решений, предполагает решение задачи определения ранга пожара в жилых и административных зданиях.

Так как в работе рассматривается проблема повышения обоснованности эффективности управленческих решений, то важное значение имеют вопросы исследования автоматизированных систем управления и решения задачи целесообразности их модернизации на базе создания ИСППР.

Научная задача, решаемая в диссертационной работе заключается в разработке информационной системы поддержки принятия решений по определению ранга пожара в жилых и административных зданиях, а также математической модели определения ранга пожара в жилых и административных зданиях, алгоритмов и методик решения задачи определения ранга пожара в жилых и административных зданиях для использования в данной информационной системе.

Цель работы: разработка научно-обоснованных методов принятия управленческих решений при определении необходимого количества сил и средств при тушении пожаров в условиях крупного города, позволяющих повысить эффективность функционирования пожарных подразделений за счет правильного определения ранга пожара в жилых и административных зданиях.

Основные задачи работы:

— обоснование необходимости применения информационных систем поддержки принятия решений (ИСППР) в управлении пожарными подразделениями при тушении пожаров в условиях города;

— разработка методов и алгоритмов решения задачи определения ранга пожара для различных объектов;

— разработка математической модели определения ранга пожара в жилых и административных зданиях;

— разработка методов формализации и представления в базе знаний параметров, характеризующих ранг пожара;

— разработка информационной системы поддержки принятия решений для определения ранга пожара в административных и жилых зданиях;

— экспериментальная проверка методов решения задачи определения ранга пожара в административных и жилых зданиях, и эффективности применения ИСППР.

Объект исследования — системы поддержки принятия решений при оперативном управлении пожарными подразделениями.

Предмет исследования — модели и методы определения ранга пожара с применением автоматизированных систем поддержки принятия решений.

Методы исследования, применяемые в работе, базируются на теории систем, теории принятия решений, теории управления, методах экспертной классификации и теории нечётких множеств.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— разработанная математическая модель определения ранга пожара в жилых и административных зданиях обеспечивает полноту выявления и учета возможных ситуаций и уменьшает субъективный характер принятия решений, основана на математическом аппарате теории нечетких множеств, с учетом положений экспертной классификации и методов построения диаграмм состояния исследуемого объекта в многомерном пространстве его параметров, на основе этой модели разработаны алгоритм и методика решения задачи определения ранга пожара в жилых и административных зданиях;

— разработаны алгоритм и методика решения задачи определения ранга пожара в жилых и административных зданиях на основе экспертной классификации определения ранга пожара. Основным преимуществом данного метода решения задачи является возможность формализовать любые параметры и произвольное их количество;

— предложенная информационная система поддержки принятия решений для определения ранга пожара позволяет использовать два способа решения задачи по определению ранга пожара в зависимости от типа формализации параметров.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель определения ранга пожара в жилых и административных зданиях на основе теории нечетких множеств.

2. Алгоритмы и методики решения задачи определения ранга пожара в жилых и административных зданиях.

3. Предложения по применению информационной системы поддержки принятия решений для определения ранга пожара.

Обоснованность и достоверность полученных результатов обеспечивается применением апробированного математического аппарата теории нечетких множеств и экспертной классификации в процессе формализации параметров, характеризующих ранг пожара, а также экспериментальной проверкой на практике разработанных математических моделей определения ранга пожара.

Научно-практическая значимость работы заключается в следующем:

— данные исследования позволили выработать новые подходы к разработке информационных систем поддержки принятия управленческих решений при оперативном управлении пожарными подразделениями;

— в работе доказана эффективность применения математического аппарата теории нечетких множеств и экспертной классификации для решения задачи определения ранга пожара;

— применение разработанной информационной системы поддержки принятия решений для определения ранга пожара в административных и жилых зданиях позволит повысить обоснованность принятия решений и оперативность управления пожарными подразделениями.

