CC BY
51
УДК 681.372.8
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АППАРАТА ЭКСПЕРТНЫХ СИСТЕМ В ПРОЦЕССЕ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ
А.Р. Емельяненко, Д.Д. Лапшин, Г.А. Квашнина
Решение задач принятия решений на основе информации о состоянии природной среды требует непрерывного мониторинга за состоянием среды и выявления аномалий. Объектовое управление осуществляется только при наличии опережающей информации, позволяющей прогнозировать развитие ситуаций, принимать плановые решения и оценивать их по критериям стоимости, времени, эффективности и риска
Ключевые слова: безопасность, принятие решения, анализ данных
Важной особенностью СППР (система поддержки принятия условий) является возможность предварительной оценки качества планируемых действий, а так же возможности вычисления вероятности предотвращения экономических потерь. Для этого по каждому мероприятию необходимо вычислить разность между стоимостью затрат на предотвращение потерь и убытками, которые могут произойти при различных вероятностях явлений. Кроме того, если выводить графики важнейших переменных с ограничениями по условиям безопасности, то будет удобно сравнивать их тренды и принимать правильные решения. Для разработки СППР необходимо: оценить пригодность имеющихся
методов для оценки воздействия; использовать современные подходы к обработке и анализу информации, при помощи которых получить значимые результаты, касающиеся воздействия; сравнить методы принятия решения [1].
Процесс принятия решений может включать в себя (рис. 1) сбор и комплексирование информации
об объекте и среде управления (выявление аномалий) и при необходимости первое оповещение; обработку и хранение этой информации с приемлемыми степенями агрегации; автоматическую и/или человеко-машинную оценку состояний объекта и среды управления с прогнозированием возможной смены состояний; определение целей и критериев эффективности (безопасность людей, имущества, эффективность и др.); автоматический и/или человеко-машинный поиск решений по управлению, инициируемый оценками состояний объекта и среды управления или неблагоприятными прогнозами управляемых процессов (определяются все возможные способы и пути достижения цели); автоматическую и/или человеко-машинную оптимизацию найденных и рекомендуемых человеку, коллективу людей
Емельяненко Александр Рифатович - ВГТУ, аспирант, тел. (4732) 52-19-39
Лапшин Дмитрий Дмитриевич - ВГТУ, аспирант, тел. (4732) 52-19-39
Квашнина Галина Анатольевна - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (4732) 46-28-63
решений; человеко-машинное принятие решений с возможностями вызова для анализа как данных, лежащих в основе поиска рекомендуемых решений, так и используемой логики и математических методов, на которых базировался поиск
предлагаемых решений; согласование и
утверждение мероприятий; юридическое
оформление акта решения; реализация решений — приведение объекта в целевое состояние (ограждение, принятие контрмер, перемещение, устранение и т. п.); оценка результатов
(корректировка целей, способов и путей достижения целей), документирование, возмещение убытков.
Рассмотрим неформализованную модель процесса подготовки решений на основе использования информации о состоянии природной среды.
На рис. 2 показана организационная схема передачи сведений о природных ситуациях для принятия решений. Центральное место в этой системе занимает хозяйственный объект, чувствительный к воздействию условий среды, которым может быть любой промышленный или социальный объект.
-►Сбор данных
Гидрометеорологические
условия
бработка Анализ и прогноз ►Сравнение
До
Решение
-►Поручить —►Предложить —►Приказать
После
явления
Действия
►Ликвидировать
-►Обеспечить
Рис. 1. Упрощенная схема принятия решений на основе информации о состоянии природной среды
В результате наблюдений за природной средой выявляются сигналы в виде изменения значений некоторых параметров. Сравнивая этот сигнал со
пасти
средним значением, получаем отклонение от средних условий. На основе исходных (текущих) значений гидрометеорологических параметров заблаговременно составляется прогноз его изменений на ближайшие сутки, неделю и т. п. Если текущее значение параметра превышает некоторую критическую величину для рассматриваемого объекта и оно подтверждается прогнозом, то на объект выдается первое предупреждение. После этого необходимо начать подготовку объекта с целью уменьшения влияния условий среды. Мероприятия, которые выполняются на объектах в зависимости от имеющейся прогностической или климатической информации, составляются на основе рекомендаций и опыта ЛПР (лицо принимающее решение) [2]. Таким образом, зная значения гидрометеорологических параметров, их прогностические и климатические значения, их вероятность, опасности, которым подвергаются объекты и критерии выработки решений, можно получить перечень мероприятий — рекомендаций для выполнения на каждом объекте.