Разработанная ИСППР может применяться руководителями оперативных пожарных подразделений для оценки текущего состояния пожара и динамики его развития. Система предоставляет руководителям оперативных подразделений, в том числе и диспетчеру Центра управления силами возможность в любой момент времени определить необходимый состав сил и средств на основе оперативной информации, источником которой являются данные разведки пожара. ИСППР позволяет осуществлять сравнительный анализ эффективности деятельности руководителей пожарных подразделений на различных пожарах. При наличии соответствующей информации ИСППР позволяет провести сравнительный анализ принятых руководящим составом решений по определению необходимых сил и средств, кроме того, ИСППР позволяет оценить принятие определённого варианта управленческого решения на пожарно-такти-ческих учениях и занятиях.

Внедрение результатов исследования. Результаты исследования внедрены в практическую деятельность Департаментов противопожарной службы городов Астана и Алматы Комитета противопожарной службы Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Казахстан. Внедрение результатов диссертационной работы подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы. Научные результаты, полученные в исследовании, докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры организации пожаротушения и проведения аварийно-спасательных работ Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России, а также на следующих научно-практических конференциях:

— международной научно-практической конференции «Проблемы взаимодействия МВД и МЧС России в сфере обеспечения безопасности дорожного движения», Санкт-Петербург, 16−17 марта 2006 г.;

— международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы защиты населения и территорий от пожаров и катастроф», Санкт-Петербург, 21 июня 2006 г.

— международной научно-практической конференции «Подготовка кадров в системе предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций», Санкт-Петербург, 14 сентября 2006 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы, в том числе статья в журнале, рекомендованном ВАК Министерства образования и науки РФ.

Выводы по главе 3.

1. В данной главе сформулирована и решена задача определения ранга пожара в жилых и административных зданиях. Математическую основу решения данной задачи составляет предложенный метод определения ранга пожара на основе теории нечётких множеств. Метод опирается на базу знаний специалистов. База знаний состоит из набора терм-множеств и эмпирических правил для работы с этими множествами. Предложенный метод решения задачи определения ранга пожара в административных и жилых зданиях можно применять для решения задач определения ранга пожара на различных объектах.

Основным достоинством данного метода является более точное решение задачи определения ранга пожара, так как используется расплывчатость границ между соседними классами состояний (ненулевая степень принадлежности объекта двум соседним оценкам), т. е. возможная принадлежность объекта различным классам по разным параметрам. Количество терм-множеств, применяемых в данном методе, может быть любое, и это не будет затруднять работу эксперта и специалистов из аналитической группы. К недостатку метода можно отнести трудность в формализации в виде терм-множества параметров, представленных дискретно (да/нет).

2. Для формализации параметров, характеризующих ранг пожара предложено использовать трапециевидную форму функции принадлежности, отражающей размытость границ оценки, которая позволит выявить всю полноту свойств объекта классификации.

3. Для учета важности параметров при оценивании объекта, каждому из них сопоставляется весовой коэффициент, пропорциональный вкладу параметра в оценку объекта. Относительную важность параметров, определяющих ранг пожара, предлагается оценивать методом парных сравнений на основе метода анализа иерархий.

4. Разработан алгоритм решения задачи по определению ранга пожара с применением методов построения диаграмм состояния исследуемого объекта в многомерном пространстве его параметров, с помощью которого получены численные критерии принадлежности ранга пожара, учитывающие зависимость ранга пожара от всей совокупности признаков.

5. В главе сформулированы задачи, для решения которых возможно применение разработанных информационных систем поддержки принятия решений по определению ранга пожара, заключающиеся в оценке текущего состояния пожара и динамики его развития и в сравнительном анализе эффективности деятельности руководителей пожарных подразделений на различных пожарах.

6. Полученные в ходе настоящего диссертационного исследования теоретические и методологические результаты были проверены на ряде практических примеров в процессе анализа пожаров, произошедших в городах Казахстана — Астана и Алматы, где в управлениях противопожарной службы ДПС МЧС РК реализованы ИСППР. На основании анализа данных можно сказать, что системы поддержки принятия решений по определению ранга пожара имеют достаточно высокую эффективность, во многих случаях решения, принятые РТП совпали с полученными ИСППР, а в некоторых случаях системы определили ранг пожара точнее, нежели руководители тушения пожара.