статистические и вероятностные характеристики. На выход системы — перечень мероприятий по предотвращению ущерба или увеличению эффективности функционирования предприятий. В состав информационной базы входят база знаний с формализованными перечнями мероприятий, справочные сведения о тактико-технических данных, количестве и размещении оборудования, включая основные силы и средства, необходимая вспомогательная техника и людские ресурсы, которые привлекаются на период стихийных бедствий из других сфер деятельности (рис. 3.)
Таким образом, подготовка решения — это формулирование целей, определение содержания задач, обеспечение достижения целей, выявление способов решения задач. Обоснование решения предполагает отсеивание нерациональных вариантов и отбор одного или нескольких, обладающих преимуществом по заданному критерию. Принятие решения представляет собой процесс, в результате которого руководитель или лицо, принимающее решение, выбирает единственный вариант и одобряет его для реализации.
Рис. 2. Организационная схема передачи сведений о природных ситуациях для принятия решений
Из систем сбора и обработки гидрометеорологических данных и прогноза
гидрометеоусловий поступают текущие,
прогностические и климатические значения
гидрометеорологических параметров, включая
Рис. 3. Схема выдачи оповещений и рекомендаций
В основу логической структуры человекомашинного управления объектом положены следующие принципы: модульности процессов
управления, базирующийся на гипотезе
модульности процессов мыслительной деятельности при анализе состояния, поиске и принятии управляющих решений; логической
последовательности этапов оперативного управления (заключается в том, что из всех состояний, возникающих на объекте, человек путем анализа выделяет множество проблем, достойных внимания с точки зрения решения задач управления). В найденном множестве проблем он в первую очередь пытается выделить те проблемы, которые требуют его вмешательства в процессе управления. Для каждой из таких ситуаций человек, проведя анализ причин ее возникновения, ставит цели и ищет множество управляющих решений, реализация которых на объекте позволила бы устранить данную ситуацию.
Далее, каждое из найденных решений ЛПР пытается оценить с точки зрения его эффективности. И, уже имея решения вместе с оценками их эффективности, ЛПР принимает одно из них, которое и реализует на объекте таблицы.
Каждая такая реализация обязательно контролируется, в смысле оценки ее
результативности, наблюдаемости, которая основана на том, что у человека в процессе анализа состояния, поиска и принятия решений всегда в памяти остается след, по которому можно восстановить, видоизменить и объяснить как логику рассуждений человека при решении задач управления, так и информацию, на основе которой строились эти рассуждения. Каждый такой след будем называть трассой, а процесс его восстановления, видоизменения и объяснения трассировкой или объяснением. Источниками нечеткости при принятии решений являются: элементы ситуационных данных, критерии и ограничения, представленные на естественном языке; качественные характеристики в оценке свойств объектов; значения
гидрометеорологических параметров, определенных с ограниченной точностью; недостаток информации по отдельным географическим районам;
использование субъективных шкал оценок; применение экспертных оценок и разброс во мнениях экспертов; отсутствие адекватных экономико-математических моделей или их сложность; отсутствие четких критериев оценки ситуаций; слабая изученность влияния условий среды на хозяйственные объекты; доведение информации о состоянии природной среды до ЛПР с опозданием; наличие интуитивных моделей принятия решений; решение задач формальными методами, которые будут менее эффективными, чем решения человека.
Принятие решений с использованием информации о состоянии природной среды - это ситуации, в которых последствия любых действий, которые мы можем предпринимать, неизвестны в
точности из-за того, что они зависят еще от некоторых событий, которые не можем контролировать или достаточно точно предвидеть, а последствия неизбежно отразятся на результатах наших действий. Как правило, в таких задачах не существует алгоритма выбора решения. Значительный объем информации о состоянии природной среды требует больших ресурсов ЭВМ (оперативной и внешней памяти, машинного времени) для ее обработки и перебора возможных решений.
Совокупность логических правил,
предписывающих ЛПР определенную линию поведения в конкретных условия среды, будем называть стратегией ЛПР. Эта стратегия представляет собой действия, которым ЛПР руководствуется регулярно в аналогичных условиях среды. Действия, которые необходимо выполнить, зависят от последствий воздействия (опасностей) условий среды. Для каждого типа объектов (]) эти связи можно описать соответствующими парами:
Д = Г (Ои); (1)
Воздействия зависят от условий среды:
Ои = Г- (ГМУ); (2)
Г идрометеорологические условия можно представить в следующем виде:
ГМУ^({А,)(2:)); (3)
где А: - множество параметров, характеризующих среду; 21 - множество значений параметров.
Имеются значения параметров среды Аь в том числе максимальное, минимальное и среднее значения, характеризующие текущее,
прогностическое и климатическое состояния с вероятностями проявления Р:. Каждому явлению (условиям) соответствует множество возможных воздействий (опасностей) 0:. Зная воздействия, ЛПР вырабатывает цели и определяет критерии принятия решений Кц. Использованная информации о состоянии природной среды не всегда может быть представлена в виде числового критерия. Кроме того, в таких задачах часто нет полной информации о природной среде. В наблюдениях и результатах расчетов имеются ошибки, для одних и тех же гидрометеоусловий на разных объектах и в зависимости от времени года могут быть разные решения, т. е. имеется неоднозначность, а иногда при использовании разных параметров среды, может быть, и противоречивость. Все это говорит о том, что мы имеем дело с неформализованными задачами.
Критерий служит основой оценки решения и позволяет избежать субъективных и произвольных суждений. Принятие решения всегда сопряжено с риском, который можно свести к минимуму только подбором рационального комплекса критериев. Критерии ориентируют деятельность, направленную на решение поставленной задачи. Но в то же время случайный подбор критериев может привести к случайным решениям. Критерии должны быть
понятны каждому и давать возможность однозначного обоснования. Каковы критерии — таково и решение. Главными критериями принятия решений на основе информации о состоянии природной среды являются безопасность людей и материальных ценностей, уменьшение ущерба, увеличение прибыли и др [3].
Таблица 1 Основные этапы выработки решения
Этапы выработки решения Результаты работы Работы по повышению оперативности
Анализ обработки информации Вывод о необходимости принятия решения Ускорение доведения сведений до ЛПР. Обобщение сведений
Определение цели действий Сопоставление новых сведений с поступившими ранее
Прогноз дальнейшего развития событий. Формирование комментариев
Оформление сообщений в форме, удобной для быстрого и правильного восприятия сложившейся обстановки
Обоснование Выбор варианта действий Переработка данных для оценки и выбора лучшего варианта
Ускорение процесса формирования и выдачи справочных данных
Выдача вариантов рекомендаций
Оформление результатов промежуточных вариантов с комментариями в форме удобной для анализа
Принятие решения Материализованные приказы и распоряжения Автоматизация процесса оформления приказов, распоряжений и т.д.
Автоматизация учета отданных распоряжений
Имея критерии принятия решений, можно определить множество рекомендаций (мероприятий) Дл. Каждое действие характеризуется Ул -множеством возможных ущербов или Эи -множеством возможных прибылей.
Задать конкретную стратегию £ — значит указать алгоритм, согласно которому определенным условиям среды, характеризуемым параметрами Аь ставятся в соответствие определенные действия, выбираемые из множества возможных Дл В конкретных условиях среды выбирается определенный перечень действий, то есть имеется однозначное представление:
Х(А, , Р} , К, ,/)■; (4)
Запишем это представление в виде логического правила:
Если
А1 < 21V А 2 > 2 2 & Р2 = 2р 2... Ai < 2 п; то выдать О .. & Д ... (5)
Приведенные выше правила наиболее легко представляются в базах знаний экспертных систем в виде продукций. В общем виде логическое правило в виде продукции записывается следующим образом:
Если (условие 1) V & (условие 2)..., то (опасность 1, 2.); (6)
Если (условие), то (опасность 1), иначе (опасность 2). (7)
Здесь в условиях содержится имя параметра, знаки <, =, >, V — «или», & — «и» и критерии значений параметров для числовых значений или «да» или «нет» для символьных параметров. В полуформализованном виде это выглядит следующим образом:
Если А < В, то выдать опасности 1, 2, 3 V прогноз1& перейти на новое условие. (8)
Опасности, по существу, представляют собой прогноз результатов воздействия
гидрометеорологической ситуации или событий на объекте.