7. Для практического применения предлагается использовать два способа решения задачи по определению ранга пожара в ИСППР. Если все параметры возможно формализовать в виде терм-множеств, то рекомендуется использовать второй способ решения в ИСППР, если же для решения задачи будут отобраны параметры которые нельзя формализовать виде терм-множеств, то предлагается использовать первый способ решения в ИСППР.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенного научного исследования в рамках диссертации осуществлено решение важной задачи — разработана информационная система поддержки принятия решений по определению ранга пожара в жилых и административных зданиях, а также математическая модель определения ранга пожара в жилых и административных зданиях, алгоритм и методика решения задачи определения ранга пожара в жилых и административных зданиях для использования в данной информационной системе.

Таким образом, цель работы — разработка научно-обоснованных методов принятия управленческих решений при определении необходимого количества сил и средств при тушении пожаров в условиях крупного города, позволяющих повысить эффективность функционирования пожарных подразделений за счет правильного определения ранга пожара в жилых и административных зданиях — достигнута.

В диссертации получены следующие основные результаты:

1. При ликвидации пожаров успех тушения во многом зависит от действий первого прибывшего руководителя тушения пожара. Как правило, он получает в полном объеме информацию об объекте и развитии пожара. Анализ пожаров показал также, что в основном первый прибывший руководитель тушения пожара действует, опираясь на сугубо субъективные факторы. Показано, что важнейшим направлением совершенствования оперативного управления пожарными подразделениями является совершенствование системы обработки информации и информационно-аналитической работы, как необходимых предпосылок выработки и принятия научно-обоснованных эффективных управленческих решений. Применение информационных технологий для повышения эффективности работы руководителя тушения пожара включает в себя в качестве важного звена поддержку принятия управленческих решений и прогноза последствий этих решений, а также результатов боевой работы по тушению пожара.

2. На основе результатов проведенного обзора существующих методов выявления экспертных знаний обосновано, что процесс выявления экспертных знаний для решения задачи определения ранга пожара целесообразно организовывать в форме классификации экспертом конкретных состояний каждого диагностического признака по их характерности для каждого ранга пожара. Научно обоснована методика и построен алгоритм решения задачи определения ранга пожара на основе экспертной классификации.

3. Разработана математическая модель определения ранга пожара в жилых и административных зданиях на основе теории нечетких множеств. Для формализации параметров, характеризующих ранг пожара, предложено использовать трапециевидную форму функции принадлежности, отражающей размытость границ оценки, которая позволит выявить всю полноту знаний об объекте. Относительную важность параметров ранга пожара предлагается определять методом парных сравнений на основе метода анализа иерархий, что позволит повысить точность решения задачи.

4. Разработана методика решения задачи определения ранга пожара в жилых и административных зданиях на основе применения методов построения диаграмм состояния исследуемого объекта в многомерном пространстве его параметров. Получены численные критерии принадлежности ранга пожара, учитывающие зависимость ранга пожара от всей совокупности параметров.

5. Проведен анализ типичных ошибок, с которыми могут сталкиваться эксперты при проведении экспертизы, и сформулированы требования к проведению экспертизы. В связи с тем, что наличие специалистов, знакомых с объектом экспертизы, является одним из главных требований получения качественной экспертной информации при проведении экспертизы, в работе разработан метод определения компетентности экспертов, позволяющий повысить уровень достоверности информации, получаемой от экспертов.

6. В работе сформулированы задачи, для решения которых возможно применение разработанной информационной системы поддержки принятия решений по определению ранга пожара, заключающиеся в оценке текущего состояния пожара и динамики его развития и в сравнительном анализе эффективности деятельности руководителей пожарных подразделений на различных пожарах.

7. Полученные в ходе диссертационного исследования теоретические и методологические результаты были проверены на ряде практических примеров в процессе анализа пожаров, произошедших в городах Казахстана — Астана и Ал-маты, где в управлениях противопожарной службы ДПС МЧС РК реализованы ИСППР. На основании анализа данных можно сказать, что системы поддержки принятия решений по определению ранга пожара имеют достаточно высокую эффективность, во многих случаях решения, принятые РТП совпали с полученными ИСППР, а в некоторых случаях системы определили ранг пожара точнее, нежели руководители тушения пожара.