Рассмотрим пример описания таких правил в полуформализованном виде.
Если на судно воздействуют различные гидрометеорологические явления (обледенение, наводнение, шторм или туман), то влияние на судно следующее (текст) и необходимо выполнить следующие рекомендации (текст). В полуформализованном виде это представлено ниже:
Если Объект = СУДНО &Уровень управления = ШТУРМАН &Цель = безопасность людей и груза &:
Если Ситуация 1 = ОБЛЕДЕНЕНИЕ, то
ОПАСНОСТИ = «Палуба и ванты обрастают льдом», «возможна гибель судна»...&
РЕКОМЕНДАЦИИ = «Сбивать лед всеми
возможными средствами», «применить горячую
воду»...
Если Ситуация 2 = ШТОРМ, то ОПАСНОСТИ = «Уменьшается скорость судна», «возможна гибель судна»...&РЕКОМЕНДАЦИИ = «Поставить судно
на или против волны», «судну уйти в укрытие»...
Если Ситуация 3 = НАВОДНЕНИЕ, то ОПАСНОСТИ = «Создает угрозу повреждения судов», «создает угрозу нагона льда в бухты, заливы»...& РЕКОМЕНДАЦИИ = «Все суда
вывести из порта на рейдовую стоянку», «поставить дополнительные якоря»...
Если Ситуация 4 = ТУМАН, то ОПАСНОСТИ = «Увеличивается опасность для судоходства»...& РЕКОМЕНДАЦИИ = «Уменьшить скорость
движения судов»...
Применение экспертных систем с базами знаний наиболее эффективно в следующих случаях: традиционные способы формализации описания управления и процедуры управления реализовать невозможно. Например, размерность задачи такова, что ее практическое решение известными методами невозможно (число уравнений в системе больше тысячи); решение принимается на основе интуиции, опыта и описать его математически невозможно; имеется достаточно обширная классификация ситуаций; можно сформировать цепочки ситуаций, связанных в единую базу знаний.
СППР должна удовлетворять следующим критериям: способность учитывать воздействия, как в точках, так и на любой площади; приспособленность для отражения воздействия различных явлений; возможность анализа влияний условий среды на морские объекты в любом географическом районе; состояние отличать воздействия, вызванные деятельностью человека без учета условий среды, от воздействий, обусловленных чисто гидрометеорологическими явлениями; способность различать воздействия и изменения, обусловленные различными
гидрометеорологическими явлениями, а также совместным эффектом. Система должна позволять работать в условиях уменьшения потоков данных за счет использования других источников.
Функции СППР подразделяются на управляющие, информационные и вспомогательные. Управляющая функция - это функция, результатом которой является выработка и реализация управляющих воздействий на технологический объект управления. Информационная функция - это наблюдение, сбор и обработка информации, и на их основе формирование и выдача рекомендаций управляющим органам. Вспомогательные функции - это функции, обеспечивающие решение внутрисистемных задач, которыми являются, по существу, функции системы переработки информации.
Для успешного создания СППР всю основную информацию необходимо ввести в компьютер, предварительно формализовав их, представив в виде базы знаний, которая должна обладать большими возможностями по сравнению с общепринятыми формами представления знаний (книги, инструкции т. п.).
На объектах имеются планы действий различных служб на случай стихийных бедствий. В период нормальных условий среды разрабатыва-
ются инструкции, которые позволяют подготовиться к экстремальным ситуациям и отклонениям от нормальных условий так, чтобы не могло возникнуть никаких проблем с точки зрения безопасности людей и имущества. Все меры в области подготовки к природным явлениям проводятся, насколько возможно до их начала. Во время и после прохождения явлений выполняются комплексы мероприятий. Таким образом, на стадии подготовки к стихийным бедствиям фактически проводится программирование решений. Принятие решений должно происходить сразу же после получения исходной информации о состоянии природной среды, т. е. в реальном масштабе времени. Кроме того, при этом серьезно затрудняется процесс изменения и введения новых знаний. Для создания базы знаний для СППР необходимо описание погодных ситуаций, которое должно быть выбрано так, чтобы их уровень не был ни очень подробным, ни схематичным для каждого типа предприятий, технологического процесса. При слишком подробном описании возникает «шумовой эффект», когда частности и несущественные для управления факты и явления могут сильно усложнить понимание сути функционирования объекта и сделать построение системы управления невозможным. СППР позволяет исследовать варианты решений, произвести выбор наилучших и вести постоянное управление объектами на основе информации о состоянии природной среды.
Каждый класс задач будет требовать определенных данных и система переработки и доведения должна давать возможность получать их. СППР должна периодически выдавать рекомендации по принятию решений, экстренно выдавать рекомендации по обеспечению безопасности при гидрометеоявлениях и моделировать возможные отклонения.
Для разработки структуры СППР «Погода» и рациональной организации ее информационной базы необходимо определить единицу описания, и их атрибуты, определить свойства атрибутов на основе изучения, анализа и классификации опасностей, действий. Если за единицу базы знаний взять документ, определяющий все характеристики решения для одного из значений параметра среды независимо от типа информации для определенной вероятности прогностических и климатических значений параметров, то исходя из пяти возможных
критических значений параметров, пяти их
вероятностей (50, 75, 80, 95, 100%), трех типов информации, сотни исходных
гидрометеорологических параметров общий объем информационной базы может составлять для
каждого вида объектов (а их может быть около 100)
7 500 ситуаций.
Особенностью управления с помощью информации о состоянии природной среды является то, что сама по себе окружающая среда не может быть самостоятельным объектом управления, а может рассматриваться только в неразрывной
взаимосвязи с объектами экономики.
Классификация подсистем СППР по объектам и явлениям позволяет более эффективно организовать поиск воздействий на опасные природные явления и подготовку рекомендаций для ликвидации их последствий.
Наряду с промышленными объектами и административными районами, необходимо выделение в качестве отдельных, подсистемы стихийных явлений [4]. Так как рекомендации различных уровней управления промышленностью взаимосвязаны, то необходима стыковка между собой сообщений для различных уровней управления и типов мероприятий. Информация о состоянии природной среды для выдачи рекомендаций должна удовлетворять таким требованиям, как уменьшенный объем без потери полноты, высокая степень анализа при ее переработке, надежность, достоверность, переданные в нужные моменты времени. От создаваемых сейчас баз данных и конкретных научно обоснованных рекомендаций руководителю - до принятия решений это дистанция огромного размера.
Таким образом, можно упорядочить процесс выработки решений, обобщить опыт использования
информации о состоянии природной среды, стандартизировать перечень проводимых мероприятий при одинаковых условиях среды, определить значимость тех или иных решений, облегчить работу руководителей предприятий по определению перечня необходимых мероприятий.
Литература
1. Михайлов В.В. Оптимизация использования метеоинформации при решении практических задач. -Метеорология и гидрология, 2006,№ 2. - 185 с.
2. Акимов В.А. Основы анализа и управления риском в природной и техногенной сферах. - М.: Деловой экспресс, 2004. - 352 с.
3. Гидрометеорологическое обеспечение. Экологическая безопасность и мониторинг. Сборник научно - методических материалов (выпуск 29, часть 1) -Воронеж: ВВВАИУ (ВИ) 2006. - 172 с.
4. Моргунов В.К. Основы метеорологии, климатологии. Метеорологические приборы и методы наблюдений: Учебник / В.К. Моргунов. - Ростов / Д.: Феникс. - Новосибирск: Сибирское соглашение, 2005. -331 с. - Высшее образование.
Воронежский государственный технический университет
USE OF VEHICLE CONSULTING MODELS IN THE PROCESS OF SUPPORT MAKING
DECISION
A.R. Emelyanenko, D.D. Lapshin, G.A. Kvashnina
The decision of tasks of making decision on the basis of state information natural environment requires the continuous monitoring after the state of environment and exposure of anomalies. An objective management is carried out only at presence of LED information, allowing to forecast development of situations, accept the planned decisions and estimate them on the measures of value, time, efficiency and risk.
Key words: safety, decision-making, the analysis of data
